I vantaggi di LabVIEW FPGA e della strumentazione RF definita dal software.

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Il numero dei dispositivi wireless, la diversità negli standard di comunicazione e la complessità negli schemi di modulazione aumentano in modo esponenziale ogni anno. Ogni nuova generazione tecnologica fa crescere il costo dei test sui dispositivi di wireless che utilizzano tecniche tradizionali, dal momento che è necessario un numero maggiore di attrezzature complesse.

Un modo per ridurre al minimo i costi dell’hardware e la durata dei test è utilizzare strumenti (software) virtuali con I/O modulare; ma un nuovo approccio – la strumentazione definita dal software – offre a tecnici e ingegneri la possibilità di ridurre i tempi dei test RF, cosa non possibile precedentemente senza strumenti personalizzati o specifici.

Introduzione alla strumentazione definita da software
Per anni, gli ingegneri che sviluppano test hanno sfruttato i vantaggi dei pacchetti software come LabVIEW per personalizzare sistemi di misura RF e ridurre i costi rispetto agli strumenti tradizionali. Questo approccio non ha fornito soltanto flessibilità, ma ha permesso agli ingegneri dei test di trarre vantaggi dalle prestazioni offerte dai più recenti PC, CPU e tecnologie bus.

Per molte applicazioni di test RF complesse la CPU può essere, tuttavia, un collo di bottiglia; le CPU sono dotate, per natura, di parallelismo limitato e i tipici pacchetti software producono latenze che possono ridurre le prestazioni dei sistemi di test, se lo stimolo dei test deve essere regolato in modo dinamico in base ai valori delle misure o allo stato del dispositivo sotto test (DUT). Affinché le prestazioni del sistema di test RF siano ottimali, sarebbe opportuno che la strumentazione hardware personalizzata fosse combinata con la tecnologia CPU multicore; in questo modo i progettisti del sistema di test sono in grado di raggiungere un equilibrio tra la bassa latenza e l’alta produttività, riducendo notevolmente la durata dei test.

Mentre l’hardware della strumentazione commerciale ha sempre avuto funzioni fisse, National Instruments sta aprendo la strada a dispositivi di misura più aperti e flessibili, basati sulla tecnologia FPGA (field-programmable gate array). In breve, gli FPGA sono chip digitali ad alta densità personalizzabili dall’utente, che consentono agli ingegneri di test di poter incorporare direttamente i propri algoritmi per il controllo e l’elaborazione del segnale all’interno dell’hardware di misura. Il risultato è un hardware RF commerciale che integra il meglio di entrambi i mondi: una tecnologia di misura di alta qualità con funzioni fisse, misure affidabili e rintracciabili nei moderni fattori di forma – con una logica personalizzabile dall’utente, altamente parallela, che fornisce bassa latenza ed è legata direttamente ad un I/O per l’elaborazione inline e rigidi cicli di controllo.

Un esempio di questo hardware è il ricetrasmettitore di segnali vettoriale (VST) NI PXIe-5644R. Questo dispositivo combina le funzionalità di un generatore di segnali vettoriale con quelle di un analizzatore di segnali vettoriale. Contiene, inoltre, un FPGA programmabile dall’utente per il controllo e l’elaborazione real-time dei segnali. Con la flessibilità di un FPGA, il VST è ideale per le funzioni di triggering personalizzate, il controllo DUT, le misure parallele e l’elaborazione real-time di segnali digitali (DSP).

Estendere la propria conoscenza di LabVIEW alla personalizzazione dell’hardware con LabVIEW FPGA
Anche se gli FPGA sono disponibili sia per la progettazione di schede personalizzate che come parte di dispositivi commerciali, gli FPGA personalizzabili dall’utente non sono stati, fino ad oggi, mai ampiamente utilizzati nella strumentazione RF. Un motivo è soprattutto perché è necessaria una conoscenza specialistica per programmare questi dispositivi; i linguaggi di descrizione dell’hardware, o gli HDL, solitamente, richiedono una ripida curva di apprendimento e sono riservati agli esperti di progettazione digitale.

LabVIEW FPGA Module (Fig. 1) rende la tecnologia FPGA di ultima generazione accessibile ad un gran numero di ingegneri e scienziati. Con la programmazione grafica è possibile realizzare la logica che definisce il comportamento di uno strumento RF nell’hardware. Infatti, la natura grafica del flusso di dati di LabVIEW è ideale per implementare e visualizzare la tipologia di operazioni parallele che possono essere realizzate negli FPGA. Anche se programmare FPGA con LabVIEW è diverso e richiede conoscenze aggiuntive, la curva di apprendimento è molto più bassa rispetto a quella degli HDL.

Fig. 1 – Con il NI LabVIEW FPGA Module è possibile utilizzare il codice LabVIEW noto per personalizzare l’hardware della strumentazione. Per le applicazioni RF, si può partire da progetti di esempio creati in precedenza e aggiungere modifiche per le funzioni personalizzate di triggering, il controllo DUT, l’elaborazione del segnale e altro ancora

Diversi progetti di esempio LabVIEW FPGA sono disponibili come punto di partenza per le applicazioni RF e possono essere utilizzati con dispositivi come il NI PXIe-5644R VST. In particolare, è possibile personalizzare l’FPGA in base ad un paradigma sul movimento dei dati degli strumenti (con inizio e arresto personalizzati, trigger di riferimento presentati mediante un’interfaccia simile ad un analizzatore o generatore di segnali vettoriale) o ad un modello di streaming (ideale per l’elaborazione dei segnali inline o applicazioni di registrazione o riproduzione).

Confronto tra strumentazione definita dal software e approcci tradizionali
Sfruttare hardware basati su FPGA nei sistemi di misura RF può fornire un numero di vantaggi che vanno dal controllo del DUT a bassa latenza alla riduzione del carico della CPU. Le sezioni successive descrivono vari scenari di utilizzo in modo più dettagliato.

Migliorare la strumentazione del sistema di test con il controllo DUT interattivo
In molti sistemi di test RF, il dispositivo o il chip sotto controllo devono essere controllati mediante segnali digitali o protocolli personalizzati. I sistemi di test automatizzati tradizionali, grazie alle modalità DUT, hanno capacità sequenziali ed effettuano le misure necessarie ad ogni stadio. In alcuni casi, i sistemi di collaudo automatici (ATE) sono dotati di un’intelligenza che permette loro di procedere tra le impostazioni DUT in base ai valori delle misure ricevuti.

In entrambi i casi, gli strumenti definiti dal software che includono un FPGA possono tradursi in un risparmio di tempo e costi. Unendo l’elaborazione delle misure e il controllo digitale in un singolo strumento si riduce la necessità di un ulteriore I/O digitale all’interno del sistema e si evita di dover configurare le funzioni di triggering tra gli strumenti. Nei casi in cui il DUT debba essere controllato in risposta ai dati delle misure ricevute, la strumentazione definita dal software è in grado di chiudere il ciclo nell’hardware, riducendo la necessità di prendere decisioni nel software ad una latenza significativamente maggiore.

Ridurre i tempi dei test e aumentare la sicurezza con le misure nell’hardware
Anche se i sistemi di test odierni basati su software sono capaci di eseguire un numero limitato di misure in parallelo, la strumentazione definita dal software è limitata soltanto dalla logica FPGA disponibile. Deci
ne di misure o canali di dati possono essere elaborati con un parallelismo dell’hardware, senza dover scegliere tra misure di interesse. Calcoli come la Trasformata di Fourier veloce (FFT), il filtraggio e la modulazione/demodulazione possono essere realizzati in hardware, riducendo la quantità di dati da trasmettere e far elaborare dalla CPU. Con gli strumenti definiti dai software, le funzionalità, come il mascheramento spettrale in tempo reale, possono essere ottenute ad una velocità significativamente maggiore rispetto agli strumenti tradizionali.

Inoltre, la bassa latenza associata alle misure nell’hardware significa che, contemporaneamente, al posto di una singola misura, decine o centinaia di misure dal vivo possano essere effettuate e calcolate dal sistema di test standard (Fig. 2). Questo si traduce in test con risultati di qualità migliore e in una maggiore fiducia nelle proprie misure RF. Inoltre, dal momento che le misure possono essere effettuate di continuo nell’hardware e campionate periodicamente da un applicazione di test host, si può essere certi che mai nessun dato importante andrà perso.

Fig. 2 – Con le strumentazione definita dal software, è possibile acquisire continuamente dati ed eseguire misure (campionando risultati periodicamente), senza bloccare il processo di acquisizione per trasferire le informazioni

Ottenere velocemente condizioni di test ottimali con la retroazione a ciclo chiuso
Alcune classi di test RF richiedono che le impostazioni DUT, i parametri di produzione o quelli ambientali siano regolati in base alle misure ricevute; in tal caso è necessario un sistema a ciclo chiuso, spesso limitato dalla latenza del pacchetto software. In molti casi, il ciclo può essere chiuso direttamente nell’hardware, eliminando la necessità di calcolare i successivi setpoint mediante la CPU. In questo modo, i tempi dei test a ciclo chiuso si possono ridurre da dieci secondi a frazioni di secondo.

Concentrarsi sui dati di interesse con funzioni di triggering personalizzate
Le opzioni di comportamento per un trigger a bassa latenza, di solito, sono regolate in base all’hardware degli strumenti utilizzati. Tuttavia, con la strumentazione definita da software, è possibile incorporare funzioni di triggering personalizzate nel proprio dispositivo e concentrarsi rapidamente sulle situazioni di interesse. Con funzioni di triggering flessibili basate sull’hardware si intende che l’utente può realizzare maschere spettrali personalizzate o altre condizioni complesse come criteri sia per l’acquisizione di misure importanti che per l’attivazione di strumenti aggiuntivi. E, selezionando i dati di interesse nell’hardware, si libera la CPU per altre attività importanti.

Sfruttare il software per tutto il ciclo di progettazione
Anche se questo articolo si concentra soprattutto sui test RF, gli ingegneri stanno riutilizzando sempre più gli IP tra le fasi di progettazione e test (Fig. 3) ; ciò può ridurre notevolmente sia il tempo necessario per il lancio sul mercato che le spese complessive relative ai test. Con LabVIEW FPGA, gli algoritmi per l’elaborazione dei segnali digitali possono essere definiti e riutilizzati come parte del dispositivo o componenti di verifica – senza dover generare il codice di test a partire da zero. In questo modo, si garantisce uno sviluppo accelerato dei test (che fornisce la possibilità di effettuare test all’inizio del ciclo di progettazione) e una copertura dei test più completa.

Fig. 3 – L’IP può essere riutilizzato tra le fasi di progettazione e test, riducendo la durata dello sviluppo dei test e fornendo una copertura più completa

Futuri sviluppi grazie alla strumentazione definita dal software
Non c’è dubbio sul fatto che gli strumenti definiti dai produttori e la strumentazione commerciale con funzionalità fisse rimarranno disponibili negli anni a venire. I dispositivi RF, tuttavia, sempre più complessi e la pressione sui tempi di commercializzazione ha portato allo sviluppo di sistemi di strumentazione basati su software. La continuazione di queste tendenze significa che, in un futuro prossimo, gli strumenti definiti da software svolgeranno un ruolo sempre più importante nei test RF e nella strumentazione per i test in generale.

La strumentazione definita da software fornisce il massimo livello di flessibilità, prestazioni e sicurezza negli sviluppi futuri con hardware commerciali. Se i requisiti dei sistema cambiano, gli strumenti definiti dal software permettono non solo di preservare il software nei diversi pezzi dell’I/O modulare, ma anche di modificare l’esistente I/O in base alle esigenze del momento.

Charles Schroeder, director - Marketing for Test di National Instruments

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