VST - nowość na rynku pomiarów w radiokomunikacji
| TechnikaVST, czyli transceiver sygnałów wektorowych firmy National Instruments, to nowy przyrząd z dziedziny pomiarów sygnałów wielkiej częstotliwości, który był hitem tegorocznej konferencji NI Week. Zdaniem specjalistów z NI tego rodzaju architektura, która opiera się na oprogramowaniu, to przejaw nowej ery w miernictwie, w której inżynierowie i naukowcy mogą używać platformy LabVIEW w celu tworzenia otwartego, bazującego na układach FPGA sprzętu zaspokajającego ich specyficzne wymagania pomiarowe.
W naszym artykule przybliżamy zagadnienia związane z sygnałami wektorowymi i ich znaczeniem w radiokomunikacji oraz pokazujemy, jakie zmiany wprowadził do kanonu aparatury pomiarowej NI w urządzeniu VST.
Sygnały wektorowe - co to jest?
Rys. 1. Metoda zamiany chwilowej amplitudy i fazy sygnału na wartości na płaszczyźnie IQ
Pojęcie sygnałów wektorowych nieodłącznie związane jest z modulacjami cyfrowymi i nowoczesną radiokomunikacją. Cechą charakterystyczną znanych od ponad stu lat modulacji analogowych sygnałów, a więc amplitudy, częstotliwości i fazy, jest to, że są one jednoparametrowe. Sygnał modulujący wpływa w nich na jeden parametr sygnału nośnego, zgodny z nazwą modulacji.
Modulacje, takie jak FSK, ASK, PSK, nadal nie zasługują na określenie ich jako cyfrowe. Są one są rozwinięciem modulacji analogowych, a różnica pomiędzy AM a ASK oraz FM a FSK polega na tym, że sygnał modulujący ma formę cyfrową, zero-jedynkową, i parametr sygnału nośnego taki jak amplituda lub częstotliwość jest w nich kluczowana.
Czyli innymi słowy głębokość modulacji wynosi w nich 100%, a sygnał modulujący ma kształt prostokątny. Nadal jednak są to modulacje analogowe. Modulacje cyfrowe to natomiast techniki kodowania sygnału, opierające się na jednoczesnej zmianie dwóch parametrów nośnej: fazy i amplitudy. Modulator cyfrowy pozwala na ustawianie chwilowych wartości amplitudy i fazy nośnej.
Oczywiście dostępnych kombinacji amplituda i faza jest ograniczona liczba, bo sygnał modulujący ma formę cyfrową. Gdy amplitudę kodujemy strumieniem zer i jedynek i fazę tak samo, kombinacji faza-amplituda w modulatorze cyfrowym będzie cztery. Gdy ustawianie amplitudy i fazy zrealizowane zostanie dwubitowym strumieniem danych, otrzymamy 16 dostępnych kombinacji (QAM16).
Takie modulacje nazywane są kwadraturowymi i ich podstawową zaletą jest to, że pozwalają one w jednej chwili przesłać przez kanał radiowy więcej informacji. W porównaniu z jednoparametrowymi modulacjami analogowymi lepiej wykorzystują dostępne pasmo częstotliwości. Nazwa "kwadraturowe" wzięła się ze sposobu prezentacji sygnału zmodulowanego, do czego wykorzystuje się tzw. płaszczyznę IQ (rys. 1).
Zamiast amplitudy i fazy na osiach mamy wartości I (in-phase) oraz Q (kwadraturę) przeliczone z chwilowej amplitudy i fazy sygnału. Przy takim zobrazowaniu dostępne w danej modulacji stany przypominają kwadrat z równo rozłożonymi punktami determinującymi chwilowe wartości amplitudy i fazy dla danej kombinacji modulującego sygnału cyfrowego (rys. 2).
Wskazanie na konkretną wartość chwilową takiego sygnału dokonuje się za pomocą wektora, którego długość determinuje amplitudę, a jego położenie względem osi - chwilową fazę. Wektorem można też określić zmiany amplitudy i fazy w czasie przeskoków z jednego punktu na wykresie IQ do drugiego, tak jak dzieje się to przy zmianie cyfrowych danych napływających do modulatora.
Stąd pojęcie sygnały wektorowe dotyczy takich przebiegów, gdzie zmianie jednocześnie ulega faza i amplituda, a kierunek zmiany z jednego stanu do drugiego wskazywany jest przez wektor.
Generator i analizator sygnałów wektorowych
Rys. 2. Konstelacja dozwolonych wartości dla sygnału QAM16 wraz z wartościami fazy i amplitudy odpowiadającymi poszczególnym kombinacjom wartości danych cyfrowych
Generator sygnałów wektorowych to przyrząd, który na podstawie dwóch strumieni sygnałów cyfrowych (np. pochodzących z wyjść przetworników analogowo-cyfrowych, generuje sygnał wektorowy (ze zmienną fazą i amplitudą). Przyrząd taki bazuje na modulatorze IQ, do którego doprowadzane są strumienie cyfrowe modulujące fazę i amplitudę, sygnał referencyjny baseband i nośna cyfrowa (rys. 3).
Generator sygnałów wektorowych jest podstawowym przyrządem do badań nowoczesnych systemów radiokomunikacji oraz tworzenia nowych opracowań modulacji i kodowania danych. Pozwala stworzyć sygnały zmodulowane kwadraturowo, a więc takie, które są wykorzystywane we wszystkich nowoczesnych standardach komunikacyjnych.
Z kolei analizator sygnałów wektorowych to przyrząd, który jest w stanie zmodulowany za pomocą modulacji kwadraturowych sygnał wysokiej częstotliwości zdemodulować i zobrazować. Demodulacja polega na wydzieleniu referencyjnego sygnału nośnej cyfrowej po to, aby można było porównywać do niej chwilową fazę, a następnie stworzeniu sygnałów cyfrowych odpowiadających chwilowym zmianom fazy i amplitudy.
Takie zmiany daje się zobrazować na płaszczyźnie IQ, co pozwala ocenić integralność sygnału po przejściu przez tor transmisyjny, badać jakość modulatorów, nadajników i wszystkich elementów wchodzących w skład kompletnego toru transmisyjnego, które mogą zniekształcić transmisję.
Analizator wektorowy jest też miernikiem pozwalającym na wyznaczenie wielu parametrów jakości modulacji i oceny kanału transmisyjnego, jak np. EVM (Error Vector Magnitude), stopy błędów i wielu innych danych.
Zestaw generatora i analizatora sygnałów wektorowych jest zatem podstawowym wyposażeniem dla pracowni zajmujących się radiokomunikacją cyfrową, zarówno gdy chodzi o tworzenie nowych urządzeń, jak i badanie działających systemów.
|
Wykonany został w postaci modułu do instalacji w chassis PXI Express, gdzie zajmuje 3 sloty. Po instalacji kilku zestawów możliwe jest testowanie systemów komunikacji wielotorowej MIMO (Multiple Input Multiple Output), na płycie czołowej przygotowane są do tego celu odpowiednie złącza. Sygnały cyfrowe z obu przyrządów dochodzą do matrycy FPGA Xilinx Virtex-6, której działanie programuje się z poziomu komputera PC i programu LabVIEW. Połączenie to jest realizowane za pomocą 24 linii cyfrowych, których przepływność sięga 250 Mbit/s. PXIe-5644R wykorzystuje dwukanałowe 16-bitowe przetworniki A/C i C/A o szybkości 120 MS/s zapewniające pasmo 80 MHz. Są one taktowane tym samym zegarem co FPGA, co zapewnia doskonałą synchronizację i brak opóźnień. |
VST
Rys. 3. Schemat blokowy generatora sygnałów wektorowych
Generator i analizator sygnałów wektorowych stanowią zwykle dwa osobne urządzenia, niemniej niedawno firma National Instruments postanowiła połączyć je w jeden zestaw pomiarowy VST - transceiver sygnałów wektorowych wysokiej częstotliwości PXIe-5644R pracujący do 6 GHz. Generator i analizator w takim urządzeniu pełnią funkcję równoważną nadajnikowi i odbiornikowi, stąd też wzięła się nazwa transceiver.
Oczywiście samo połączenie dwóch przyrządów w jednej obudowie nie byłoby żadną rewolucją, dlatego w przypadku VST wejścia i wyjścia cyfrowe obu przyrządów zostały połączone z programowalną matrycą FPGA (rys. 4). Programowanie matrycy i definiowanie jej funkcji realizowane jest za pomocą programu LabVIEW, dzięki czemu tworzenie wsadu dla FPGA odbywa się prosto i graficznie.
FPGA odpowiada za obróbkę sygnału cyfrowego trafiającego na wejście generatora lub pochodzącego z wyjścia analizatora w czasie rzeczywistym. Pozwala to tworzyć i testować nowe schematy modulacji, zastępować nieistniejące jeszcze kawałki układu sprzętowego aparaturą, cały czas mając wysoką elastyczność i natychmiastową możliwość zmian.
Jest to koncepcja podobna do idei radia definiowanego programowo (SDR), gdzie całe przetwarzanie sygnału radiowego dokonuje się w domenie cyfrowej za pomocą oprogramowania i szybkich układów logicznych. Użycie LabVIEW do sterowania FPGA uwalnia od konieczności posiadania umiejętności programowania tego układu oraz radykalnie zmniejsza nakład pracy.
Pozwala też korzystać z gotowych projektów referencyjnych, przykładów, bibliotek itp. Niewątpliwie dzięki temu skomplikowana natura FPGA w takim zadaniu, jakim jest przetwarzanie sygnałów cyfrowych w czasie rzeczywistym, przestaje być odpychająca od samego początku.
Obróbka cyfrowa danych jest bardzo ważna, bo strumienie danych płynące do modulatora IQ w generatorze sygnałowym muszą być odpowiednio przygotowane i zakodowane, a te odbierane z analizatora (odbiornika) poddaje się cyfrowej obróbce i filtrowaniu, aby skorygować zakłócenia (szumy, opóźnienia, zaniki).
Rys. 4. Sposób podłączenia układu FPGA w VST
Widmo jest coraz bardziej zatłoczone, modulacje są coraz bardziej skomplikowane, na przykład bazują na technikach MIMO, czyli równoległej transmisji za pomocą kilku anten oraz ODFM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - transmisji za pomocą dwu ortogonalnych częstotliwości nośnych. Takie techniki transmisyjne wykorzystuje się m.in w standardzie LTE.
Wymagania wydajności stojące przed takimi przyrządami stale się zwiększają. Generowanie sygnałów cyfrowych do modulacji to skomplikowane zadania obliczeniowe, stąd przerzucenie przynajmniej części tej pracy na szybki FPGA może znacząco poprawić wydajność systemu pomiarowego.
FGPA może być pomocna także do symulacji rzeczywistych warunków propagacyjnych dla sygnału radiowego: zaników, interferencji, ruchu użytkownika i innych zjawisk, które występują w normalnych warunkach i powinny być symulowane w warunkach laboratoryjnych, gdyż takie zjawiska można symulować w komputerze za pomocą LabVIEW i przenosić te nastawy na bieżąco do FPGA.
Z pewnością VST dzięki obecności FPGA i możliwości wykorzystania programu LabVIEW wydaje się jednym z najbardziej uniwersalnych przyrządów pomiarowych dla nowoczesnej radiokomunikacji. Czas pokaże, czy idea zaproponowania przez inżynierów z NI upowszechni się szerzej i stanie się standardem w pomiarach.
Robert Magdziak
