Myslete netradičně – softwarově orientovaný přístup k VF testování

Klasický inženýrský přístup k testování nového standardu bezdrátové komunikace často zahrnuje výběr tradičního přístroje s co nejbližší specifikací.

Obr. 1 Porovnání doby měření EVM na konkurenčních přístrojích

Pro automatické testovací systémy s množstvím požadavků na testování vede tento přístup k použití jiného přístroje pro každé měření. Pokud jsou požadavky na testování jednotné a neměnné, může tato metoda dostačovat, ale stává se těžkopádnou, pomalou a výrazně dražší při testování dnešních komplexních VF přístrojů, které často používají několik standardů bezdrátové komunikace. Softwarově orientovaný přístup je ideální pro automatizaci verifikačních, validačních a výrobních VF testů, zatímco tradiční VF přístroje i nadále hrají důležitou roli ve vývojovém procesu.

Uvnitř přístroje

Technici dnes musí myslet netradičně při hledání řešení svých požadavků z hlediska testování VF technologií. Nicméně aby mohli myslet netradičně, musí nejprve vědět, co se nachází uvnitř tradičního přístroje pro VF měření. Uvnitř každých zhruba 38 000 kubických centimetrů kovového a plastového obalu se nachází sada výrobcem zvolených součástek, jež dohromady tvoří tradiční VF přístroj. Typicky se jedná o napájecí zdroj, procesor, základní desku či backplane, vestavný operační systém, knihovny pro měření a softwarový čelní panel. Tradiční podobou klasického přístroje je kombinace těchto komponent aplikovaná na specifickou sadu požadavků na měření.

Obr. 2 Jeden přístroj Averna URT dokáže vysílat vygenerovaný i zaznamenaný VF signál různých standardů bezdrátové komunikace

Tento přístup fungoval pro testování VF zařízení s běžnými požadavky na testování. V průběhu posledních několika let však efektivita tradičních přístrojů pro automatické VF testování významně klesá kvůli neustálým změnám ve vlastnostech bezdrátových zařízení. Objem výroby bezdrátových zařízení také výrazně překračuje typickou testovací kapacitu tradičních VF přístrojů díky pomalejším procesorům a datovým sběrnicím. Ty jsou častokrát o několik generací starší, než je současná technologie osobních počítačů. Dokonalé pochopení stavby tradičních VF přístrojů a problémů spojených s používáním neměnné funkcionality z hlediska měření, spolu se suboptimálním zpracováním vstupů a výstupů, jsou faktory, jež pomáhají technikům v hledání netradičních přístupů k automatizovanému VF měření.

Softwarově definovaný přístup

Přechod k softwarově orientované instrumentaci u všech typů automatických měřicích systémů, včetně VF, je stále patrnější. Na konci roku 2009 bylo nasazeno zhruba 100 000 systémů na bázi PXI, včetně více než 600 000 softwarově orientovaných přístrojových modulů. Otevřený uživatelsky definovaný software a modulární hardware komunikující s PC jsou pro automatické VF testování ideální, jelikož nabízejí nejvýkonnější procesory a datové sběrnice, flexibilní periferní I/O, kompaktní modulární design, inteligentní distribuci a monitoring napájení a přesné časování a synchronizaci celého systému.

Jinými slovy, softwarově orientovaný přístup k automatickému VF testování využívá podobný typ komponent jako tradiční VF přístroje, ale používá je v modulární, uživatelsky definované architektuře. Díky tomu mají uživatelé k dispozici nejvýkonnější komponenty, uživatelsky programovatelné vstupy a výstupy a analýzu, dále také kompaktní rozměry s prokázanou spolehlivostí i v tom nejnáročnějším prostředí pro VF testování. Konečnou odměnou pro techniky s netradičním myšlením je řešení pro VF testování, které je rychlejší, flexibilnější a stejně přesné – to vše za zlomek ceny ve srovnání s řešením založeným na tradičních přístrojích. Pro ještě lepší porozumění výhodám softwarově orientované instrumentace pro VF aplikace se podívejte na následující příklady ukazující, jak rychlost, flexibilita a přesnost tohoto přístupu vedou ke značným zlepšením při pokrývání dnešních potřeb VF testování.

Rychlost měření – WL AN

Jednou z nejdůležitějších výhod softwarově orientovaných PXI měřicích systémů je výrazně rychlejší měření ve srovnání s tradičními VF přístroji. Ačkoliv je tato výhoda obzvláště patrná při testování většího počtu bezdrátových standardů, mohou uživatelé dosáhnout významného zrychlení i při testování jediného standardu, jako je například WLAN.

Obr. 3 Konstelační diagram pro WiMAX měření 16-QAM EVM konkuruje výrazně dražší VF instrumentaci od jiných dodavatelů testovací techniky

Měření WLAN, jako například měření velikosti chybového vektoru (EVM) a spektrální masky, vyžadují značnou míru zpracování signálu. S použitím vícejádrových procesorů v kontrolérech PXI mohou uživatelé tato měření provádět pětkrát až desetkrát rychleji se softwarově orientovanou VF instrumentací, jako je 6,6 GHz VF vektorový signálový analyzátor NI PXIe-5663. Kromě toho mohou ti uživatelé, kteří použijí NI WLAN toolkit pro LabVIEW, automaticky navyšovat výkonnost svého měření pokaždé, když je uveden rychlejší vícejádrový PXI kontrolér, protože testovací knihovny jsou vytvořeny tak, aby využívaly zpracování na vícejádrových procesorech. Na obrázku 1 vidíte porovnání doby měření EVM a výkonu na WLAN pro dlouhé pakety (burst) při rychlosti 54 Mbps na různých VF analyzátorech.

Vysoce výkonné vícejádrové procesory, které jsou používány ve WLAN měřicích systémech PXI na bázi softwaru NI LabVIEW, provádějí většinu měření IEEE 802.11a/b/g pětkrát až desetkrát rychleji než tradiční vektorové signálové analyzátory a specializované přístroje pro WLAN.

Flexibilní instrumentace

Druhou výhodou softwarově definované instrumentace je flexibilita umožňující testování různých standardů bezdrátové komunikace s použitím stejného VF hardwaru. Po dnešních bezdrátových zařízeních je vyžadováno, aby podporovala stále větší množství standardů. Například moderní chytré telefony často podporují šest a více bezdrátových standardů, jako je GSM/EDGE/WCDMA, Bluetooth, GPS i WLAN. Kromě toho některé moderní rádiové přijímače podporují 10 či více bezdrátových standardů, včetně AM/FM, RDS/RDBS, Sirius, XM, DAB, IBOC, GPS, TMC přes RDS a dokonce i DARC. Proto existuje při testování bezdrátové komunikace jasná potřeba instrumentace, která je dostatečně flexibilní, aby si poradila s novými bezdrátovými standardy, jakmile se objeví na scéně.

Se softwarově orientovanou instrumentací mohou uživatelé v LabVIEW vytvářet libovolný rádiový signál a přenést jej do paměti PXI VF vektorového generátoru signálu pro okamžitou zkoušku vysílání. Například inženýři ze společnosti Averna, člena Select National Instruments Alliance Partner, nabízejí univerzální rádiový tester (URT) na bázi PXI, který s jedinou RF instrumentací dokáže testovat několik standardů bezdrátové komunikace. Typický URT systém společnosti Averna je na obrázku 2.

Kromě generování signálů podle standardů pro bezdrátovou komunikaci dokáže Averna URT provádět záznam a přehrávání VF signálů. Tato technologie využívá vysoké datové propustnosti datových sběrnic PXI, vysoce výkonného datového úložiště a zpracování v softwaru LabVIEW. Díky záznamu VF signálů a jejich pozdějšímu přehrávání v laboratoři mohou uživatelé validovat provoz přijímačů FM, DVB-T či GPS v prostředí, ve kterém budou nakonec nasazeny.

Přesná instrumentace – WiMA X

Poslední výhodou softwarově definované VF instrumentace je, že uživatelé mohou dosahovat vysoce přesných měření za nižší cenu ve srovnání s tradičními přístroji. S příchodem nových standardů bezdrátové komunikace, jako jsou WiMAX a 3GPP (3rd Generation Partnership Project) LTE (Long Term Evolution), musí mnoho bezdrátových zařízení splňovat přísnější požadavky na výkon než kdy dříve. Například minimální požadovaná hodnota EVM pro transmiter 802.11a/g (WLAN) je −25 dB pro 54 Mbps, typ signálu 64-QAM (quadrature amplitude modulation). Novější standardy, jako 3GPP LTE a WiMAX, jsou předmětem ještě přísnějších nároků na VF výkon. Pro srovnání, minimální požadovaná hodnota EVM pro zařízení podle standardu 802.16-2004 (Fixed WiMAX) je −31 dB pro podobný signál typu 64-QAM, což vyžaduje ještě vyšší VF výkon.

Dnešní softwarově orientovaná instrumentace pomáhá technikům dosahovat špičkových výkonů při VF měření s nižšími náklady, než bylo kdy dříve možné. Před třemi roky by vektorový signálový generátor a analyzátor, který by dosáhl EVM −45 dB pro Fixed WiMAX a ACLR (adjacent channel leakage ratio) 65 dBc pro WCDMA, stál u všech výrobců přes 100 000 USD. Dnes mohou uživatelé dosáhnout shodné přesnosti za méně než 65 000 USD (včetně skříně a kontroléru), když použijí nové PXI přístroje, jako jsou 6,6 GHz VF vektorový signálový analyzátor NI PXIe-5663 a VF vektorový signálový generátor NI PXIe-5673. Oba přístroje používají nejnovější 16bitové analogově- digitální a digitálně-analogové převodníky a syntezátor s nízkým fázovým šumem (−110 dBc/Hz na 1 GHz) při vysokých frekvenčních rozsazích (50 MHz a 100 MHz) pro dosažení přesného měření za nízkou cenu.

Jako příklad uveďme reziduální EVM výkon přístrojů NI PXIe-5663 a PXIe-5673 pro Fixed WiMAX signál na 3,5 GHz. Graf na obrázku 3 představuje vizuální reprezentaci přesnosti modulace, přičemž menší velikosti bodů znamenají lepší VF charakteristiku. Hodnota EVM je −46 dB (0,5 procenta), což je výsledek o 15 dB lepší, než je minimální požadovaná hodnota pro zařízení Fixed WiMAX.

S rostoucími požadavky na rychlost měření, flexibilitu a přesnost musí technici i nadále používat netradiční myšlení při tvorbě inovativních řešení pro VF testování. Naštěstí modulární softwarově orientovaná instrumentace poskytuje technikům nové nástroje pro testování rostoucího počtu bezdrátových standardů.