Nouvelles technologies pour des mesures RF plus rapides

Il est important de comprendre les gains de vitesse apportés par les instruments RF PXI définis par logiciel par rapport à des instruments traditionnels lors d’une comparaison des performances. Comme l’illustrent les résultats des mesures WCDMA, les algorithmes de mesures LabVIEW, parallèles de par leur nature, réalisent des temps d’exécution considérablement plus rapides que les instruments traditionnels sur des processeurs multicœurs.

Introduction

Vous vous réveillez à 7 heures du matin au son d’une musique de rock. Le récepteur RDS de votre radio-réveil indique que vous êtes en train d’écouter “Welcome to the Jungle” des Guns N’ Roses. Plus tard dans la matinée, alors que vous êtes en train de siroter votre café, un émetteur-récepteur WLAN vous permet de consulter vos e-mails. Lorsque vous êtes prêt à partir au travail, vous sortez de chez vous et utilisez un émetteur FSK 315 MHz pour déverrouiller les portières de votre voiture. En quittant votre allée confortablement installé dans votre voiture, vous appréciez le fait que la radio par satellite offre un divertissement sans publicité. Quelques instants plus tard, un émetteur-récepteur Bluetooth dans votre oreille communique avec votre téléphone cellulaire 3G. En l’espace de quelques minutes, votre système de navigation GPS a acquis une localisation 3D et vous êtes en route. La voix sur votre GPS vous enjoint d’emprunter l’autoroute à péage, où un lecteur RFID vous demande de payer le montant approprié.

La technologie RF est partout. Il est aisé de comprendre comment cela vous affecte en tant que consommateur, mais son impact sur vous en tant qu'ingénieur de test RF est encore plus important. Le prix en forte baisse des matériels sans fil a facilité la vie en dehors du travail, mais il engendre de nouveaux défis lorsqu’il s’agit de concevoir des systèmes de test automatisé RF nouvelle génération. L’objectif consiste plus que jamais à réduire les coûts des tests. Par conséquent, la diminution du temps de test global est à l’heure actuelle une préoccupation majeure des systèmes de test automatisé.

Introduction d’une nouvelle plate-forme de test RF 6,6 GHz

Pour répondre à cette exigence, NI a développé une plate-forme de mesure RF haute vitesse 6,6 GHz. Ces nouveaux produits, l’analyseur vectoriel de signaux NI PXIe-5663 et le générateur vectoriel de signaux NI PXIe-5673, fournissent une solution souple et haute vitesse pour les mesures RF automatisées. Le NI PXIe-5663 est en mesure d’analyser des signaux compris entre 10 MHz et 6,6 GHz avec jusqu’à 50 MHz de bande passante instantanée. Le NI PXIe-5673 assure une génération de signaux compris entre 85 MHz et 6,6 GHz et fournit une bande passante instantanée de 100 MHz (voir Figure n°1).

Figure n°1. Système PXI accompagné de la nouvelle plate-forme de test RF 6,6 GHz

La plate-forme de test RF 6,6 GHz se prête tout particulièrement aux applications de test automatisé. En utilisant les algorithmes parallèles de mesure de LabVIEW, l’instrumentation modulaire PXI assure des vitesses de mesure largement supérieures à l’instrumentation traditionnelle. Pour en comprendre la raison, il convient d’étudier les différences architecturales entre les instruments modulaires PXI et les instruments traditionnels. Les deux systèmes utilisent certes bon nombre de composantes similaires, mais ils présentent une distinction essentielle : les systèmes PXI peuvent utiliser des processeurs multicœurs hautes performances. Pour illustrer ce concept, observons les diagrammes des deux types d’instrumentation de la Figure n°2.

Figure n°2. Un processeur défini par l’utilisateur est une composante essentielle des instruments RF PXI.

Bien que les instruments PXI et les instruments traditionnels partagent un grand nombre de similarités, les processeurs multicœurs définis par l’utilisateur disponibles sur les instruments modulaires PXI permettent des mesures beaucoup plus rapides. Dans la plupart des cas, les algorithmes de mesure RF sont développés sous LabVIEW, langage de programmation parallèle par nature. Par conséquent, la vitesse de mesure globale peut être accrue au fil du temps en adoptant des processeurs pourvus de davantage de cœurs. à mesure que les vitesses d’horloge du processeur (ou le nombre de cœurs) augmentent conformément à la loi de Moore, les testeurs RF PXI actuels peuvent atteindre des vitesses de mesure encore plus remarquables. Comme le montre les données du test de performances dans cet article, de nombreux analyseurs vectoriels de signaux PXI peuvent exécuter des algorithmes de mesure RF grands consommateurs de temps processeur 30 fois plus vite que les analyseurs vectoriels de signaux de table traditionnels. 

Pour comprendre les avantages de l’instrumentation PXI, prenons l’exemple d’applications comme le test sur grand volume de matériels sans fil. Dans ce scénario, le temps de test représente un pourcentage conséquent du coût des produits vendus. Cependant, pour les protocoles de communication sans fil tels que la norme 3G UMTS (WCDMA), les algorithmes de mesure consommateurs de temps processeur nécessitent une puissance de traitement importante. Pour cette application, AmFax, Partenaire Alliance de National Instruments, propose des algorithmes parallèles de mesure pour les mesures de couches physiques WCDMA. Dans ce cas précis, l’instrumentation RF de NI et des logiciels tiers s’associent pour offrir une plate-forme de test économique, haute vitesse et haute précision.

 

Mise en œuvre de LabVIEW pour effectuer des mesures WCDMA plus rapides

Pour illustrer la vitesse et la précision des mesures de l’analyseur vectoriel de signaux NI PXIe-5663 RF, il convient d’étudier la comparaison avec deux des principaux instruments traditionnels (voir Tableau n°1). Les deux instruments en question sont des analyseurs vectoriels de signaux RF relativement récents qui sont nettement plus onéreux que le système de mesure RF NI PXIe-5663 complet.

 

¹L’instrument A est un FSG de Rohde & Schwarz.

¹L’instrument B est un FSQ de Rohde & Schwarz.

Tableau N°1. Le PXI comparé à des instruments traditionnels

 

Afin d'obtenir les données de comparaison des performances les plus réalistes possibles, le PXI et les instruments traditionnels peuvent être chronométrés sur une série de mesures propres à certaines normes. Pour les applications WCDMA, considérons les performances de chaque instrument pour un large éventail de mesures. Les mesures de couches PHY, comme la fonction de distribution cumulée complémentaire (CCDF), nécessitent de longues périodes d’acquisition et sont moins affectées par la vitesse des processeurs. En revanche, les mesures qui nécessitent de la démodulation, comme l’amplitude du vecteur d’erreur (EVM), ont besoin d’un traitement du signal conséquent. Enfin, les mesures dans le domaine fréquentiel, comme le rapport de puissance de fuite sur les voies adjacentes (ACLR) et le taux d’occupation de la bande passante (OBW), devraient également être testées, dans la mesure où elles requièrent le calcul de transformées de Fourier discrètes.

Avec un séquenceur de tests tel que NI TestStand, l’utilisateur peut rapidement configurer une séquence de mesures automatisées. Le logiciel NI TestStand ne se contente pas de fournir une solution intégrée pour le séquencement des mesures, il peut également être configuré pour retourner des durées de mesure pour chaque test. La Figure n°3 est une capture d’écran de NI TestStand rapportant les durées des mesures pour une séquence de test automatisée.

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Figure n°3. NI TestStand automatise les mesures dans un environnement de test en production

Dans la Figure n°3, observons les boucles For imbriquées qui entourent les steps (c’est-à-dire les étapes) de mesure de l’amplitude du vecteur d’erreur (“Configure NI EVM” et “Measure NI Composite EVM”). La boucle For extérieure détermine la moyenne pour une mesure donnée et la boucle intérieure séquence plusieurs instances des mêmes paramètres de mesure. En prenant plusieurs mesures avec les mêmes paramètres de configuration, il est possible d’effectuer une analyse statistique des données mesurées afin de déterminer la moyenne et l’écart-type obtenus.

Configuration des instruments RF

Lorsque l’on teste les performances de plusieurs instruments, il est primordial de configurer chaque instrument de façon à ce qu’il obtienne ses meilleures performances en termes de rapidité des mesures. En ce qui concerne les instruments traditionnels, on obtient les meilleures performances en utilisant les fonctions intégrées de moyennage au lieu de moyenner les traces obtenues séparément. Par ailleurs, l’écran de l’appareil doit être éteint pendant la prise de mesure. Enfin, il est important de choisir le bus de contrôle d’instruments le plus efficace. Comme la taille des données pour ces mesures est réduite, le bus de contrôle d’instruments choisi doit être optimisé pour le temps de latence. Il convient donc de préférer le bus GPIB au bus LAN en vue d’obtenir de meilleurs résultats en termes de temps de latence. En règle générale, le temps de latence affecte davantage les mesures lorsque peu, voire aucun moyennage n'est utilisé. 

Pour tester les performances en termes de rapidité des mesures d’un analyseur vectoriel de signaux RF, ce dernier doit être configuré en rebouclage avec un générateur vectoriel de signaux RF. Pour évaluer l’analyseur vectoriel de signaux NI PXIe-5663, le nouveau générateur vectoriel de signaux RF 6,6 GHz NI PXIe-5673 peut être configuré de façon à générer le stimulus de test. Conformément à la norme WCDMA, ce stimulus doit être à la fréquence centrale de 1,95 GHz. L’utilisateur doit configurer une puissance de sortie RF de -10 dBm et câbler directement le générateur à l’analyseur vectoriel de signaux. La Figure n°4 illustre la configuration matérielle.

Figure n°4. Analyseur vectoriel de signaux directement connecté au générateur vectoriel de signaux.

Alors qu'un matériel sous test (DUT) est nécessaire en vue de déterminer certaines caractéristiques comme la répétabilité des mesures, l’un des avantages offerts par l’approche en rebouclage est qu’elle peut être utilisée pour illustrer les performances des instruments en termes de mesures.

Résultats du test de performances en termes de durée des mesures

En utilisant les paramètres décrits précédemment, observons les durées des mesures (exprimées en secondes) pour chacune des mesures suivantes. Vous remarquerez que le nombre de moyennes utilisé dans le Tableau n° 2 a été choisi en fonction des valeurs fréquemment utilisées dans les applications de validation de conception. Vous trouverez de plus amples détails sur le rapport entre le nombre de moyennes et la répétabilité des mesures dans un prochain chapitre de cet article.

 

Tableau n°2. Durée des mesures WCDMA pour les instruments traditionnels et PXI

Comme l’illustre le Tableau n°2, l’analyseur vectoriel de signaux RF NI PXIe-5663 associé au contrôleur embarqué ou monté en baie assure une vitesse de mesure supérieure à l’instrumentation traditionnelle. Observons, par ailleurs, l’incidence de la vitesse des processeurs sur la durée globale des mesures. Le contrôleur embarqué NI PXIe-8130 utilise un processeur double cœur à 2,3 GHz AMD Turon et le contrôleur embarqué NI PXIe-8106 utilise un processeur Core 2 Duo d’Intel à 2,16 GHz. Quadricœur, le contrôleur monté en baie NI 8353 1U, utilise deux processeurs Core 2 Duo à 2,4 GHz. Comme les performances des processeurs déterminent directement la vitesse des mesures, le contrôleur quadricœur est capable de fournir des durées de mesure encore plus courtes que les contrôleurs embarqués double cœur les plus rapides. Reportez-vous à la Figure n°5 pour illustrer la réduction de la durée globale des mesures en pourcentage de la durée avec des instruments traditionnels. 

Figure n° 5. Le contrôle 1U NI 8353 réduit la durée des mesures de 83 % par rapport aux instruments traditionnels.

Pour la plupart des mesures de couches PHY WCDMA, le temps de traitement a une très grande incidence sur la durée globale des mesures. En ce qui concerne ces mesures, la durée globale est souvent proportionnelle au nombre de moyennes utilisé. Les mesures qui nécessitent des tailles d’acquisition particulièrement longues (par exemple CCDF) constituent une exception. Dans ce cas, le processeur a une influence moindre sur la durée globale des mesures. La Figure n°6 montre que pour les mesures CCDF, les systèmes de mesure PXI sont légèrement plus rapides que l’instrumentation traditionnelle. 

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Figure n°6. Le nombre de moyennes a un faible impact sur la durée des mesures CCDF.

Afin de déterminer avec précision les gains de performances observés avec l’instrumentation PXI, ces mesures doivent être effectuées au cours de plusieurs essais. Toutes les données recensées ci-dessous sont la moyenne de 10 essais pour chaque configuration. Dans la Figure n°6, la durée des mesures CCDF peut être réduite de 33 % en utilisant un système de mesure PXI au lieu d’un instrument traditionnel. Vous remarquerez ici que le contrôleur quadricœur monté en baie NI 8353 garantit les mesures les plus rapides.

Pour les mesures de couches PHY consommatrices de temps processeur, le choix de celui-ci influence considérablement la durée globale des mesures. Les Figures n°7 à n°9 montrent le rapport entre la durée des mesures et le nombre de moyennes pour l’instrumentation PXI et traditionnelle. 

 Figure n°7. Les instruments PXI apportent les améliorations les plus importantes pour les mesures consommatrices de temps processeur.

Pour les mesures EVM notamment, fortes consommatrices de temps processeur, le choix du contrôleur peut influencer significativement la durée des mesures. Par exemple, alors qu’une mesure EVM avec cinq moyennes peut prendre 342 ms avec un contrôleur double cœur embarqué NI PXIe-8130, cette durée peut être réduite de 33 %, soit à 228 ms, avec un contrôleur quadricœur NI 8353. Un résultat similaire est observé avec la mesure de rapport de fuite sur les voies adjacentes (ACLR) illustrée par la Figure n°8.

 

Figure n°8. Durée des mesures comparée au nombre de moyennes pour les ACLR

La durée des mesures pour les ACLR avec cinq moyennes peut être réduite d’un facteur quatre, voire davantage, en ayant recours à des systèmes de mesure RF PXI. Le résultat final des mesures du taux d’occupation de la bande passante est représenté par la Figure n°9.

Figure n°9. Les mesures du taux d’occupation de la bande passante peuvent être jusqu’à 30 fois plus rapides avec des instruments PXI.

La Figure n°9 permet de constater que, pour certaines mesures, l’instrumentation RF PXI génère des résultats jusqu’à 30 fois plus rapides qu’avec des instruments traditionnels. En outre, l’amélioration de la durée absolue des mesures est plus prononcée dans des situations qui nécessitent un moyennage important.

Moyennage des mesures et répétabilité

Certes, le moyennage peut accroître de manière significative les temps de tests généraux, mais il est souvent nécessaire d’assurer davantage de répétabilité des mesures par ce biais. Étant donné que le moyennage des mesures augmente véritablement leur durée, il est important de comprendre le rapport entre répétabilité et nombre de moyennes. Comme le bruit peut être atténué grâce au moyennage, la répétabilité d’un essai à l’autre s’améliore à mesure que le nombre de moyennes augmente. Dans la Figure n°10, l’écart-type sur une mesure d’EVM est comparé au nombre de moyennes configuré pour chaque mesure.

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Figure n°10. Écart-type sur une mesure d’EVM comparé au nombre de moyennes

Pour les résultats représentés par la Figure n°10, toutes les mesures EVM ont été effectuées sur une période de 1 trame WCDMA, qui correspond à 2 600 circuits. Observons le rapport entre la répétabilité des mesures et le nombre de moyennes. Alors que seuls 1 000 essais ont été conduits pour calculer l’ensemble des données indiquées à la Figure n°10, de nombreuses applications de test en production nécessitent des tests portant sur des données beaucoup plus importantes. En fait, il faut recourir à plusieurs tours de test utilisant de multiples instruments pour produire un modèle plus précis de répétabilité des mesures.

Avec l’analyseur vectoriel de signaux RF NI PXIe-5663 rebouclé sur le générateur vectoriel de signaux RF NI PXIe-5673, vous pouvez facilement obtenir des mesures EVM inférieures à 1 %. Le Tableau n°3 indique la moyenne et l’écart-type pour différentes configurations.

 

Tableau n°3. EVM et écart-type comme fonction du nombre de moyennes

L’analyseur vectoriel de signaux RF NI PXIe-5663 RF et le générateur vectoriel de signaux RF NI PXIe-5673 produisent des mesures EVM à la fois précises et répétables pour la norme WCDMA.

Conclusion

À mesure que l’adoption de la technologie sans fil se généralise, les ingénieurs vont subir une pression croissante pour réduire la durée des mesures. Fort heureusement, les systèmes de mesure PXI sont à même de tirer parti des avancées de l’industrie informatique. Concrètement, comme le montrent les données de cet article, les algorithmes parallèles de mesure s’exécutant sur des processeurs PXI multicœurs sont notablement plus rapides que des algorithmes similaires sur des instruments traditionnels. C’est pourquoi la nouvelle plate-forme de mesure RF PXI 6,6 GHz de National Instruments permet de répondre au besoin croissant de réduire le coût des tests RF. Pour de plus amples informations sur cette plate-forme, visitez le site ni.com/rf/platform.