Nuevas Tecnologías para Mediciones Más Rápidas de RF

Es importante entender las mejoras de velocidad que los instrumentos PXI definidos por software para RF ofrecen sobre instrumentos tradicionales por medio de una comparación. Como se ilustra en los resultados de mediciones WCDMA, los algoritmos de mediciones en paralelo de LabVIEW ofrecen tiempos de ejecución significativamente más rápidos que los instrumentos tradicionales en procesadores multinúcleo.

 Introducción

Usted se despierta a las 7:00 am al sonido de rock clásico. El receptor RDS en su reloj despertador indica que está escuchando “Welcome to the Jungle” por Guns N’ Roses. Luego, mientras se sirve su café de la mañana, un dispositivo WLAN le permite revisar su correo desde su hogar. Cuando está listo para partir al trabajo, sale por la puerta frontal y utiliza su transmisor FSK de 315 MHz para abrir las puertas de su automóvil. Saliendo de su cochera, agradece que la radio satelital le proporcione entretenimiento libre de comerciales. Momentos después, un dispositivo Bluetooth en su oído lo comunica con su teléfono celular 3G. En minutos, su sistema de navegación GPS ha adquirido su posición en 3D y se encuentra en camino. La voz de su receptor GPS le indica que utilice la caseta, donde un lector de RFID le cobra la cuota correspondiente.

La tecnología RF esta en todos lados. Es fácil de entender como le afecta a usted esto como consumidor, pero tiene un impacto mayor en usted como Ingeniero de Pruebas en RF. El bajo costo de los dispositivos inalámbricos ha hecho el tiempo fuera del trabajo más fácil, pero produce nuevos retos al diseñar sistemas de pruebas automatizadas de siguiente generación y RF. Ahora más que antes, usted tiene como objetivo bajar los costos en pruebas. Como resultado, la mayor preocupación en los sistemas de pruebas automatizadas del día de hoy está enfocada en reducir el tiempo total de prueba

Presentando una Nueva Plataforma de Pruebas en RF de 6.6 GHz

Para cubrir esta necesidad, NI ha desarrollado una plataforma de mediciones de alta velocidad en RF a 6.6 GHz.  Estos nuevos productos, el analizador de señales vectoriales (VSA) NI PXIe-5663, y el generador de señales vectoriales (VSG) NI PXIe-5673, ofrecen una solución flexible y de alta velocidad para mediciones automatizadas en RF. El  NI PXIe-5663  es capaz de analizar señales desde 10 MHz a 6.6 GHz con un ancho de banda instantáneo de hasta 50 MHz. El NI PXIe-5673 proporciona generación de señales desde 85 MHz a 6.6 GHz y proporciona un ancho de banda instantáneo de hasta 100 MHz (ver Figura 1).

 

Figura 1. Sistema PXI con la Nueva Plataforma de Prueba de RF de 6.6 GHz

La plataforma de pruebas RF de 6.6 GHz es idónea para aplicaciones de pruebas automatizadas. Utilizando algoritmos de medición altamente paralelizados de NI LabVIEW, la instrumentación modular de PXI proporciona velocidades que sobrepasan significativamente la instrumentación tradicional. Para entender como la instrumentación modular PXI es capaz de realizar mediciones más rápidas que la instrumentación tradicional, considera las diferencias en arquitectura entre instrumentos modulares PXI e instrumentos tradicionales. Mientras que ambos sistemas utilizan varios componentes similares, una distinción esencial es que los sistemas PXI pueden utilizar unidades centrales de procesamiento (CPUs) multinúcleo de alto desempeño. Para una ilustración de este concepto, vea el diagrama a bloques de ambos tipos de instrumentación en la Figura 2. 

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Figura 2. El CPU definido por el usuario es un componente crítico en instrumentos RF PXI.

Aunque PXI y los instrumentos tradicionales comparten varias similitudes, los CPUs multinúcleo definidos por el usuario disponibles en instrumentos modulares PXI permiten tiempos de mediciones más rápidos. En varios casos, los algoritmos de mediciones de RF están escritos en el lenguaje de programación paralelo de NI LabVIEW. Como resultado, la velocidad total de las mediciones puede ser reducida en el tiempo al actualizar a procesadores con más núcleos de procesamiento. Mientras la velocidad del reloj del CPU (o el número de núcleos) incrementa de acuerdo a la ley de Moore, los probadores actuales de RF en PXI pueden lograr velocidades en mediciones aun más notables. Como usted puede ver en los datos de comparación en este artículo, varios VSAs PXI pueden ejecutar algoritmos de medición RF intensivos en procesamiento hasta 30 veces más rápido que VSAs de escritorio tradicionales.

Para entender los beneficios de la instrumentación PXI, considere aplicaciones tales como pruebas de dispositivos inalámbricos de alto volumen. En este escenario, el tiempo de prueba por lo general es un alto porcentaje del costo del producto. Además, para protocolos de comunicación inalámbrica como el  estándar 3G UMTS (WCDMA,) los algoritmos de medición intensivos en procesador requieren alta capacidad de procesamiento. Para esta aplicación,  AmFax, del National Instruments Alliance Partner Program, ofrece algoritmos de medición altamente paralelos para las mediciones de la capa física de WCDMA. En este caso, la instrumentación RF de NI y el software de su socio se combinan para ofrecer una plataforma de pruebas a bajo costo, alta velocidad y alta precisión.

Utilizando  LabVIEW para Lograr Mediciones Más Rápidas de WCDMA

Para ilustrar la rapidez y precisión de mediciones con el RF VSA NI PXIe-5663, considere una comparación cara a cara con los principales instrumentos tradicionales  (ver Tabla 1). Ambos instrumentos comparados son RF VSAs relativamente nuevos, y son considerablemente más costosos que un sistema completo de mediciones RF NI PXIe-5663.

 

¹El Instrumento A es un  Rohde & Schwarz FSG.

²El Instrumento B es un Rohde & Schwarz FSQ.

Tabla 1. Comparación de PXI e Instrumentos Tradicionales

 

Para proporcionar datos de comparación más realistas, el PXI y los instrumentos tradicionales pueden ser cronometrados en una serie de mediciones específicas estándar. Para aplicaciones WCDMA, considere el desempeño del instrumento para una gran variedad de mediciones. Las mediciones de la capa física como la función de distribución complementaria acumulativa (CCDF) requieren largos tiempos de adquisición, y son menos afectados por velocidad de procesador. Por otro lado, las mediciones que requieren de modulación, tales como error de magnitud de vector (EVM), requieren procesamiento de señal sustancial. Finalmente, las mediciones en el dominio de la frecuencia como la razón de fuga de potencia en canales adyacentes (ACLR) y ancho de banda ocupado (OBW) también deben ser probadas, las cuales requieren el cómputo de la transformada discreta de Fourier (DFT).  

Con una arquitectura de ejecutivo de prueba común tal como el software NI TestStand, usted puede configurar rápidamente una secuencia de mediciones automatizadas. El software  NI TestStand no sólo proporciona una base integrada para secuencias de mediciones sino también puede ser configurado para reportar tiempos de medición en cada prueba.  Se muestra una pantalla de NI TestStand reportando tiempos de medición para una secuencia de pruebas automatizadas en la Figura 3.

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Figura 3. NI TestStand automatiza mediciones en ambiente de pruebas en producción.

En la Figura 3, observe los ciclos “For” anidados en los pasos de la medición EVM (“Configure NI EVM” y “Measure NI Composite EVM”). El ciclo “For” exterior determina el número de promedios para una medición dada, y el ciclo “For” interior ejecuta múltiples instancias de la misma configuración de medición. Al tomar múltiples mediciones con la misma configuración, usted puede realizar análisis estadístico de los datos de medición para determinar la media y desviación estándar de la medición.

Configurando Instrumentos RF

Cuando se realizan comparaciones de instrumentos, es crucial que configure cada instrumento para obtener el desempeño más rápido en las mediciones. Para instrumentos tradicionales, usted puede lograr el mejor desempeño al utilizar las funciones de promedio incluidas en el instrumento en vez de realizar el promediado manualmente. Además, la pantalla frontal debe ser apagada mientras son ejecutadas las mediciones. Finalmente, es importante utilizar el bus de control de instrumentos más eficiente. Debido a que el tamaño de los datos para estas mediciones es pequeño, el bus de control de instrumentos elegido debe estar optimizado para latencia. Por lo tanto, elija el bus GPIB en vez de LAN para mejores resultados de latencia. Como regla general la latencia afecta más significativamente a las mediciones cuando no se utiliza o se utiliza poco promediado.  

Para comparar la velocidad de mediciones de un RF VSA’s, debe ser configurado en conjunto con un RF VSG. Para evaluar el VSA NI PXIe-5663, usted puede configurar el nuevo RF VSG NI PXIe-5667 6.6 GHz  como fuente de estímulo para la prueba. De acuerdo con el estándar WCDMA, el estímulo debe estar en la frecuencia central  de 1.95 GHz.  Configure la potencia de salida  a  -10 dBm, y conecte el generador directamente al VSA. La Figura 4 ilustra la configuración del hardware.

Figura 4.  Conecte  el VSA directamente al VSG.

Si bien usted debe utilizar un dispositivo real bajo prueba (DUT) para determinar características como repetitividad de medición un beneficio de este enfoque es ilustrar el desempeño en las mediciones de los instrumentos. 

Comparación de Resultados de Tiempos de Medición

Utilizando la configuración descrita arriba, observe los tiempos de medición (en segundos) para cada uno de las siguientes mediciones. Note que el número de promedios utilizados en la Tabla 2 fueron elegidos basado en los valores que son utilizados por lo general en aplicaciones de validación de diseño. Este artículo ofrece más detalles sobre la relación entre el número de promedios y la repetitividad de mediciones en una sección posterior.

 

 

Tabla 2. Tiempos de medición WCDMA para instrumentos tradicionales y PXI

Como se ilustra en la Tabla 2, el RF VSA NI PXIe-5663 con el controlador embebido o el controlador de montaje en rack proporcionan velocidad de medición superior sobre instrumentación tradicional. Además, observe el efecto de la velocidad del procesador en el tiempo total de medición. El controlador embebido NI PXIe-8130 utiliza un CPUAMD Turon X2 2.3 GHz y el controlador embebido NI PXIe-8106 utiliza un CPU a  2.16 GHz Intel Core 2 Duo.  El controlador de montaje en rack NI 8353, de cuatro núcleos, utiliza dos CPUs a  2.4 GHz Core 2 Duo CPUs. Debido a que el desempeño del CPU determina directamente la velocidad de las mediciones, el controlador de cuatro núcleos es capaz de proporcionar tiempos de medición más rápidos que el controlador embebido de doble núcleo más veloz. Vea la Figura 5 para una gráfica que ilustra la reducción de tiempo en medición total como un porcentaje del tiempo de un instrumento tradicional.  

Figura 5. El controlador NI 8353 reduce el tiempo de prueba en un 83 por ciento sobre instrumentos tradicionales

Para la mayoría de las mediciones de capa física de WCDMA, el tiempo de procesamiento es la mayor influencia en el tiempo total de medición. Para estas mediciones, por lo general el tiempo total es proporcional al número de promedios utilizados. Una excepción son las mediciones que requieren grandes cantidades de adquisición como CCDF. En este caso, el procesador tiene una menor influencia en el tiempo total de la medición. Observe en la Figura 6 que en las mediciones de CCDF los sistemas de medición PXI son ligeramente más rápidos que la instrumentación tradicional. 

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Figura 6. El número de promedios tiene poco efecto sobre el tiempo de medición de CCDF

Para determinar las mejoras de desempeño exactas que se pueden lograr con la instrumentación PXI, estas mediciones deben realizarse en varias ocasiones. Todos los datos mostrados a continuación es la media de 10 pruebas con cada configuración. En la Figura 6, el tiempo en la medición CCDF puede ser reducido 33% cuando se utiliza un sistema de medición basado en PXI en vez de instrumentación tradicional. Aquí, usted puede observar que el controlador NI 8353 de cuatro núcleos permite el tiempo de medición más rápido.

Para mediciones de la capa física intensivas en procesador, la elección del procesador afecta significativamente el tiempo total de medición. De la Figura 7 a la 9, observe la relación entre tiempo de medición y el número de promedios para  instrumentación PXI y tradicional.

 Figura 7.  Los instrumentos PXI permiten las mejoras mayores en mediciones intensivas en procesador

Para mediciones como EVM, las cuales son intensivas en procesador, la elección de controlador puede afectar significativamente el tiempo de medición. Por ejemplo, en una medición EVM con cinco promedios puede tomar 342 ms con un controlador embebido de doble núcleo NI PXIe-8130, se puede reducir en un 33 por ciento a 228 ms con un controlador de cuatro núcleos NI 8353. Se observa un resultado similar con la medición ACLR mostrada en la Figura 8. 

 

Figura 8. Tiempo de Medición contra Número de Promedios para ACLR

El tiempo de medición para ACLR con cinco promedios puede ser reducido cuatro veces o más usando los sistemas de medición de RF PXI. Un resultado final de medición, ancho de banda ocupado, se muestra en la Figura 9.

Figura 9. Las Mediciones de  Ancho de Banda Ocupado se pueden ejecutar hasta 30 veces más rápido con instrumentos PXI.

En la Figura 9, usted puede ver que para algunas mediciones, la instrumentación RF PXI proporciona los mismos resultados hasta 30 veces más rápido que los instrumentos tradicionales. Además, la mejora en tiempo de medición absoluto es más pronunciada en situaciones que se requiere promediado. 

Promediado de Mediciones Contra Repetitividad

Mientras que el promediado puede incrementar significativamente el tiempo total de prueba, se requiere por lo general para obtener mediciones mas repetibles por medio de promedios. Debido a que el promediado de mediciones incrementa el tiempo de medición, es importante entender la relación entre repetitividad y el número de promedios. Ya que el ruido se puede mitigar a través de promedios, usted puede observar que la repetitividad mejora si incrementa el número de promedios. En la Figura 10, la desviación estándar de EVM se compara con el número de promedios configurado en cada medición. 

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Figura 10. Desviación estándar contra número de promedios en EVM

Para los resultados mostrados en la Figura 10, todas las mediciones de EVM fueron realizadas sobre un periodo de un cuadro WCDMA, el cual es equivalente a 2600 “chips”. Observe la relación entre repetitividad de medición y número de promedios. En este caso se realizaron 1000 pruebas para calcular los datos mostrados en la Figura 10, pero las aplicaciones de pruebas en producción requieren una mayor cantidad de datos de prueba. De hecho, se deben correr pruebas en múltiples instrumentos para producir un modelo más preciso de repetitividad de medición.   

Utilizando el RF VSA NI PXIe-5663 configurado con un RF VSG NI PXIe-5673, usted puede lograr fácilmente mediciones EVM mejor que 1 por ciento. La Tabla 3 ilustra la media y la desviación estándar para varias configuraciones.

 

Tabla 3. EVM y la Desviación Estándar en Función del Número de Promedios

El RF VSA NI PXIe-5663 y el RF VSG NI PXIe-5673 generan mediciones EVM precisas y repetibles para el estándar WCDMA.

Conclusión

Mientras que la adopción de la tecnología inalámbrica se acelera, se ejercerá mayor presión sobre los Ingenieros para reducir tiempo de medición. Afortunadamente los sistemas de medición PXI son capaces de aprovechar los avances en la industria de cómputo. De hecho, los datos en este artículo describen  que los algoritmos de medición en paralelo se ejecutan en procesadores multinúcleo PXI significativamente más rápido que algoritmos similares en instrumentación tradicional. Así, con la nueva plataforma de mediciones de RF PXI a 6.6 GHz de National Instruments, usted puede abordar la creciente necesidad de reducir el costo de pruebas de RF. Para más información sobre esta plataforma, visite  ni.com/rf/platform.

 

National Instruments Alliance Partner Program es una entidad de negocios independiente de NI, y no tiene relación con NI.