La legge di Moore porta gli strumenti nell’era del 5G

Dalla fine del 1980 fino agli inizi del 2000, il ruolo degli strumenti a microonde era semplice: chi produceva i transistor a microonde più moderni era il migliore. Durante quest’era, i fornitori di test rilasciavano strumenti che miravano a perfezionare caratteristiche come l’intervallo di frequenza, il rumore di fondo e la linearità. I progressi nella tecnologia dei microcircuiti ibridi, nei tempi di regolazione dei sintetizzatori e nel rumore di fase sono state alcune delle principali innovazioni di questo periodo. Oggi l’evoluzione continua della larghezza di banda istantanea rappresenta un progresso significativo per i generatori di segnali Rf e la tecnologia degli analizzatori. Non si tratta di miglioramenti di pochi megahertz. Questo articolo . uno sguardo al passato e al futuro, ad una decina di anni fa quando gli analizzatori di segnali con banda istantanea di 20 MHz erano considerati piuttosto ampi e a quel che accadrà fra 10 anni, quando un analizzatore con una larghezza di banda non inferiore a 2 GHz sarà considerato di livello base. Questa tendenza degli analizzatori a supportare bande istantanee più larghe deriva soprattutto dai progressi della tecnologia commerciale Adc (la tecnologia dei convertitori analogici-digitali) e degli standard wireless, anche se i vantaggi provenienti da Adc più veloci non abbracciano solo il settore wireless. I miglioramenti nella tecnologia Adc commerciale permettono ai fornitori odierni di strumenti di collaudo di soddisfare le esigenze dei consumatori in un’ampia gamma di settori, in particolar modo in quello aerospaziale e della difesa.

Dall’1G al 5G
Per comprendere come il settore della comunicazione wireless ha apportato miglioramenti nella tecnologia degli analizzatori di segnali è fondamentale dare uno sguardo al rapido aumento della banda negli standard wireless moderni. Un canale di comunicazione Amps (con rete cellulare 1G), ad esempio, consuma circa 30 kHz di banda per una comunicazione unidirezionale (60 kHz per la full duplex), un canale Gsm (2G) consuma 200 kHz, mentre un canale Umts (3G) consuma 5 MHz. Un cambiamento ancora più significativo nella tecnologia wireless è avvenuto grazie all’ampio sviluppo di dispositivi 802.11ac, iniziato qualche anno fa. Allora il settore wireless aveva creato uno standard largamente adottato, superiore alle capacità dei generatori di segnali RF e degli analizzatori. Molti fornitori di strumenti di test e misura hanno così accelerato lo sviluppo di strumenti con banda più ampia solo per supportare i requisiti di banda dell’802.11ac in modo tempestivo. Guardando al futuro, la prossima tappa importante per gli strumenti di test Rf è riuscire a testare la quinta generazione di dispositivi cellulari. Dal momento che i ricercatori utilizzano strumenti radio avanzati definiti via software per prototipare le tecnologie candidate al 5G, come la massive Mimo, la Gfdm e le comunicazioni ad onde millimetriche, l’eventuale utilizzo di segnali ad onde millimetriche ad ampia banda richiederà, probabilmente, strumenti di test Rf per garantire 2 GHz di banda entro il 2017 o 2018 e una distribuzione nel 2020. Da qualsiasi punto di vista, ottenere 2 GHz di banda istantanea in un analizzatore di segnali RF rappresenterebbe un momento epocale per il settore dei test e delle misure. Se uno strumento simile esistesse, sarebbe incredibilmente utile per le applicazioni che richiedono grandi larghezze di banda, come le misure degli impulsi radar e il monitoraggio dello spettro.

Rendere tutto possibile
Se vi state chiedendo come l’industria arriverà a 2 GHz di banda larga, un buon punto di partenza è la legge di Moore, che teorizza che ogni due anni la densità dei transistor nei circuiti integrati raddoppia. Anche nel settore informatico la legge di Moore rimane un indicatore attendibile del continuo aumento di funzionalità nell’informatica odierna. Le Cpu e gli Fpga non sono le uniche tecnologie che hanno beneficiato dei progressi esponenziali avvenuti nella densità di transistor in un circuito integrato. Le frequenze di campionamento degli Adc stanno seguendo una tendenza simile. Basta considerare la frequenza massima di campionamento di 12-bit della tecnologia Adc rispetto al tempo. Gli Adc da 12 bit, fornendo un intervallo dinamico in continuo aumento per l’analisi dei segnali nel dominio di frequenza, sono un proxy efficace per le funzionalità a banda larga degli analizzatori di segnali Rf. Nel 1975, un Adc di 12 bit con un tempo di assestamento di 2 μs (circa 500 kS/s, ma non un è un esatto corollario) era considerato all’avanguardia. Oggi, gli Adc di campionamento più rapidi da 12 bit stanno raggiungendo frequenze superiori a 2 GS/s - un’impresa che sta alimentando alcuni degli analizzatori di segnali con la larghezza di banda più ampia del settore. In base all’attuale velocità di sviluppo, la tecnologia dei convertitori a 12 bit presto sarà in grado di guidare gli strumenti Rf verso multigigahertz di banda istantanea e spingere gli oscilloscopi odierni con bande di gigahertz verso risoluzioni ancor più elevate.

Strumenti RF di prossima generazione
Per gli ingegneri dell’industria wireless, la prossima generazione di strumenti dalla banda estremamente ampia . pronta a guidare i prodotti 5G verso il mercato. Con una visione più completa dei vantaggi che arriveranno, gli ingegneri si serviranno presto, però, anche di nuovi approcci di misura e tecniche interessanti, introdotte dagli analizzatori di segnali RF di ultima generazione (e persino dagli oscilloscopi). Nello sviluppo e nella progettazione di radar, ad esempio, la larghezza di banda in continua crescita e le funzionalità di elaborazione dei segnali dovrebbero produrre, a breve, prototipi di radar più avanzati. Nei test di produzione ad alto volume, la capacità di acquisire segnali a banda ultra larga in un singolo shot permetterà agli ingegneri di test di acquisire facilmente dati da più dispositivi wireless in parallelo nelle configurazioni di test multisito più veloci. Per molti aspetti, i limiti nella banda degli analizzatori di segnali RF del passato oggi sono alla base di alcune delle tecniche di collaudo che usiamo. Ora che siamo nel bel mezzo di una rivoluzione, considerare come un’ampiezza di banda superiore potenzierà le tecniche di collaudo future diventa fondamentale.

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