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何为矢量信号收发仪(VST)?

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供稿:中国工控网 2016/5/23 16:28:54

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  • 关键词: 矢量信号收发仪 VST
  • 摘要:矢量信号收发仪(VST)是一类全新的仪器,它结合了矢量信号分析仪(VSA)、矢量信号发生器(VSG)与基于FPGA的实时信号处理和控制

  矢量信号收发仪(VST)是一类全新的仪器,它结合了矢量信号分析仪(VSA)、矢量信号发生器(VSG)与基于FPGA的实时信号处理和控制。NI的全球首台VST还拥有用户可编程FPGA,它允许自定义算法直接用于仪器的硬件设计。这种软件设计的方法让VST拥有了软件定义无线电(SDR)架构的灵活性以及射频仪器的高性能。图1(下图)展现了传统射频仪器和VST软件设计方法之间的差异。

  图1. VST软件设计方法与传统方法的对比。

  NI VST: 基于LabVIEW FPGA和NI RIO构架

  NI LabVIEW FPGA模块扩展了LabVIEW系统设计软件,以便在NI可重配置I / O(RIO)硬件上应用FPGA,NI VST便是其中之一。由于LabVIEW能够清楚地表现并行架构和数据流,非常适用于FPGA程序的编写,所以用户不论有没有传统FPGA设计的经验都能高效运用可重新配置硬件的功能。作为系统设计软件,LabVIEW能够混合处理FPGA和微处理器(在PC环境中)上的数据,因而用户无需拥有渊博的计算架构和数据处理知识即可实现 ,这点对于现代通信测试系统的装配尤其重要。

  NI VST软件基于强大的LabVIEW FPGA与NI RIO架构,并拥有众多针对客户应用的初始功能,包括应用IP、参考设计、范例和LabVIEW范例项目。这些初始功能包含了所有默认的LabVIEW FPGA特性和预构建的FPGA位文件,以帮助用户快速上手。若没有这些现成的功能,以及高效的LabVIEW、精心设计的应用/固件架构,VST软件设计的特性将会是各类用户不小的挑战,因此正是这些特性将前所未有的高水平定制带向了高端仪器。

  改进传统射频测试

  NI VST不仅具备快速的测量速度和小巧的生产测试仪器组成结构,同时还拥有研发级箱型仪器的灵活性和高性能。VST因此可以用来测试各种标准,如802.11ac,5.8 GHz下其误差矢量幅度(EVM)优于-45 dB(0.5%)。此外,传输、接收、基带I/ Q以及数字输入输出都拥有共同的用户可编程FPGA,使得VST远远优于传统的箱型仪器。

  数据压缩就是一个典型的例子,截取、信道化、平均以及其它自定义算法允许FPGA执行计算强度大的任务。通过减少必要的数据吞吐量和主机上的处理负载,可缩短测量时间且增加平均,给予用户更大的测量信心。其它基于FPGA、用户定义的算法的范例还包括自定制触发、FFT发动机、噪音校正、内联滤波、变时滞、功率级伺服等等。

  软件设计仪器,如VST,还可以缩小设计和测试之间的差异,让测试工程师可在设计完成之前集成或验证设计的各个方面,同时允许设计工程师使用仪器级硬件,将他们的算法原型化并在设计早期流程中评估设计。

  范例: 基于FPGA的DUT控制和测试序列

  除了射频接收器和发送器的基带I/Q数据,PXI VST还具有高速数字I / O,可直接连接到用户可编程的FPGA。这使用户能够执行自定制数字协议,控制待测设备(DUT),大幅减少测试次数。查看图2中的范例。 除此之外,测试序列可在FPGA上执行,允许DUT通过实时测试改变状态和序列。

图 2. VST灵活的数字I / O功能可以控制射频收发器的状态。

  范例: 功率放大器测试的功率级伺服

  功率放大器(PA)重要的一点是包含预期输出功率,甚至超出其线性工作模式。为了准确地校准PA,其采用了功率级的伺服反馈循环来确定最终的增益。 功率级伺服通过分析仪捕捉当前的电流输出功率,并控制发电机的功率级别,直至获得所需的功率,这是一个相当耗时的过程。 简单来说,它使用比例控制循环,在功率级别上来回摆动,直至输出功率级和所需的汇合。 VST适用于功率级伺服,因为进程可直接在用户可编程FPGA上实现,从而更快地达到所需的输出功率值(见图3)。

图3. 在PA测试中,功率级伺服上使用VST可更快地达到所需的输出功率值。

  其它射频应用

  VST不仅仅是快速灵活的矢量信号分析仪以及矢量信号发生器。 VST的射频接收器、射频发送器,以及用户可编程的FPGA使其能够超越传统的VSA/ VSG模式。 例如,VST可由用户完全重新构建,来执行其它复杂的射频应用处理,例如将新的射频协议原型化,实现软件定义的无线电,以及信道间的仿真。

  范例: MIMO射频信号的无线电通道仿真器

  近年来,多输入多输出(MIMO)射频技术进步显著,尤其是在移动电话和无线标准方面。除此之外,射频调制方法日趋复杂,射频带宽不断增加,射频频谱正变得越来越为拥挤。随着技术的进步,在静态的环境中测试无线设备相当重要,但了解这些设备在动态现实世界中的行为也同等重要。

  无线信道仿真器是一种可在真实世界中测试无线通信的工具。衰退模式可用来仿真空气的干扰、反射、移动的用户以及其它阻碍物理无线环境中的射频信号的自然现象。在FPGA上对这些数学衰退模式编程,VST可实现实时无线通道仿真器。下面的图4为LabVIEW环境下的两台VST实现2x2 MIMO无线通道仿真器。衰退模式的设置显示在屏幕的左侧和中心。通过频谱分析仪捕捉衰退模式发出的射频输出信号,并显示在右边。这些频谱图清楚显示了因衰退模式产生的频谱零点。

图4. 范例LabVIEW前面板上显示了使用两台VST实现MIMO信道仿真的效果。

  软件设计仪器的多种可能性

  VST的诞生引领了一类新的仪器,它们并非供应商提前设定好的仪器,而是经过软件设计,完全针对用户的自身需求进行应用。 随着射频DUT变得更加复杂,对于上市时间的要求越来越高,仪器的功能水平又掌握在了射频设计师和测试工程师的手中。 本文中的范例只不过是VST众多功能中极小的一部分。 想要知道“什么是矢量信号收发仪?”,您先必须回答:“你需要解决何种测量和控制问题?” 精确的射频发送器、射频接收器以及数字I / O可灵活连接至用户可编程的FPGA,VST因而能够从容应对各方面的挑战。

 


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