Les points clés pour comprendre le test RF et MIMO

Les points clés pour comprendre le test RF et MIMO Richard KEROMEN Ingénieur produits Test automatique et RF

Sommaire Qu est-ce que la RF? Les composants d un système RF Les instruments de mesures RF et leur mise en œuvre Les standard RF et le logiciel Le test MIMO Conclusion

Sommaire Qu est-ce que la RF? Les composants d un système RF Les instruments de mesures RF et leur mise en œuvre Les standard RF et le logiciel Le test MIMO Conclusion

Que sont les RF et les micro-ondes? FM (100 MHz) ISM (433 MHz) GSM (850 MHZ) ISM (900 MHZ) 3G (1.9 GHZ) WiMAX (2.3 GHZ) Wifi (2.4 GHZ) WiMAX (3.5 GHZ) Freq Un jour, quelqu un a décidé que les "RF" commenceraient à 1 MHz Les fréquences > 1 GHz sont considérées "Micro-ondes" Les signaux RF / Micro-ondes sont parfait pour les communications

Où trouve-t-on des RF? Classification Exemple Gamme de fréquence Les produits de consommation 1ère bande «Industrial- Scientific-Medical» (ISM) Jouets RC, tags RFID Radio FRS (talkie-walkie) 0 50 MHz 470 MHz Communications mobiles Téléphones cellulaires 1800-1900 MHz 3ème bande ISM 802.11b, oreillettes pour téléphone Militaire/défense RADAR 22 GHz 2400 2500 MHz

Le spectre des applications

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L émetteur/récepteur sans fil DSP / processeur en bande de base Chaîne d émission Chaîne de réception L émetteur utilise souvent l élévation en fréquence directe La chaîne de réception utilise souvent de l abaissement IF (hétérodyne) Les téléphones cellulaires disposent souvent de plusieurs émetteurs/récepteurs

Le défi : construire un récepteur RF Puissance 20 V +30 dbm 632 mv 20 mv 632 μv 0 dbm -30 dbm ADC 14 bit -60 dbm 80 db SFDR DSP / Processeur en bande de base Chaîne Chaine d émission Chaîne Chaine de réception 5 MHz 20 μv -90 dbm -90 dbm 632 nv -120 dbm 60 db 620 nv -150 dbm 50 MHz 1 GHz Fréquence

Les blocs clés de construction Symbole Nom Type Fonction Amplificateur (2 ports) PA LNA Amplifie le signal avant émission (haute puissance) Amplifie un signal faible (ajoute très peu de bruit) LO Mélangeur (3 ports) Upconverter Downconverter Translate les basses fréquence en fréquence élevées Translate les hautes-fréquences en basse fréquences Oscillateur (1 port) VCO Quartz crystal Génère une fréquence en fonction d une tension en entrée Génère une fréquence stable (1 seule) Filtre (2 ports) Passif Actif Numérique Filtre le signal d intérêt

Le mélangeur F1 F1-2 + F1+2 2 entrées 1 sortie Mathématiquement, une simple multiplication La sortie contient les fréquences additionnées et soustraites i.e. F1 x F2 = F1-2 + F1+2 (la puissance divisée par deux) Les harmoniques sont eux aussi mélangés!!! Entrée du mélangeur F1-2 F2 F1 F1+2 F2 25 MHz 975 MHz 1 GHz 1.975 GHz Fréquence

Le synthétiseur (LO) Génère un sinus des khz aux GHz Voltage Controlled Oscillator (VCO) Yttrium Iron Garnet (YIG) contrôlé en courant Un jitter dans le domaine temporel introduit du bruit de phase dans le domaine fréquentiel -95 dbc 10 khz 975 MHz Fréquence

Le filtre Planéité passe-bande Trois types principaux : passe-haut, passe-bas, passe-bande Typiquement passe-bas et passe-bande La planéité (Flatness) est une caractéristique très importante F1-2 Tout ce qui est en dehors de la bande est filtré 25 MHz 1,975 GHz Fréquence

PXIe-5663 et la cohérence de phase Une architecture à simple étage est idéale pour la cohérence de phase Il est possible de chaîner 4 voies ou plus Chaque voie peut être enregistrée sur disque Le jitter voie à voie est inférieur à 0,05 PXI-5652 Rx0 PXIe-5601 PXIe-5622 ADC Rx1 PXIe-5601 PXIe-5622 ADC

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Les types d instruments RF wattmètres Analyseurs de signaux Générateurs de signaux Analyseurs de réseaux Analyseurs de signaux vectoriels Analyseurs de spectre Générateurs de signaux vectoriels Générateurs de signaux Analyseurs de réseaux vectoriels Analyseurs de réseaux scalaires Wattmètres Testeurs spécialisés Analyseurs de protocoles Testeurs BER SA SG NA PM

Wattmètre RMS Mesure de puissance RMS sur des signaux CW Mesure précise des paramètres de pertes d insertion Capteur interne ou externe Le capteur détermine la bande passante Précision de 0.1dB @ <40 dbm ~10k Hz jusqu à ~40GHz C est le DMM du monde RF

Wattmètre USB : NI 5680 et NI 5681 Caractéristiques : Architecture combinée tête + capteur Petite taille Gamme de fréquences : 50 MHz à 18 GHz Gamme de puissance : 40 dbm à +23 dbm Linéarité : 2,5 % Précision: ±0,13 db à <18 dbm USB Compatibilité logicielle avec : LabVIEW LabWindows/CVI.NET

Analyseurs de signaux vectoriels (VSA) Amplitude, phase et fréquence Basé sur des FFT numériques Filtre large bande Scan intra-bande rapide Scan large bande plus lent qu avec un analyseur de spectre Bande passante de 20 M, 40 M, 90MHz Fréquence jusqu à 300 GHz

Applications des VSA Surveillance spectrale / Surveillance / Streaming Test radio : celulaire, WiMAX,WLAN, LTE, GPS etc

Les avantages des mesures de VSA - Capables de capturer des transitions - Mesures vectorielles (amplitude et phase) - Mesures plus sophistiquées sur les formes d ondes complexes (EVM) - Jusqu à 1000 fois plus rapide pour les balayages sur des bandes étroites

Abaissement en fréquence simple étage vs. multi-étage Abaissement en fréquence simple étage Abaissement en fréquence multi-étage ADC 1 étage = 1 mélangeur (PXIe-5663) 3 étages = 3 mélangeurs (PXI-5661) Le signal que vous voulez Ce que vous ne voulez pas Le signal que vous voulez Ce que vous ne voulez pas

Générateurs de signaux véctoriels (VSG) Amplitude, phase et fréquence Jusqu à 67 GHz Deux architectures de base élévation directe basé IF (hétérodyne)

Elévation hétérodyne AWG à une seule voie Fréquence intermédiaire (IF) LO Benchtop VSG Signal RF Oscillateur local (LO) Elévation hétérodyne Signal IF Signal RF Fréquence

Analyseur de réseau vectoriel (VNA) Instrument dédié aux mesures RF très précises Mesures relatives (paramètres S) Pour la caractérisation de composants RF Génère un stimulus vers l UUT et mesure la réponse de l UUT Peut être scalaire ou vectoriel Scalaire Amplitude Vectoriel Amplitude/phase/impédance

Comment fonctionne un VNA? Lumière incidente L analogie à la lumière Lumière réfléchie Lumière transmise Lentille (analogue à l UUT RF)

Instruments et mesures RF Complexité de la mesure Testeurs spécifiques BER Full Call Sequence Analyseurs de signaux IMD TOI 1 db Comp. EVM ACP S-parameters VSWR Impedance Group Delay Analyseurs de réseau Abs. Power Gain Wattmètres Niveau d intégration

Quel instrument? Mesure VNA VSA/SA Wattmètre Précision d amplitude absolue Précision d amplitude relative Précision de la fréquence Caractéristiques non linéaires Caractéristiques linéaires Gamme dynamique Mesures spéciales Phase, impédance, adaptation Prix

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Des normes en évolution cdma2000 UMTS 802.22 802.11 IS95 802.11a 802.11b WiMAX 802.16e ZigBee HSDPA AMPS IS54 IS136 GSM 802.11h 802.15.1 GPRS 802.11j WiMAX 802.16-2004 802.11i 802.11g EDGE TD-SCDMA 802.11n HSPA UWB 802.20 LTE 802.11d 802.11f 802.11e 802.11k 802.11u 802.11j RFID 1990 1995 2000 2005 2010

L instrumentation définie par logiciel et ses avantages Testeur GSM Testeur WLAN Solution PXI tout-en-un Analyseur de spectre Testeur radio Wattmètre UUT Multi protocoles Testeur RFID Images Agilent, Tektronix, R&S, Anritsu

La plate-forme RF de NI Gestion de test client S/W Personnalisable par logiciel GSM / WCDMA WLAN WiMAX GPS RFID Toolkits de communication Analyse de spectre - Modulation Stabilité à long terme Driver (NI-RFSA, NI-RFSG) Matériel PXI/PXIe

Vue détaillée d un système de test PXI RF Fond de panier PCIe (Châssis PXIe-1075) Résultats de la mesure Interface PCIe Interface PCIe Interface PCIe Toolkit RF NI (WLAN, GPS, WiMAX) Carte mère Mémoire embarquée Mémoire embarquée Données IQ Données IQ OS DDC DUC RFSA RFSG CPU C A/N C N/A HD Interface PCIe Mémoire hôte Frontal RF Frontal RF PXIe-8130 Contrôleur Dual Core Analyseur vectoriel RF PXIe-5663 Générateur vectoriel RF PXIe-5673

LO Module Downconverter Digitizer NI Flex RIO Le Peer-to-Peer Données Données Contrôleur PXI VSA Code LabVIEW FPGA Démodulation (FM, QAM, PSK, Filtre FIR FSK, etc.) FFT Code VHDL personnalisé

Matériels RF de NI Matériels RF Analyseurs de signaux vectoriels 2,7 GHz Générateurs de signaux vectoriels 2,7 GHz Analyseurs de signaux vectoriels 3,6 GHz Analyseurs de signaux vectoriels 6,6 GHz Générateurs de signaux vectoriels 6,6 GHz Générateurs d ondes continues 6,6 GHz Préamplificateur 3,0 GHz, 30 db Atténuateur 8 GHz programmable Wattmètre en valeur efficace vraie 18 GHz Multiplexeur, jusqu à 26,5 GHz Matériels IF/en bande de base AWG double voie, 400 Méch./s, 16 bits Numériseur haute vitesse, 150 Méch./s, 16 bits E/S numériques haute vitesse 32 voies, 400 Mo/s Logiciels pour RF et communication Toolkit NI Spectral Measurements Toolkit Modulation Toolkit GPS Toolkit WLAN Toolkit WiMAX Toolkit LTE Toolkit GSM/EDGE/WCDMA

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L évolution des communications sans fil Comment augmenter les taux de transfert? Basse fréquence Modulations simples Hautes fréquences Compression MIMO

L architecture d un VSA traditionnel Les VSA traditionnels ont deux entrées : RF et l horloge de référence à 10 MHz RF ADC LO_1 LO_2 LO_3 Clk10 PXI-5661 Agilent MXA

PXIe-5663 et la cohérence de phase Une architecture à simple étage est idéale pour la cohérence de phase Il est possible de chaîner 4 voies ou plus Chaque voie peut être enregistrée sur disque Le jitter voie à voie est inférieur à 0,05 PXI-5652 Rx0 PXIe-5601 PXIe-5622 ADC Rx1 PXIe-5601 PXIe-5622 ADC

Ce qu il faut retenir Les systèmes de test MIMO sont difficiles à bâtir de nombreux défis liés à la synchronisation peu de solutions sur le marché National Instruments dispose de la meilleure solution : pour la synchronisation pour ce qui est de la gestion de la puissance pour la réduction des coûts Les outils NI intègrent : du matériel à cohérence de phase du code LabVIEW pour synchroniser les instruments des exemples d enregistrement et de relecture exemples d acquisition simples la possibilité d implémenter des algorithmes complexes

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Initiatives stratégiques de test RF de NI Le PXI et le PXIe offrent une vitesse de mesure inégalée Les bus de données disponibles permettent des mesures extrêmement rapides L approche modulaire réduit les coûts et simplifie la conception de systèmes Les processeurs multicœurs accroissent les performances et réduisent les temps de test Architectures de plate-forme intégrant la technologie FPGA Optimalité en termes de performances et de contrôle de synchronisation En toute simplicité avec NI! Architectures logicielles souples et ouvertes Augmentez aisément les capacités de test RF Accélérez le temps de test API stable Indispensable pour les systèmes de test complexes actuels Solution la plus économique aujourd hui et pour l avenir : un investissement logiciel durable

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