Messgeräte Softwaredesignte Messgeräte definieren RF-Testsysteme völlig neu Softwarebasierte RF- Testsystemarchitekturen haben im Laufe der letzten Jahrzehnte immer mehr an Bedeutung gewonnen. Angesichts der zunehmenden Komplexität von RF- Anwendungen sehen sich Ingenieure fortwährend der Herausforderung gegenüber, bei einer Erweiterung des Funktionsumfangs einen Anstieg der Testzeiten und -kosten zu umgehen. Bild 1: Der softwaredesignte Ansatz eines Vektorsignal-Transceivers fügt der Kombination aus VSA und VSG Echtzeitsignalverarbeitung und -steuerung hinzu. Erik Johnson Product Manager National Instruments Andy Brown Principal Technology Engineer Averna Während Verbesserungen an Mess- und Prüfalgorithmen sowie Bus- und CPU-Geschwindigkeiten zu reduzierten Testzeiten geführt haben, sind für die zunehmend komplexeren Anforderungen von RF-Prüfanwendungen weitere Optimierungen notwendig. Eine Möglichkeit, Hardwarekosten und Testzeiten zu reduzieren, besteht darin, virtuelle (Software-)Messgeräte zusammen mit modularer I/O einzusetzen. Mit dem Ansatz der softwaredesignten Messgeräte können RF- Testingenieure nun noch einmal deutlich kürzere Prüfzeiten erzielen, die ohne benutzerdefinierte oder standardspezifische Messgeräte nicht umzusetzen wären. Gründe für den Einsatz Ein Paradebeispiel für einen Einsatzbereich von softwaredesignten Messgeräten ist der Bereich RF-Tests. Die Anzahl von Wireless-Geräten, die Vielfalt von Kommunikationsstandards sowie der Komplexitätsgrad von Modulationsformaten steigen jedes Jahr drastisch an. Da eine immer größere Zahl komplexer Prüfgeräte benötigt wird, sind mit jeder Technologiegeneration die Testkosten für Wireless-Geräte mithilfe herkömmlicher Techniken gestiegen. Bei dem Vektorsignal-Transceiver (VST) handelt es sich um eine neue Klasse von Messgeräten, die einen Vektorsignalgenerator (VSG) und Vektorsignalanalysator (VSA) mit einem FPGA für die Signalverarbeitung, Steuerung und Regelung in Echtzeit vereint. Der Vektorsignal-Transceiver NI PXIe- 5644R von National Instruments (NI) ist das erste RF-Messgerät, das anwenderprogrammierbare FPGA-Hardwarearchitektur integriert. Dies macht den VST zum weltweit ersten softwaredesignten Messgerät. Durch sein Softwaredesign bietet der VST die Flexibilität einer SDR-Architektur (Software-Defined Radio) und die Leistungsfähigkeit von RF-Messgeräten. Software-Entwicklungsumgebungen Obwohl anwenderprogrammierbare FPGAs weitläufig für benutzerdefinierte Hardwaredesigns und als Bestandteil von handelsüblichen Geräten verfügbar sind, wurden sie in Standardhardware bisher kaum verwendet. Der Grund liegt hauptsächlich darin, dass zur Programmierung dieser Geräte spezielle Kenntnisse notwendig sind. Das Programmieren in Hardwarebeschreibungssprachen, kurz HDLs, geht üblicherweise mit einer flachen Lernkurve einher und ist Experten im Bereich digitaler Designs vorbehalten. Abstrahierende FPGA-Software- Entwicklungsumgebungen, z. B. das NI LabVIEW FPGA Module, machen aktuelle FPGA-Technologien einer viel größeren Anzahl an Ingenieuren und Wissenschaftlern zugänglich. Unter Einsatz grafischer Programmierung kann Logik implementiert werden, um das Verhalten eins Messgeräts in Hardware auf dieselbe Art und Weise zu definieren, als würde das Programm auf einem PC ausgeführt. Die Datenflussprogrammierung in LabVIEW ist sehr gut dafür geeignet, die Art paralleler Ope- 24 HF-Einkaufsführer 2014/2015
Messgeräte Bild 2: Ein softwaredesigntes Messgerät bietet eine Programmierschnittstelle und sofort einsatzfähige Funktionen, die denen eines ähnlichen RF-Messgeräts entsprechen, um den Einstieg zu erleichtern. rationen und Prozesse zu implementieren und zu visualisieren, die auf FPGAs ausgeführt werden müssen. Damit ein softwaredesigntes Messgerät jedoch sofort einsatzfähig ist, ohne dass es einer umfangreichen Programmierung seitens des Anwenders bedarf, muss das Messgerät mit Programmcode ausgestattet sein, der eine gängige Standardfunktionalität implementiert, vorkompiliert und sofort einsatzbereit ist. Diese Funktionalität sollte dem ähneln, was normalerweise klassische Messgeräte des gleichen Typs bieten, z. B. VSA oder VSG. Der NI PXIe-5644R umfasst ein vorkompiliertes FPGA-Bitfile oder einen -Bitstream, ebenso wie eine Host- Schnittstelle oder einen Gerätetreiber, der RF-Testingenieuren geläufig ist. Weiterentwicklung herkömmlicher RF-Testsysteme mit offenen FPGAs Es gibt viele Möglichkeiten, mithilfe softwaredesignter Messgeräte RF-Testsysteme weiterzuentwickeln. Die Datenreduktion ist ein Musterbeispiel dafür, wie durch Dezimierung, Kanalaufteilung, Mittelwertbildung und anderen Algorithmen, die auf der deterministischen parallelen FPGA-Struktur ausgeführt werden, durchsatzstarke Verarbeitung und Entscheidungsprozesse implementiert werden. Dies verkürzt Testzeiten, indem der notwendige Datendurchsatz und die Verarbeitungslast des Host-PCs reduziert werden, und ermöglicht eine verbesserte Mittelwertbildung, wodurch Anwender noch mehr auf die Zuverlässigkeit ihrer Messungen vertrauen Bild 3: Die digitalen I/O-Möglichkeiten eines Vektorsignal- Transceivers können den Zustand eines RF-Transceivers in Echtzeit kontrollieren. können. FPGAs können Testzeiten weiter senken, indem sie direkt mit einem Prüfling kommunizieren (auch als Steuerung und Regelung von Prüflingen bekannt) und Testsequenzierung auf dem FPGA durchführen. Prüfgerät und Prüfling ändern dabei ihre Zustände in synchronisierten Schritten. Weitere Beispiele für anwendungsbezogene FPGA-Entwürfe sind anwenderspezifische Triggervorgänge, FFT-Engines, Rauschkorrekturen, Inline-Filter, variable Verzögerungszeiten und Leistungspegelregulierung. Beispiel: Leistungspegelregulierung für Verstärkertests In Wireless-Kommunikationssystemen kommt ein Leistungsverstärker zum Einsatz, um die Signalstärke vor Senden des Signals an die Antenne zu erhöhen. Leistungsverstärker haben typischerweise eine bestimmte Leistung bei einem bestimmten Ausgabeleistungspegel. Deshalb ist es wichtig, sie im Betrieb bei diesem Ausgabeleistungspegel zu testen. Die Verstärkung ist jedoch nur ungefähr bekannt HF-Einkaufsführer 2014/2015 25
