Application d'enregistrement et de regénération RF

Ce tutorial décrit les technologies qui permettent l’enregistrement et la regénération RF, et offre quelques considérations pratiques sur la façon d’enregistrer les systèmes RF.

Introduction

Nombreuses sont les applications qui ne peuvent pas supporter une vitesse d'échantillonnage suffisante pour des acquisitions et des générations chronophages. Dans ces situations-là, vous devez faire un compromis en utilisant une vitesse suffisamment lente pour que les données soient transférées sur le bus, ou en échantillonnant avec les hautes vitesses nécessaires, les courtes durées que la mémoire embarquée des instruments peut permettre. Or, il n'est pas question de sacrifier quoi que ce soit. Le streaming de données haute vitesse solutionne ce problème en vous aidant à transformer les données vers ou en provenance d'un instrument à une vitesse suffisamment élevée pour supporter une acquisition ou une génération continue. Le streaming haute vitesse de signaux RF est une application courante car la collecte des données est souvent nécessaire à des vitesses élevées sur une période de temps prolongée. Vous pouvez y parvenir avec un bus qui a suffisamment de bande passante pour un débit de données et un système qui vous permet de stocker le signal d'acquisition ou de génération dans sa totalité.

Application

Avec l'adoption croissante des technologies sans fil et un nombre de plus en plus grand de protocoles qui se disputent une largeur de bande limitée, les instruments RF traditionnels ne sont pas en mesure de saisir les subtilités des transmissions sans fil actuelles. Au fur et à mesure que les voies sont de plus en plus utilisées, il est important qu'elles n'aient pas de transmetteurs susceptibles de s'interférer avec des communications autorisées. En outre, il devient de plus en plus courant de tester des produits sans fil dans des environnements du monde réel afin de garantir les performances. Ces facteurs motivent l'utilisation de l'équipement de test qui peut transférer en continu les signaux RF pour une période de temps étendue.

En ajoutant un bus de données haute vitesse et un espace de stockage important, les limitations des instruments traditionnels en matière de mémoire disparaissent pour permettre une acquisition de signaux RF continue. De tels systèmes sont capables d'acquérir et de mesurer des transmissions plus longues, en réduisant d'autant le besoin d'avoir un signal et un déclenchement étroitement synchronisés. De longues périodes de regénération sont essentielles pour améliorer la précision statistique de nombreuses mesures de communication et d'affichages dont la vitesse d'erreur de bits, le CCDF (Complementary Cumulative Distribution Function), des tracés en treillis et des tracés de constellation. Le post-traitement des données acquises permet des mesures personnalisées, qui n'existent pas sur l'instrument, ou qui sont impossibles en temps réel. Cela signifie qu'il est possible de détecter des signaux transitoires qui n'auraient pas, sinon, été ni affichés ni acquis sur des instruments dotés d'une mémoire limitée.

Localiser des transmissions non autorisées sur une voie RF ou contrôler cette voie pour tout le trafic, nécessite une acquisition et une occupation continue de toute la bande passante de la voie. On fait souvent référence à l'intelligence de signaux, ou SIGINT. Le streaming de données rapide est un choix évident pour ce type d'application. Dans certains cas, vous aurez peut-être besoin de reproduire le trafic sur cette voie en générant les données acquises.

L'engouement des consommateurs pour les technologies sans fil incite la fabrication et le test d'un nombre croissant de produits RF. Bien que vous puissiez tester séparément les sous-composants de ces produits pour répondre à certaines spécifications, le test de l'intégration dans un système complexe nécessite des procédures de test nettement plus compliquées. Plutôt que de générer manuellement ces procédures, il est bien plus simple et plus réaliste d'enregistrer un signal du monde réel et de le "restituer" pour tester cet équipement. Cela permet aussi l'introduction de défaillances naturelles. Par exemple, plutôt que de simuler des effets à trajets multiples sur des signaux conçus pour tester des récepteurs radio terrestres ou satellites, l'enregistrement du signal dans une zone "morte" connue d'une ville importante (là où des trajets multiples est un problème courant) peut générer une estimation bien meilleure des performances réelles des produits. Ce processus s'appelle l'émulation des voies.

À cause de leurs similitudes, les acquisitions à durée étendue, l'analyse spectrale et l'émulation des voies font l'objet d'une appellation commune : l'enregistrement et la relecture RF partout dans ce tutorial. Il existe d'autres applications qui tombent dans cette catégorie, mais ce sont les exemples pré-cités qui profitent le plus de la technologie de streaming de données. Le reste de ce document décrit le matériel et les logiciels National Instruments que vous pouvez utiliser pour créer des systèmes d'enregistrement et de regénération RF.

Matériel

Technologies sélectionnées

Le matériel RF de NI présente plusieurs technologies pour transférer en continu les données de façon efficace. La première est la fonctionnalité OSP (traitement de signaux embarqués) des VSG (générateurs de signaux vectoriels) NI et des VSA (analyseurs de signaux vectoriels). En ce qui concerne le streaming de données haute vitesse, la fonction OSP principale est la réduction des données. La conception du matériel RF de NI nécessite que vous utilisiez une fréquence intermédiaire (FI) avant de procéder à la conversion analogique ascendante ou après la conversion analogique descendante. Plutôt que d'utiliser les ressources du processeur hôte pour convertir de façon ascendante ou descendante les représentations numériques des formes d'ondes analogiques en FI, vous pouvez mettre en œuvre cette opération sur des FPGA (field-programmable gate arrays) situés sur les VSG et VSA de NI. Cela ne réduit pas seulement la charge du traitement sur l'unité centrale hôte mais ça diminue aussi de façon importante la quantité de données brutes à transférer vers et depuis ces instruments modulaires. Par exemple, la génération d'un signal RF avec seulement 100 kHz de bande passante nécessite toujours que vous convertissiez de façon ascendante et numérique le signal 100 kHz vers une FI de 25 MHz avant de pouvoir le convertir davantage en la fréquence radio recherchée. Ce processus s'appelle DUC (digital upconversion : conversion numérique ascendante). Procéder à la conversion numérique ascendante sur le processeur hôte nécessite que vous transfériez plus de 50 Méch./s de données vers le VSG. Le déplacement de cette conversion vers le matériel VSG nécessite un débit de données de 200 kéch./s seulement, ce qui représente l'un des avantages offerts par ce processus pour les applications de streaming de données. Le contraire de ce processus, appelé DDC (digital downconversion : conversion numérique descendante), réduit également la vitesse de transfert des formes d'ondes depuis un VSA vers son contrôleur hôte de la même manière. Dans ces deux cas, les données transférées sont des données en phase (I) de 100 kéch./s et des données en quadrature (Q) de 100 kéch./s. Pour en savoir plus sur les données I et Q, reportez-vous au tutorial intitulé “What Is I/Q Data?”.

Hormis la réduction des données, vous pouvez utiliser l'OSP pour effectuer l'interpolation, la décimation, la modulation d'amplitude, la génération de fonctions et l'ajout de défaillances de conversion de fréquence. Pour en savoir plus, cliquez sur les liens OSP specific to NI signal generators etbenefits of using DDCs on signal analyzers.

Format des données

Un autre aspect important du streaming de données RF est le format des données numériques utilisé pour représenter un signal analogique. Les VSG et VSA de NI utilisent un processus appelé conversion numérique ascendante ou descendante en quadrature, qui facilite le processus de conversion. Plutôt que de représenter un signal analogique avec des données réelles uniquement, la conversion numérique en quadrature utilise à la fois des données réelles et imaginaires sous la forme de paires I et Q. Vu que les vitesses d'échantillonnage des données I et Q résultantes représentent chacune la moitié de la vitesse d'échantillonnage de la bande de base, le signal du domaine temporel, la vitesse des données résultantes est la même. Il est important de noter que vous devez effectuer le processus de conversion depuis le domaine temporel, les données de base de bande en données IQ sur le processeur hôte et pas sur l'instrument.

Si une application nécessite un contrôle direct d'un signal FI, vous pouvez désactiver la conversion numérique ascendante ou descendante pour augmenter de façon conséquente les besoins de la transmission des données, ce qui limite les performances du streaming de données. Au lieu d'envoyer les données I et Q de bande de base vers ou depuis l'instrument, ce processus nécessite des données du domaine temps réel à une vitesse plus de deux fois supérieure à la fréquence intermédiaire. Si possible, il est préférable de permettre à la conversion numérique ascendante ou descendante de générer et de recevoir des signaux FI, libérant ainsi des ressources d'enregistrement de données.

Matériel NI pour l'enregistrement (acquisition)

Pour les enregistrements de données, National Instruments vous conseille l'analyseur de signaux vectoriels NI PXI-5661 avec la conversion numérique descendante. Il combine un convertisseur analogique descendant de 2,7 GHz avec un numériseur de 14 bits à 100 Méch./s pour offrir 20 MHz de bande passante temps réel, que vous pouvez transférer en continu sur disque à une vitesse de 100 Moctets/s. Sans DDC sur le numériseur, et en utilisant une FI de 15 MHz, le streaming de données depuis le numériseur sur disque nécessiterait des vitesses de transfert de données supérieures à 120 Moctets/s, ce qui frôle les limites pratiques du bus PXI.

Matériel NI pour la regénération

Pour la génération de streaming de données, National Instruments vous conseille l'analyseur de signaux vectoriels NI PXI-5671 avec conversion numérique ascendante. Il combine un générateur de formes d'ondes arbitraires de 16 bits à 100 Méch./s avec un convertisseur analogique ascendant de 2,7 GHz. Avec la conversion numérique ascendante sur le générateur de signaux, cette association offre 6,6 MHz de bande passante de streaming de données temps réel, ou de streaming de données depuis le disque à une vitesse de 33,3 Moctets/s. En désactivant la conversion numérique ascendante, l'utilisation d'une FI de 25 MHz nécessiterait une vitesse de transfert de données supérieure à 140 Moctets/s, qui se trouve au-dessus de celle du bus PXI.

Logiciel

LabVIEW pour le streaming de données RF

NI LabVIEW est un langage de programmation idéal pour les applications de streaming de données car il offre un support intuitif des E/S sur fichier ainsi que des modèles de conception efficaces, en plus d'un parallélisme inhérent. Vu la nature "temps critique" de la communication avec des instruments et la lecture ou l'écriture de ces données depuis et sur disque à des vitesses élevées, il n'est pas possible d'utiliser un modèle de conception monoboucle traditionnel. La limitation de ce type d'architecture est que l'accès à l'instrument et au disque peut verrouiller les autres états. Si l'un des deux subit un quelconque retard de communication, cela a des impacts négatifs sur les performances de l'autre. En utilisant un modèle de conception producteur/consommateur, en éliminant l'accès séquentiel et en alternant l'accès de l'instrument et du disque, chacun peut fonctionner à son propre rythme, avec NI LabVIEW qui offre une protection de l'excédent ou du manque de flux des buffers via l'utilisation d'un buffer supplémentaire dans la mémoire du PC hôte. LabVIEW facilite ce processus de façon incroyable via son support natif des opérations de mise en attente. En outre, avec sa capacité par défaut à créer plusieurs processus, LabVIEW peut exécuter de façon indépendante les boucles producteur et consommateur. Avec les ordinateurs multiprocesseurs et les processeurs multicœurs, le streaming de données améliore de façon significative les performances en utilisant ce type d'architecture de programme.

Propres au streaming de données RF, LabVIEW propose le Toolkit NI Modulation ainsi que le Toolkit NI Spectral Measurements. Ces bibliothèques de fonctions de mesure et de communication RF courantes offrent des temps de développement bien plus courts. Pour en savoir plus sur le Toolkit Modulation et le Toolkit Spectral Measurements.

Systèmes

Il existe plusieurs configurations possibles qui permettent des systèmes de streaming de données RF. Elles sont présentées dans le tutorial "Streaming Options for PXI". Dans le cas de l'analyse de signaux, tous les systèmes qui ont la capacité de lire simultanément des données à une vitesse de 100 Moctets/s depuis un numériseur et d'écrire ces mêmes données sur un disque dur à cette même vitesse, correspondent. Cela exclut les systèmes qui utilisent un bus PCI ou PXI unique pour transférer les données dans les deux directions (instrument vers mémoire hôte, mémoire hôte vers disque), parce que la vitesse totale dépasserait la limite de la largeur de bande du bus PCI, à savoir 133 Moctets/s. Pour la génération de signaux, tout système doté de la capacité de transférer en continu des données depuis le disque à une vitesse de 33,3 Moctets/s a les compétences suffisantes pour générer en continu 6,6 MHz de bande passante temps réel. Cette vitesse va au-delà des capacités des contrôleurs embarqués National Instruments, nécessitant une solution à base de disque dur externe. Pour une acquisition et une génération simultanées à 6,6 MHz, vous avez besoin d'une bande passante totale de 66,6 Moctets/s.

Liens :

What Is I/Q Data ?
Onboard Signal Processing (OSP) on National Instruments Signal Generators
Use DDCs for High-Speed RF/IF Streaming
Streaming Options for PXI
NI PXI-5661
NI PXI-5671
NI Modulation Toolkit
NI Spectral Measurements Toolkit

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