Utiliser une plate-forme de mesure commune pour relever les défis des signaux mixtes dans les systèmes radar complexes

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1 Utiliser une plate-forme de mesure commune pour relever les défis des signaux mixtes dans les systèmes radar complexes Note d'application Introduction Les équipes de conception radar se trouvent maintenant à la croisée des chemins, car elles ne peuvent plus se focaliser uniquement sur les mesures RF/hyperfréquences quand elles évaluent un prototype. Les systèmes qu'elles conçoivent sont de plus en plus numériques, faisant souvent appel à des FPGA (réseaux de portes programmables par l'utilisateur), des DSP (processeurs de traitement numérique du signal) ainsi que des composants radiofréquences (RF) pour offrir la flexibilité requise pour commuter entre différentes formes d'onde et configurations. Un concepteur ou une équipe de conception bande de base est indispensable pour traiter cette section numérique qui doit être simulée et mesurée par des outils autres que ceux qui sont habituellement utilisés par les concepteurs RF pour déboguer, valider et caractériser les signaux de fréquence intermédiaire (FI) et RF. Malheureusement, les méthodologies utilisées pour la conception et le test par l'équipe bande de base chargée de concevoir le processeur du signal radar et celles, différentes, qui sont utilisées par l'équipe RF chargée de concevoir les stimulateurs et les récepteurs RF sont souvent à l origine d une foule de problèmes d'intégration système et de défis de test. Cette note d'application propose une approche différente de la conception et du test des systèmes radar complexes d'aujourd'hui reposant sur une plate-forme d'analyse commune pour rapprocher les concepteurs et équipes de conception bande de base et RF. Elle s appuie sur le logiciel Agilent Vector Signal Analysis (VSA) combiné à un analyseur logique Agilent et à un oscilloscope numérique Infiniium. Le logiciel Agilent SystemVue est également utilisé. Ce cadre de mesure commun facilite considérablement le rapprochement des équipes bande de base et RF travaillant à la création d'un système radar opérationnel.

2 Défis d'intégration au niveau système Le schéma fonctionnel conceptuel d'un système radar complexe est illustré Figure 1. Le sous-système bande de base numérique, ou processeur numérique radar, peut être implémenté avec plusieurs FPGA et DSP, et suivi d'un convertisseur numérique-analogique (CNA), lequel produit un signal FI analogique converti ensuite en RF pour la partie émetteur. Traditionnellement, on utilisait un outil comme un analyseur de spectre pour évaluer les signaux FI et RF des systèmes radar. Le concepteur ou l'équipe de conception bande de base doit donc résoudre les éventuels problèmes avec l'équipe de conception RF. Etant donné que les équipes de conception bande de base et RF utilisent des méthodologies de conception et de test différentes, les conceptions à signaux mixtes comme les sous-systèmes d'émetteur radar peuvent poser des défis importants à l'ingénieur ou à l'architecte système. Forme d onde Générateur Radar Numérique Processeur Oscillateur cohérent Oscillateur stable FI Processeur Détecteur Amplificateur faible bruit Rx Protection Figure 1. Le processeur numérique radar peut se composer de FPGA et de DSP et il peut être reconfigurable pour différentes fonctions. Ces défis sont largement liés à l'intégration des sous-systèmes à signaux mixtes, au niveau du système. Lorsqu un problème est détecté à ce stade tardif, il peut être extrêmement difficile et fastidieux d'en déterminer l'origine. Les dégradations du signal, par exemple, peuvent être une accumulation de dégradations de signaux mixtes intervenant dans l'implémentation du FPGA, dans le convertisseur N/A, dans le convertisseur élévateur de fréquence FI/RF ou encore dans l'amplificateur de puissance. Il peut être difficile par conséquent d en établir la cause, sachant que l'ingénieur système est aussi confronté aux méthodologies disparates de conception et de test utilisées par les équipes de conception bande de base et RF. Ce problème met donc en lumière la nécessité grandissante d avoir une approche de mesure commune pour évaluer les matériels numériques, analogiques, FI et RF. 2

3 Une approche commune de la mesure Dans la conception de radars complexes, une plate-forme de mesure commune offre une solution viable à ce dilemme. Le logiciel d analyse de signaux vectoriels 89600B VSA d Agilent Technologies est un exemple de ce type de plate-forme. Cette solution d'analyse évoluée affiche simultanément une vue de pratiquement chacun des aspects d un signal de radiocommunications complexe. Ces informations sont essentielles pour donner aux ingénieurs la visibilité nécessaire pour identifier l origine des problèmes de signaux. Le logiciel VSA s exécute sur un PC ou sur des instruments sous PC et il mesure plus de 70 normes de signaux et types de modulation couvrant une large gamme d'applications (par ex. communications mobiles, connectivité sans fil, communications militaires, communications satellitaires, radar, etc.). Ses outils évolués de dépannage quantifient les performances spectrales par des mesures FFT à haute résolution, ils analysent la qualité du signal dans le domaine temporel et caractérisent la modulation complexe, jusqu'au niveau des bits bruts. Le VSA s utilise facilement avec les analyseurs de spectre, analyseurs de signaux, oscilloscopes, analyseurs logiques, systèmes d'instruments modulaires et logiciels de simulation : une flexibilité qui permet aux ingénieurs d évaluer les signaux en tout point du schéma fonctionnel, y compris les signaux bande de base analogiques et numériques, FI, RF et hyperfréquences. Pour une conception radar complexe nécessitant plusieurs outils de simulation et de mesure de la partie numérique d'une conception, le logiciel VSA s utilise conjointement avec le logiciel SystemVue, avec un analyseur logique Agilent et avec un oscilloscope numérique Infiniium (Figure 2). La conception radar est créée et simulée sur SystemVue, un environnement de simulation et de modélisation ouvert. Les mesures VSA du matériel FPGA ou le long de la chaîne de stimulation/réception RF (IQ, FI et RF) sont réalisées par l'analyseur logique (FPGA) ou l'oscilloscope numérique (IQ, FI et RF). Les ingénieurs et les architectes système peuvent ainsi déboguer des problèmes tout au long de la chaîne de signaux mixtes du système radar, s assurant ainsi de la conformité du radar aux exigences du niveau système. SIMULE MATERIEL REEL MESURE, ANALYSE Algorithmes C++, m HDL manuel IP sur mesure Conception système Architecture RF Conception bande de base Référence PHY Génération HDL neutre pour la cible Générateur de signaux/ séquences Synthèse FPGA.bit Fichiers RF Frontal Cible FPGA Logiciel VSA Oscilloscope Infiniium Analyseur logique Figure 2. Le processus et les outils représentés ici peuvent être utilisés pour une conception répondant à un modèle multi-domaines (par ex. RF, communications et C++/HDL) de système radar complexe. Ce processus débouche sur une implémentation FPGA dans un matériel réel, où les mesures peuvent être obtenues via un analyseur logique associé à un oscilloscope Infiniium. 3

4 L'analyseur logique fonctionne avec les outils de conception FPGA pour acquérir automatiquement les signaux numériques internes de la conception, aux stades de la bande de base. Le logiciel VSA peut traiter les données numériques acquises en vue d une analyse poussée. Lorsque les signaux numériques sont convertis en IQ ou FI analogique avec un ou des convertisseur(s) N/A, l'oscilloscope Infiniium capture et analyse de nouveau les formes d'onde, avec le logiciel VSA. Sur l'oscilloscope, le logiciel VSA permet aux concepteurs d'évaluer les caractéristiques de la forme d'onde dans les domaines IQ/FI/RF analogiques. L'utilisation du logiciel VSA comme plate-forme d'analyse commune présente un certain nombre d'avantages significatifs, en particulier parce qu il comble le fossé entre les sous-systèmes numériques et RF en permettant aux équipes de conception bande de base et RF de collaborer plus étroitement à partir du même ensemble d'outils, le résultat étant un débogage et une validation plus rapides et simples à réaliser. En utilisant le logiciel VSA à la fois sur l'analyseur logique et sur l'oscilloscope numérique, par exemple, les concepteurs peuvent sonder la chaîne de signaux mixtes pour isoler les problèmes et déterminer où se produisent les dégradations des signaux. Par conséquent, le fait d'avoir un moteur d'analyse identique dans les domaines numérique et analogique/rf fournit aux concepteurs un puissant outil d'analyse multi-domaines qui leur donne une meilleure visibilité dans les performances signaux mixtes de leur système radar, que ce soit en bande de base numérique, IQ/FI/RF analogique, ou les deux. Cette visibilité accrue contribue à réduire de façon significative les défis associés à l'intégration système. 4

5 Utilisation de SystemVue pour créer et simuler une conception radar Pour mieux comprendre comment le VSA peut servir de plate-forme de mesure commune dans la conception radar complexe, considérez une conception bande de base à point fixe pour générer un signal radar à fluctuations de fréquence (radar «chirp») de type modulation de fréquence linéaire (LFM) (Figure 1). Ce radar utilise un type de compression d'impulsion dans lequel la modulation de fréquence est linéaire sur la largeur de l'impulsion. La compression d'impulsion est souvent appliquée dans les systèmes radar afin d étendre la gamme et d accroître la résolution. Essentiellement, l'impulsion est modulée en fréquence, ce qui a pour résultat que chacune des parties de l'impulsion a sa propre fréquence unique. Par conséquent, les échos d'une cible qui présenteraient normalement des signaux en retour se chevauchant dans le domaine fréquentiel sont maintenant plus facilement et plus complètement séparés grâce aux composantes de fréquence uniques qui sont disponibles. Dans cet exemple, la forme d'onde radar chirp LFM est implémentée avec des modèles à point fixe qui génèrent du code HDL pour une implémentation FPGA (Figure 3). Le logiciel SystemVue sert à créer et implémenter la conception de radar chirp grâce au processus illustré Figure 2. I I(t) * CosWc(t) Filtre BB Fo/4 LO 0 degré I(t) * CosWc(t) - Q(t)SinWc(t) 90 degrés Q Q(t) * SinWc(t) Filtre BB FI numérique/fpga Données WiMAX I Suréchantillonnage 4X FIR RRC I(t) * CosWc(t) I(t) * CosWc(t) O(t)SinWc(t) Porteuse Fs/4 Données WiMAX Q Q(t) * SinWc(t) Préliminaire Suréchantillonnage 4X FIR RRC Figure 3. On voit ici la section bande de base du radar chirp avec les sections IQ numérique et FI numérique. Le simulateur SystemVue est utilisé pour modéliser une conception de modulateur IQ à point fixe composé des données I et Q LFM radar stockées dans une table de consultation. Les formes d'onde I et Q seront alors suréchantillonnées d'un facteur quatre, filtrées en racine carrée du cosinus surélevé et multiplexées numériquement sur une porteuse FI numérique centrée à Fs/4. Ensuite, le signal FI numérique est converti en un signal FI analogique par un convertisseur numérique-analogique. Le logiciel VSA est utilisé en simulation pour évaluer la conception à point fixe au stade de la conception. Il sert également lors d une phase ultérieure pour tester le FPGA avec l'analyseur logique. Le code HDL (langage de description du matériel) est généré à partir de modèles à point fixe dans SystemVue. Il sert à implémenter la conception avec un FPGA, dans ce cas précis, une carte de développement FPGA Xilinx Virtex 4. Le matériel obtenu sera mesuré à l'aide d'un analyseur logique et d'un oscilloscope, le logiciel VSA étant installé sur les deux instruments. 5

6 Accès aux signaux numériques Une fois que la conception de radar chirp a été créée et simulée, l'étape suivante consiste à insérer les points de test pour pouvoir accéder aux signaux numériques. Cela peut se faire à l'aide du montage illustré Figure 4. Dans cette configuration, la carte de développement FPGA est sondée à l'aide d'un analyseur logique Agilent équipé de sa sonde dynamique FPGA. Celle-ci permet aux concepteurs de sélectionner différentes banques de signaux FPGA internes pour évaluer leur conception avec le logiciel VSA, en différents points de sondage dans l'implémentation. Notez que lorsqu'il est exécuté sur l'analyseur logique, le logiciel VSA sert à évaluer les caractéristiques de modulation du signal radar numérique. Sur un oscilloscope Infiniium, il mesure le signal FI analogique converti du signal FI numérique par le convertisseur N/A en sortie du FPGA. L'ingénieur système peut ainsi évaluer les caractéristiques du signal radar dans le domaine numérique (via l'analyseur logique) ou dans le domaine IQ/FI/RF analogique (via l'oscilloscope ou un analyseur de signaux RF). Figure 4. Grâce à ce montage, l'analyseur logique, à gauche, sonde les points FPGA internes, tandis que l'oscilloscope Infiniium, à droite, sonde le signal FI analogique de la sortie N/A. Les deux instruments exécutent le logiciel VSA. 6

7 Avec le montage de test de la Figure 4, les signaux sont sondés aux différents stades de l'implémentation du FPGA, par exemple lorsque les données des signaux I/Q filtrés ou des signaux FI numériques sont capturées. Les signaux sont captés par le cœur de mesure d'un multiplexeur de commutation (MUX) situé à l'intérieur de la carte de développement FPGA Virtex 4. Les points de sondage sont définis à l'aide de l'application ChipScope Pro Core Inserter de Xilinx (Figure 5). Cette application permet aux concepteurs de définir le type de cœur de mesure (état ou temporel), le nombre de banques de signaux, le nombre de broches qui seront utilisées pour les signaux de débogage et les broches précises des E/S du FPGA pour la sortie des signaux de débogage. Figure 5. L'interface de définition du cœur de mesure Xilinx ChipScope Pro permet aux concepteurs de définir les points de sondage. Les réseaux FPGA sont sondés au niveau du signal I et Q soumis à une conversion-élévation et à un filtrage ainsi qu'au niveau de la sortie FI numérique qui attaque l'entrée du convertisseur N/A. La sonde dynamique FPGA de l'analyseur logique délivre ensuite aux ingénieurs, avec le cœur de mesure du FPGA, des mesures significatives. C est elle qui permet aux concepteurs de choisir une autre banque de mesure, dans ce cas précis, le signal FI numérique, juste avant l'anneau E/S du FPGA. Le signal sort des E/S du FPGA et il est acheminé vers l'entrée du convertisseur N/A sur la carte PC. 7

8 Le suivi des signaux d'intérêt fait intervenir l'outil d'interface de conception FPGA Xilinx Plan Ahead. Supposons que le concepteur souhaite sonder le signal FI numérique à l'intérieur de l'anneau E/S du FPGA, avant qu il n attaque le convertisseur N/A. La Figure 6 donne une vue graphique de l'implémentation du FPGA dans Plan Ahead, avec les signaux de sortie de la conception définis. Un double clic sur l'un des signaux provenant du bus DAC1_D_OBuf ouvre une fenêtre du bloc fonctionnel, montrant les réseaux FPGA associés à ce bus. Un autre double clic sur l'un de ces réseaux permet à l'outil de remonter le signal jusqu à l'étape précédente. Ce processus, répété, permet de suivre les signaux jusqu'à un point d'intérêt spécifique pour le sondage. Figure 6. Cette vue schématique montre les signaux d'entrée CNA du FPGA dans l'outil Xilinx Plan Ahead. 8

9 Dans ce cas précis, les réseaux d'intérêt FPGA sont choisis à partir de l application ChipScope Pro Core Inserter. Il suffit ensuite au concepteur de chercher le nom des réseaux d'intérêt et d affecter ces réseaux aux banques de signaux. Les signaux FI numériques ont ainsi été trouvés en recherchant dans la hiérarchie de la fenêtre «Structure/Nets», ils ont été mis en évidence, puis associés à une banque de signaux spécifiques par une pression sur le bouton «Make Connections». La même opération a été réalisée pour les signaux numériques I et Q pour une deuxième banque de signaux. Figure 7. Dans ce menu, l application ChipScope Pro Core Inserter affecte des entrées CNA à la Banque de signaux 1. 9

10 Obtenir une visibilité dans la conception Après avoir inséré les points de test, les concepteurs peuvent obtenir une visibilité dans la conception en procédant à des mesures sur l'analyseur logique, un processus fortement simplifié par la sonde FPGA de l'analyseur. L'analyse est réalisée à l'aide du logiciel VSA 89601B. Le fichier de programmation.bit pour la conception FPGA est téléchargé directement dans le FPGA depuis l'interface de l'analyseur logique, via une connexion JTAG (Figure 8). Le concepteur importe ensuite les noms des signaux de bus depuis le fichier.cdc créé par l'application ChipScope Pro Core Inserter au moment où les points de sondage ont été choisis. Ensuite, intervient la cartographie automatique des broches. Grâce à ce processus, les signaux de débogage des broches de sortie du FPGA sont découverts et mis automatiquement en correspondance avec les voies d'entrée de l'analyseur logique. Figure 8. Processus de configuration du FPGA avec une conception instrumentée 10

11 A ce stade, une trace peut être obtenue sur l'analyseur logique. Pour ce faire, il faut qu il soit configuré de façon à ce que la bonne entrée d'horloge soit définie et les niveaux de seuil réglés en fonction des niveaux de tension de sortie du FPGA. Le mode d'acquisition de l'analyseur logique est aussi réglé en fonction de la sortie du signal de débogage du FPGA. Le multiplexage temporel permet au concepteur d'obtenir deux réseaux simultanément en temps réel, pour chaque broche FPGA. Lorsque le montage est terminé, il lui suffit de choisir la banque de signaux à examiner (Figure 9). La Figure 10 montre la capture par l'analyseur logique du signal numérique de l'entrée CNA, ou trace. Figure 9. Ce menu sert à sélectionner la banque des signaux d'entrée du CNA. Figure 10. Cette trace provient de la capture par l'analyseur logique des signaux FI numériques, avant leur passage dans l'anneau E/S du FPGA. 11

12 Le signal FI numérique capturé par l'analyseur logique peut maintenant être importé dans le logiciel VSA pour y être analysé (Figure 11). Ce processus est simplifié grâce à différents paramètres de la boîte de dialogue Input Property du VSA (par ex. fréquence d'échantillonnage et fréquence centrale). Figure 11. Dans cette copie d'écran du VSA, le spectre radar est représenté en haut à gauche, l'amplitude log de l'impulsion radar en bas à gauche, les fluctuations de fréquence sur la largeur de l'impulsion en haut à droite et la composante réelle ou dans la phase (I) du signal est illustrée en bas à droite. Au final, le signal FI numérique sur lequel travaille l'équipe bande de base peut être comparé au signal analogique sur lequel travaille l'équipe analogique/rf. Mais tout d'abord, il faut mesurer le signal FI analogique. Pour ce faire, on mesure le signal de sortie CNA à l'aide de l'oscilloscope numérique temps réel Infiniium (Figure 12). Ce signal analogique peut aussi être analysé par le logiciel VSA. Figure 12. Le signal radar chirp produit en sortie du convertisseur N/A peut être capturé à l'aide d'un oscilloscope numérique temps réel. L'oscilloscope est relié par un câble coaxial à un connecteur de la plate-forme. Ce signal analogique est analysé à l'aide du logiciel VSA. 12

13 Comme on le voit Figure 13, le logiciel VSA présente des informations utiles à propos de ce signal FI. Notez que lorsque le système fonctionne correctement, un ensemble de données très similaires apparaît sur chacun des écrans VSA correspondant au signal FI numérique et FI analogique. Cet affichage cohérent dans les domaines numériques, FI et RF, permet aux concepteurs de sonder le signal en différents points de l'implémentation FPGA ou en tout point du trajet du signal IQ/FI/RF analogique. Cette analyse en parallèle peut s avérer très utile s il apparaît une dégradation indésirable sur le trajet du signal, le concepteur pouvant alors reconstituer le cheminement du signal sur le trajet et identifier l'origine du problème. Figure 13. Le signal FI analogique provenant de la sortie du CNA est analysé par l'oscilloscope et par le logiciel VSA. 13

14 Traiter les problèmes Lorsque le signal FI numérique d'un écran VSA ne correspond pas au signal analogique d'un autre écran VSA, le concepteur peut recourir à des points de sondage numérique placés le long du trajet du signal bande de base afin de faciliter le travail de débogage et de validation. L'outil de sondage FPGA de l'analyseur logique joue ici un rôle essentiel. Grâce à cette application, le concepteur peut passer à un autre point de test, à savoir l'autre banque de signaux pour les données I et Q numériques filtrées. Le cœur de mesure MUX utilise la structure de routage du FPGA pour «toucher» ces réseaux, les faisant apparaître afin que l'analyseur logique puisse les capturer. La sonde dynamique FPGA configure ensuite automatiquement de nouveaux noms de bus sur l'analyseur logique et affiche les nouveaux bus de signaux et/ou signaux (Figure 14). Figure 14. Voici la vue classique du domaine temporel des signaux de modulation vectoriels I et Q pour un signal radar chirp, tels qu'ils sont capturés sur l'analyseur logique et affichés en mode «graphique». Le point important à noter ici est que le logiciel VSA permet aux concepteurs d accéder aux signaux numériques, IQ, FI et RF. Ils peuvent donc les mesurer et les afficher de façon cohérente. En cas d incohérence, une application de sondage telle que celles disponibles sur l'analyseur logique de Agilent permettent d isoler les problèmes et d identifier leur origine. Conclusion Les défis liés à l'intégration de signaux mixtes dans les systèmes radar complexes d'aujourd'hui obligent à rechercher une nouvelle approche du test au niveau système, une approche qui fasse appel à une plate-forme de mesure commune comblant le fossé qui sépare les équipes de conception bande de base et RF et leurs méthodologies respectives de conception et de test. Le logiciel Agilent 89601B VSA est la solution idéale pour résoudre ce dilemme, car il opère sans difficulté sur les oscilloscopes, analyseurs logiques et logiciels de simulation, entre autres. En associant le logiciel VSA à ces autres solutions, les équipes bande de base et analogique/rf sont maintenant en mesure de mieux coopérer pour identifier l'origine des problèmes apparaissant dans leurs conceptions. L existence d un moteur d'analyse identique tel que le VSA a essentiellement pour effet de normaliser les informations acquises dans chaque domaine et de permettre à des équipes différentes de trouver un point de connexion commun pour l'analyse. Les ingénieurs peuvent alors évaluer des signaux provenant de n'importe quel point du schéma fonctionnel, y compris des signaux analogiques, bande de base numériques et FI, RF et hyperfréquences. Cette solution leur permet de bénéficier d une visibilité accrue dans leurs conceptions radar complexes et de limiter les risques en matière d intégration système. 14

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