Rejestrator sygnałów wysokiej częstotliwości dla systemów testowania urządzeń radiokomunikacyjnych

Rozwiązanie powyższego problemu oparte zostało na przyrządach pomiarowych wchodzących w skład platformy PXI firmy National Instruments. Za ich pomocą został opracowany, a następnie zbudowany solidny i niezawodny system pomiarowy, który spełnia wymagania rejestracji i odtwarzania sygnałów wysokiej częstotliwości i jest zdolny do pracy w terenie otwartym. System Averna URT (Universal Receiver Tester) wykorzystuje technologię PXI Express jako kluczowy element rozwiązania rejestracji sygnałów wysokiej częstotliwości związanych z emisją radiową, sygnałami GPS, komunikacją bezprzewodową itp.

Od kilku lat na rynku widoczny jest trend, aby odbiorniki wysokiej częstotliwości zawarte w urządzeniach elektronicznych miały coraz większą funkcjonalność w ramach pojedynczego układu. Dla producentów oznacza to wzrost potrzeb w zakresie testowania ich działania w rzeczywistym środowisku pracy. Wyjście z pomiarami poza laboratorium pozwala na walidację urządzeń wysokiej częstotliwości, badanie ich zachowania w różnych warunkach, takich jak odbiór sygnałów o złej jakości wynikający na przykład z obecności interferencji, na skutek pracy odbiornika w ruchu, nieprzewidywalności warunków propagacji, specyfiki i szczegółów implementacyjnych standardów związanych z konkretnym krajem, po nawet takie sytuacje, gdy produkt zaprojektowany do pracy w innej części świata jest używany w innym miejscu. Testowanie w warunkach otwartego terenu daje też możliwość zbadania wpływu na odbiornik zjawisk propagacyjnych takich jak silne zaniki sygnału, wahania poziomu na skutek rozpraszania Rayleigha, wielotorowa propagacja, zakłócenia ze strony kanałów sąsiednich, zakłócenia międzykanałowe oraz ze strony szumów i zakłóceń o charakterze impulsowym.

Systemy nawigacji satelitarnej z wbudowanym odbiornikiem telewizyjnym, tunery radiowe, odbiorniki sygnałów GPS i komunikatów o ruchu drogowym, telefony komórkowe z GPS i odbiornikiem radiowym, radioodbiorniki obsługujące różne typy emisji są przykładem takich rozwiązań o złożonej funkcjonalności, które coraz częściej pojawiają się obecnie na rynku i są modelowym przykładem produktu, wymagającego przeprowadzenia dokładnego testowania działania. Mimo wielu korzyści, testowanie urządzeń radiowych w otwartym terenie jest uważane za kosztowne, zabierające wiele czasu i dające niepowtarzalne wyniki. Dlatego producenci odbiorników wysokich częstotliwości często ograniczają takie badania do zawężonego obszaru i realizują je zwykle przez krótki czas.

Alternatywą użycia symulatorów opartych na modelach matematycznych i spędzania wielu godzin na testowaniu ich w rzeczywistym środowisku jest rejestrator sygnałów wysokiej częstotliwości. Może on być użyty w celu zarejestrowania rzeczywistych sygnałów, a następnie odtworzenia ich w środowisku laboratoryjnym.

Rozważania w zakresie wyboru platformy dla systemu

Podczas rozważania, jaka platforma będzie najlepsza do budowy omawianego system rejestracji i odtwarzania, konieczne jest określenie wymagań technicznych. Zawiera się w tym określenie niezbędnego do procesu akwizycji pasma przenoszenia, który waha się w zależności od rodzaju modulacji, od na przykład 20 MHz dla rejestracji emisji radiowej FM, 8 MHz dla sygnałów DVB po 5MHz dla sygnałów GPS. Istotny jest też szeroki zakres dynamiki stopnia wejściowego po to, aby system mógł wychwytywać interferencje pomiędzy dwoma sygnałami, być w stanie prowadzić obserwację słabych sygnałów przy obecności silnych sygnałów zakłócających i w innych podobnych sytuacjach. Ponadto system pomiarowy powinien być zdolny do rejestracji w długim czasie, na przykład 3 godzin w zależności od szybkości próbkowania po to, aby zebrane dane dawały wyczerpujący obraz tego, co dzieje się w eterze w normalnych warunkach pracy. W dalszej kolejności istotne są właściwości takie, jak minimalne zniekształcenia rejestrowanego sygnału oraz zdolność systemu pomiarowego do akwizycji oraz odtwarzania wielu sygnałów jednocześnie. Zakres analizowanych częstotliwości dla większości współczesnych urządzeń powinien sięgać 3,3GHz.

Ważnym czynnikiem jest też łatwość korzystania z aparatury pomiarowej, gdyż w wielu przypadkach pomiary są dokonywane przez techników, a nie inżynierów. Zgodnie z tymi założeniami został zbudowany system pomiarowy, w którym wykorzystana została platforma PXI firmy National Instruments z modułowymi przyrządami pomiarowymi pracującymi w zakresie wysokich częstotliwości. Nowa szyna komunikacyjna PXI Express zapewniająca największą dostępną w rozwiązaniach komercyjnych szybkość transmisji pozwala zapisywać strumień danych z modułu akwizycji z szybkością 200 MB/s. PXI ma także wbudowaną magistralę synchronizacji, dzięki czemu możliwy jest zapis i przesyłanie między modułami wielu sygnałów wysokiej częstotliwości jednocześnie. Moduły pomiarowe National Instruments na zakres wysokiej częstotliwości mają pasmo 50 MHz i pracują z sygnałami do 6,6 GHz. Możliwość bezproblemowego połączenia modułów pomiarowych za pomocą magistrali PXI w wydajną i niezawodną platformę stanowiącą kompletny system pomiarowy przesądziła o wyborze tego rozwiązania.

Od strony oprogramowania aplikacja pomiarowa została stworzona z wykorzystaniem graficznego języka programowania LabVIEW. Jest to łatwe w użyciu narzędzie, a dostępność wielu narzędzi software’owych oraz w szczególności pakietu NI Modulation Toolkit, w dużym stopniu skrócił czas opracowania oprogramowania.

Implementacja systemu w Avernie

System pomiarowy wykorzystuje 8- lub 18-slotowe chassis NI PXI, w którym umieszczono zarówno część urządzeń związanych z akwizycją danych, jak i odtwarzaniem zebranych informacji. Z uwagi na to, że rejestracja odbywa się w zwykłym samochodzie lub półciężarówce, a nie w specjalnym pojeździe z ekranowana komorą pomiarową, chassis zostało zamknięte w ekranowanej obudowie specjalnie przeznaczonej do aplikacji mobilnych. Zawiera ona przetwornicę DC/AC umożliwiającą zasilanie z instalacji samochodowej i eliminującej zakłócenia pochodzące od urządzeń elektrycznych samochodu.

Zapis sygnałów wysokiej częstotliwości jest realizowany przy wykorzystaniu mieszacza, który zmniejsza częstotliwość sygnałów w obserwowanym paśmie, dopasowując je do możliwości przetworników analogowo-cyfrowych stopnia wejściowego. W tym miejscu pracuje analizator wektorowy NI, na którego wyjściu otrzymuje się cyfrowy strumień danych w postaci 12-bajtowych próbek IQ. Następnie próbki są zapisywane w zewnętrznej pamięci masowej z interfejsem SATA lub zapamiętywane w wewnętrznej pamięci z magistralą PXI Express. Sygnały wysokiej częstotliwości o paśmie do 20 MHz zawarte gdziekolwiek w zakresie częstotliwości od 500 kHz do 3,3 GHz są w ten sposób badane i zapamiętywane do późniejszej analizy i przetwarzania.

Część zapisująca dane cyfrowe jest wyposażona w przedwzmacniacz z ręczną i automatyczną regulacją wzmocnienia (AGC - Automatic Gain Control) dzięki czemu uzyskuje się optymalny zakres dynamiczny pracy stopnia wejściowego. Uniwersalność rozwiązania zapewnia także przedwzmacniacz o niskim poziomie szumów (LNA - Low Noise Amplifier), który można konfigurować do pracy z antenami pasywnymi i aktywnymi. Jakość zgromadzonych danych uzupełnia odbiornik GPS oraz kamera. Dane z tych urządzeń mogą być także zapisywane w pamięci laptopa. Rejestracja dotyczy komunikatów NMEA (National Marine Electronics Association) oraz danych multimedialnych w formacie MPEG-2. Odtwarzanie zapisanych danych jest możliwe dzięki uniwersalności wektorowego analizatora sygnałów, który może wykorzystać zapamiętane próbki IQ i generować widmo podstawowe sygnału. Jest ono następnie przenoszone w zakres wysokich częstotliowości za pomocą mieszacza. W tym trybie pracy na laptopie wyświetlane są zapamiętane pozycje NMEA z odbiornika GPS oraz wyświetlany jest film z kamery pokazujący otoczenie pojazdu. W aplikacjach wykorzystujących kilka anten lub wiele sygnałów wejściowych, użycie GPS z TMC (Traffic Message Channel) do rejestracji lub odtwarzania sygnałów ma coraz większe znaczenie. Jakość danych zapewnia synchronizacja pomiędzy analizatorem wektorowym a pozostałymi elementami wchodzącymi w skład Averna RF Record & Playback System.

Podsumowanie

System pomiarowy firmy Averna to nowe niezawodne i przyjazne dla obsługi rozwiązanie, alternatywne do specjalizowanych rozwiązań rejestratorów, zdolne do akwizycji sygnałów wysokiej częstotliwości w terenie otwartym. Zapewnia ono znaczną redukcję czasu realizacji pomiarów, które obecnie zabierają minimum czasu związanego z obecnością w określonych lokalizacjach i warunkach otoczenia. Możliwość dalszej obróbki danych w warunkach laboratoryjnych daje możliwość przeprowadzenia dokładnych i wielokrotnych testów, poprawiając niezawodność tworzonego rozwiązania. Oparcie części software’owej systemu na programie LabVIEW zapewnia elastyczność działania platformy, pozwalającą w przyszłości na łatwe wprowadzanie uaktualnień, nowych funkcji pomiarowych, obsługi nowych standardów i protokołów.

Sophie Gigliotti - Senior Product Marketing Manager,
Averna Etienne Frenette - Director Business Development for URT,
Averna