Collaudare l’alta velocità

COLLAUDO RF –

Uno sguardo agli strumenti per la generazione di segnali arbitrari per la caratterizzazione dei livelli fisici del protocollo e la validazione dei ricevitori, oggi sempre più utilizzati nelle telecomunicazioni.

La crescente complessità dei protocolli di comunicazioni high-speed adottati oggi in ambito comunicazioni richiede l'adozione di nuovi strumenti per la generazione di segnali arbitrari per la caratterizzazione dei livelli fisici del protocollo e la validazione dei ricevitori per essi progettati. Di seguito è riportata una breve presentazione di alcune delle più interessanti soluzioni presenti oggi sul mercato per quanto riguarda Arbitrary Waveform Generator e Vector Signal Generator operanti in bande intorno a 1 GSa/s e oltre per applicazioni in ambito Rf (su frequenze di uscita fino a oltre 6 GHz).

Agilent
Il modello 81180A e l'M8190A sono i due generatori Awg di fascia alta disponibili presso Agilent. Il 81180A, in particolare, opera con frequenze di campionamento da 10 MSa/s a 4.6 Gsa/s e 12 bit di risoluzione verticale. Dispone di 2 canali operanti in modalità accoppiata (con relativo controllo di fase) o indipendente, con profondità di memoria di fino a 64 milioni di punti per canale. È inoltre possibile sincronizzare 2 strumenti, così da ottenere un sistema a 4 canali; lo skew tra diversi canali può essere controllato nell'intervallo da -3 ns a + 3 ns con una risoluzione di 10 ps. Il 81180A prevede 3 diverse configurazioni, selezionabili mediante software, per quanto concerne lo stadio di uscita. L'uscita in accoppiamento Ac, ad esempio, che presenta una larghezza di banda fino a 1,5 GHz è ideale per applicazioni Rf. In accoppiamento Dc diretto allo stadio Dac di uscita, invece, la larghezza di banda è fino a 1 GHz, supportando così modulazione I/Q a frequenza Rf di 2 GHz. In alternativa è possibile far lavorare lo strumento in accoppiamento Dc mediante amplificatore di uscita, con una banda fino a 600 MHz, in una configurazione ottimizzate per applicazioni di misura e test nel dominio del tempo. Una memoria flash interna consente di memorizzare in maniera non volatile forme d'onda digitali e impostazioni, così da ridurre i tempi di setup di prova. È previsto un ingresso di controllo a 8 bit per la selezione dinamica delle sequenze con la possibilità di gestire cicli, salti condizionali e controllati. Il sistema è controllabile da remoto mediante Lan, Usb e Gpib. Funzionalità simile ma con prestazioni più elevate sono disponibili anche nel generatore M8190A. Il sistema dispone anch'esso di 2 canali ma con profondità di memoria per ognuno di fino a 2 GSa. Copre le frequenze di campionamento da 125 Msa/s fino a 8 GSa/s, con risoluzione verticale di 14 bit ma può arrivare fino anche a 12 GSa/s a risoluzione più bassa (12 bit). Anche in questo caso sono selezionabili diverse configurazioni di uscita. In accoppiamento Ac diretto è disponibile uscita differenziale o single-ended con ampiezza compresa tra 350 mVpp e 700 mVpp e offset aggiustabile; il sistema in questo caso offre le migliori prestazioni per quanto concerne Sfdr e HD. In accoppiamento Ac mediante amplificatore, invece, è disponibile la sola uscita single-ended ma con larghezza di banda fino a 5 GHz e ampiezza tra 200 mVpp e 2.0 Vpp; tale configurazione è ideale per le applicazioni ad elevata banda ed elevata ampiezza di segnale. Per misure nel dominio del tempo o di jitter è infine preferibile la selezione dell'uscita con accoppiamento Dc mediante amplificatore, con tensione compresa tra -1.0 e 3.3 V e tempi di transizione inferiori a 60 ps. Sia il M8190A che il 81180A sono supportati, per quanto concerne le funzionalità di definizione della forma d'onda da generare, da software di terze parti (come Matlab o Labview) e soluzioni proprietarie, come il Agilent BenchLink Waveform Builder Pro o il Wideband Waveform Center. Il primo, in particolare, permette di creare funzioni d'onda arbitrarie e segnali complessi selezionandoli da una libreria standard (che include segnali sinusoidali, onde quadre e triangolari o esponenziali). In alternativa è possibile disegnare direttamente mediante interfaccia grafica l'andamento atteso o definirlo mediante equazioni polinomiali. È quindi possibile applicare filtri di shaping della forma d'onda definita per l'aggiustamento dei fronti nelle fasi di commutazione. Funzione integrate di analisi (come Fast Fourier Transform e Complimetary Cumulative Distribution Function) permettono infine di verificare lo spettro in frequenza e la distribuzione di potenza del segnale creato. Funzionalità ancora più avanzate si possono avere con il Wideband Waveform Center che supporta, ad esempio, esplicitamente la creazione di configurazioni di test per la validazione di sistemi Wireless HD, WiGig e Ieee802.11ad; sono integrate le funzioni di simulazione lato trasmettitore e di analisi di segnale lato ricevitore.

Anritsu
L'MG3710A e l'MG3700A sono i due modelli di Vector Signal Generator presenti a catalogo presso Anritsu. Le funzionalità sono praticamente identiche, cambiando soltanto leggermente le specifiche, che sono migliori per il primo. Il MG3710A, infatti, dispone di fino a 2 canali RF di uscita, con accoppiamento Ac, completamente indipendenti ed operanti nella finestra da 9 KHz a 6 GHz con risoluzione di 0.01 Hz. Ogni canale è in grado di modulare un segnale I/Q generato in banda base da un Awg integrato o ricevuto da ingresso esterno dedicato. La larghezza di banda in banda base è di 160 MHz. Il modulo Awg ha una profondità di memoria di fino a 4 GByte e dispone di convertitore Adc con frequenza di campionamento massima di 200 MHz e risoluzione verticale di fino a 16 bit. Il generatore è in grado di sommare digitalmente due diverse forme d'onda così da simulare scenari complessi, sovrapponendo, ad esempio, al segnale rumore od interferenza. Il MG3710A è controllabile da remoto mediante Gpib, Lan (1000Base-T) e Usb. Al solito è prevista la possibilità di importare (dopo apposita conversione) forme d'onda digitali generate dai principali software di terze parti (come Matlab) o di controllare lo strumento mediante la soluzione proprietaria IQPRoducer. Tale suite software consente di definire agevolmente mediante interfaccia grafica i parametri per il metodo di comunicazione scelto, supportando oltre a configurazioni custom una serie di standard commerciali sia in ambito che cellular (come Lte Fdd/Tdd, W-Cdma, Gsm) che a banda stretta (come Wlan, WiMax, Bluetooth e Gps). 

Rohde&Schwarz
SMW200A e SMBV100A sono invece due dei prodotti più interessanti a catalogo presso Rohde&Schwarz per quanto concerne i generatori di segnali arbitrari ad elevate prestazioni. Il SMW200A, ad esempio, dispone di fino a 2 canali completamente indipendenti operanti nella finestra tra 100 KHz e 3-6 GHz. Il sistema consiste di diversi moduli, configurabili così da consentire di assemblare la configurazione più adatta alla propria applicazione. Il primo stadio è un generatore di segnale arbitrario in banda base con profondità di memoria di 1 GSa e fino a 8 uscite sommabili tra loro per applicazioni multi-carrier. Seguono un modulo di fading (digitale) in grado di simulare fino a 20 path per canale, lo stadio di conversione A/D con sampling rate di 800 MHz (con interpolazione 4x interna) e risoluzione di 16 bit (con la possibilità di sovraimporre rumore bianco gaussiano) e un modulatore I/Q con fino a 2 GH di larghezza di banda Rf. La larghezza di banda in banda base, invece, è fino a 160 MHz, il che consente di simulare tutti i principali standard di comunicazione wireless 3G/4G. La disponibilità dei 2 canali indipendenti, come detto, (con la possibilità del controllo relativo di fase) consente di riprodurre scenari complessi, come ad esempio la generazione del segnale modulato e della interferenza di campo presente. Ulteriori 2 canali possono essere aggiunti utilizzando 2 SMW200A in parallelo. Il sistema è controllabile da interfaccia grafica locale (lo schermo è ovviamente touch screen) o da remoto mediante comandi Scpi (su Ethernet o Usb); in quest'ultimo caso, sono forniti template di esempio per la generazione automatica di codice eseguibile sotto Matlab e Cvi. L'interfaccia Gui locale integra invece già funzioni per la completa simulazione del livello fisico dei principali standard di protocollo utilizzati in ambito comunicazioni (come Lte, 3GPP, Gsm/Edge, TD-Scdma e Wlan Ieee 802.11) e per l'analisi del segnale generato in banda base. Grazie alle sue funzionalità il SMW200A si iscrive a pieno merito tra le soluzioni più interessanti per le applicazioni più avanzate. Nel segmento mid-range troviamo invece l'altro modello citato inizialmente, ovvero il SMBV100A che rappresenta un ottimo compromesso tra costi e prestazioni. La sezione RF in uscita lavora fino a 6 GHz mentre la larghezza di banda di modulazione I/Q è 500 MHz e quella in banda base 160 MHz. Il sistema può modulare il segnale generato internamente oppure un segnale esterno. Come nel caso precedente il generatore in banda base supporta già tutti principali standard oggi presente sul mercato, inclusi segnali Gnss per sistemi Gps, Glonass e Galileo.

Tabor Electronics
WX128x e WX218x sono le due serie di generatori Awg high-speed di Tabor Electronics appartenenti alla famiglia WaveXciter. Dispongono di 1, 2 o 4 canali di uscita, in grado di operare in maniera sincrona (con skew tra questi controllabile da -3 ns a +3 ns con risoluzione di 10 ps) oppure indipendenti (con clock diversi). I dispositivi della seria WX128x impiegano un campionatore D/A a 1,25 GSa/s mentre i WX218x raggiungono i 2,3 GSa/s; la risoluzione verticale è in entrambi i casi di 14 bit. La profondità di memoria per canale è di 32 MSample ma è prevista una gestione dinamica delle sequenze per maggiore flessibilità. Oltre che come generatori Awg, i dispositivi possono essere impiegati come modulatori Am, Fm, Fsk, PSK, Ask e generatori di impulso. L'uscita è configurabile con accoppiamento Dc differenziale o Ac. Nel primo caso è possibile selezionare le due diverse configurazioni con ampiezza/larghezza di banda di 2 Vpp/700 MHz e 4 Vpp/350MHz. In accoppiamento Ac, invece, la larghezza di banda è oltre 1 GHz e la ampiezza di segnale varia da -10 dBm a +20 dBm. È possibile configura i generatori con uscite digitali accessorie. I dispositivi sono controllabili da remoto mediante interfaccia Lan, Usb e Gpib e sono compliant con la specifica Lxi Class C. Sono disponibili i driver per i principali applicativi standard come LabView, Cvi, C++, VB, e Matlab oltre che le Api sotto Windows per lo sviluppo di applicazioni di controllo; è fornito il supporto per comandi Scpi.

Tektronix
Il prodotto di punta di Tektronix nel mercato dei generatori Awg per applicazioni Rf a frequenze oltre 1 GHz è certamente il modello AWG70000A. Il dispositivo consente la generazione diretta (con accoppiamento in uscita AC) di segnali a banda larga con portanti fino a 20 GHz senza necessità di stadi di up-conversion analogica. Supporta frequenze di campionamento da 10 KSa/s a 50 GSa/s con risoluzione verticale di 10 bit e SFDR di -80 dBc. La profondità di memoria (digitale) è di fino a 16 GSa/, corrispondenti ad una durata di segnale (alla massima frequenza di campionamento) di 350 ms, consentendo la simulazione di scenari reali senza necessità di controlli complessi delle sequenze generate. L'AWG70000A dispone di 1 canale ma al solito, è possibile sincronizzare più generatori in parallelo per estendere il numero di uscite di test. Lo strumento è controllabile localmente mediante Gui (esegue un sistema operativo Windows 7) o da remoto mediante porta Usb o Ethernet o interfaccia Lxi; il supporto sotto applicativi di terze parti è garantito dalla disponibilità di driver Ivi-Com. L'AWG70000A supporta l'esecuzione dei software RfXpress e SerialXpress. Il primo permette di sintetizzare forme d'onda complesse od importare segnali reali acquisiti mediante oscilloscopi o analizzatori di stato vettoriali. Grazie ad una serie di plug&in supporta la generazione automatica di forma d'onda per la caratterizzazione di segnali standard (WiMax, WiFi, Gsm, Gsm-Edge, Egprs, Cdma/W-Cdma e Dvb-T) e la definizione di livelli fisici di protocolli custom. È anche possibile creare frame Ofdm, definendo l'intera sequenza simbolo-per-simbolo ed, eventualmente, tipo di modulazione e dati base per ogni sotto-portante. SerialXpress è invece la suite che consente la simulazione di protocolli di comunicazione seriale high-speed (come Sata, PCIe, Hdmi, Usb etc. etc.). Sono supportate tipiche codifiche di linea di tipo NRZ, NRZI, 4-PAM, 8B/10B. Il data rate può variare da 500 Kbps fino a 8 Gbps, mediante sintesi diretta con oversampling di un fattore 3, ma può arrivare anche a 12 Gbps quando si lavori con oversampling di 2 e riproduzione dei dati binari. Le funzionalità “analogiche” dell'AWG7000 consentono quindi di variare, ad esempio, pre-enfase, de-enfasi e pre-shoot del segnale o di iniettare interferenza di intersimbolo o, ancora, simulare il jitter della linea per riprodurre le degradazioni del caso reale legate a cavi e tracce di interconnessione.

Teledyne LeCroy
Arbstudio è la serie di generatori Awg ad elevate prestazioni offerta da Teledyne LeCroy. I dispositivi dispongono di 2 o 4 canali di uscita in grado di operare con sampling rate real-time di 250 MSa/s, risoluzione verticale di 16 bit, accoppiamento in uscita Dc con tensione tra 1.2V e 3.3V, skew massimo tra i canali inferiore a 300 ps; mediante interpolazione 4x è possibile raggiungere campionamento fino a 1 GSa/s ed è possibile sincronizzare tra loro fino ad 8 dispositivi per un numero totale di uscite di 32. La larghezza di banda è 125 MHz e la profondità di memoria di 2 MSample per canale. Lo strumento dispone di interfaccia grafica intuitiva, funzionalità di generazione di pattern, supporto built-in per modulazioni Am, Pm, Fm, Ask, Psk and Fsk. La connettività host per controllo remoto è di tipo Usb.

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