Uso di una piattaforma di misura comune per gestire i problemi di integrazione dei segnali misti in sistemi Radar complessi

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1 Uso di una piattaforma di misura comune per gestire i problemi di integrazione dei segnali misti in sistemi Radar complessi Nota applicativa Introduzione I progettisti di sistemi radar si trovano oggi a dover affrontare sfide difficili. Non ci si può più concentrare esclusivamente sulle misure RF/microonde durante la valutazione di un prototipo. I sistemi radar vengono progettati con un sempre maggior contenuto digitale, spesso ricorrendo a FPGA (Field Programmable Gate Array) e processori di segnali digitali (DSP) utilizzati insieme a componenti che lavorano a radiofrequenza (RF) per ottenere la flessibilità necessaria a passare tra diverse forme d onda e configurazioni. La sezione digitale di un sistema radar richiede la presenza di un progettista o team dedicato, e la sua validazione richiede strumenti di simulazione e misura diversi da quelli utilizzati tradizionalmente dai progettisti RF per eseguire il debug, la convalida e la caratterizzazione di segnali RF e a frequenza intermedia (IF). Purtroppo, i diversi metodi di progettazione e collaudo utilizzati dal team di progettazione che si occupa del processore dei segnali radar rispetto a quelli utilizzati da chi si occupa degli eccitatori e ricevitori RF spesso causano una serie di problemi di integrazione tra i vari sottosistemi e difficoltà di collaudo. Questa nota applicativa presenta un diverso approccio alla progettazione e collaudo dei complessi sistemi di radar odierni che si basano su una piattaforma di analisi comune per colmare il divario tra progettisti che si occupano di banda base e quelli che si occupano di radiofrequenza. Questo approccio utilizza il software per l analisi dei segnali vettoriali (VSA) Agilent unitamente all analizzatore logico e all oscilloscopio digitale Serie Infiniium di Agilent. Viene utilizzato anche il software SystemVue di Agilent. Garantendo un quadro di riferimento comune per le misure, questo approccio facilita la collaborazione fra i progettisti che si occupano di banda base e radiofrequenza per creare un sistema radar funzionante.

2 Problemi di integrazione a livello di sistema Un diagramma a blocchi concettuale di un sistema radar complesso è illustrato nella Figura 1. Il sottosistema in banda base digitale, o il processore digitale di segnali radar, può essere realizzato con una serie di FPGA e DSP, e seguito da un convertitore da digitale ad analogico (D/A). Il convertitore D/A genera un segnale analogico a frequenza intermedia, che viene convertito a radiofrequenza nella sezione di trasmissione. Tradizionalmente, per valutare i segnali IF ed RF nei sistemi radar veniva utilizzato uno strumento come un analizzatore di spettro. Il progettista in banda base o il team di progettisti deve riconciliare qualsiasi problema emerso con il team di progettazione RF. Poiché i team di progettazione in banda base ed RF utilizzano metodi di progettazione e collaudo diversi, progetti a segnale misto come questo sottosistema trasmettitore radar possono presentare notevoli sfide per il progettista o l architetto del sistema. Generatore di forme d'onda Processore digitale radar COHO STALO Rilevatore processore IF LNA Rx Protezione Figura 1. Il processore digitale radar può comprendere FPGA e DSP e può essere riconfigurabile per svolgere diverse funzioni. Le sfide da affrontare sono prevalentemente dovute all integrazione a livello di sistema di vari sottosistemi a segnale misto. Quando viene scoperto un problema in questa fase avanzata del progetto, può essere molto difficile e può richiedere molto tempo determinarne la causa. I difetti delle forme d onda possono essere ad esempio dovuti ad un accumulo di problemi sui segnali misti che si verificano nelle FPGA, nel convertitore D/A, nel convertitore di frequenza IF/RF e nell amplificatore di potenza. Tutto ciò può essere difficile da determinare, considerato che il progettista responsabile del sistema deve gestire i diversi metodi di progettazione e collaudo dei team di progettazione digitale ed RF. Questo problema serve a evidenziare il crescente bisogno di utilizzare un approccio di misura comune per valutare l hardware digitale, analogico, IF ed RF. 2

3 Un approccio comune alle misure Una comune piattaforma di misura offre una valida soluzione a questo dilemma che riguarda la progettazione di un radar complesso. Una piattaforma del genere è costituita dal software per l analisi dei segnali vettoriali (VSA) 89600B di Agilent Technologies. Si tratta di una soluzione di analisi avanzata che offre viste simultanee su praticamente ogni aspetto dei complessi segnali wireless. Queste informazioni sono fondamentali per permettere ai progettisti di comprendere a fondo il comportamento del sistema per trovare la causa ultima di eventuali problemi sui segnali. Il software VSA viene eseguito su un PC o in strumenti basati su PC e misura più di 70 segnali standard e tipi di modulazioni che coprono una serie di applicazioni (ad esempio, comunicazioni mobili, connettività wireless, comunicazioni militari, comunicazioni satellitari e altro ancora). Gli avanzati strumenti per la risoluzione dei guasti quantificano le prestazioni spettrali con misure FFT ad alta risoluzione; analizzano la qualità dei segnali nel dominio del tempo e caratterizzano modulazioni complesse sino al singolo bit. Il software VSA funziona facilmente con analizzatori di spettro, analizzatori di segnali, oscilloscopi, analizzatori logici, strumenti modulari e software di simulazione. Grazie a questa flessibilità, i progettisti possono valutare i segnali ovunque presenti nel diagramma a blocchi, per esempio nelle sezioni banda base digitale e analogica, IF, RF e microonde. Nel caso di complessi sistemi radar dove sono necessari più strumenti per simulare e misurare la porzione digitale del progetto, il software VSA è utilizzato congiuntamente al software SystemVue di Agilent, all analizzatore logico e all oscilloscopio digitale Serie Infiniium (Figura 2). SystemVue, un ambiente di simulazione e modellazione aperto, è utilizzato per creare e simulare il progetto radar. Le misure VSA su hardware FPGA o lungo la catena di eccitatori/ricevitori RF (IQ, IF ed RF) sono eseguite con l analizzatore logico (FPGA) o un oscilloscopio digitale (IQ, IF ed RF). Ciò consente a progettisti e architetti di sistema di eseguire il debug dei problemi nella catena a segnali misti dei sistemi radar, potendo garantire al contempo che il radar sia conforme ai requisiti a livello di sistema. SIMULATO HARDWARE REALE ANALISI DELLE MISURE Algoritmi C++, m IP personalizzato scritto a mano in HDL Progetto di sistema Architettura RF Progetto banda base Riferimento PHY Generazione HDL con target neutro Generatore di pattern e forme d onda Sintesi FPGA.bit File RF Front-end Target FPGA Software VSA Oscilloscopio Infiniium Analizzatore logico Figura 2. Il processo e gli strumenti qui illustrati possono essere utilizzati per progetti basati su modelli multi dominio (ad esempio, RF, comunicazioni e C++/HDL) di sistemi radar complessi. Il processo prevede l utilizzo di FPGA nell hardware reale, dove le misure possono essere eseguite tramite un analizzatore logico e un oscilloscopio Serie Infiniium. 3

4 L analizzatore logico funziona con strumenti di progettazione FPGA per catturare automaticamente i segnali digitali interni nei vari stadi dell elaborazione del segnale in banda base. I dati digitali catturati possono essere elaborati con il software VSA per un analisi avanzata. Dopo che i segnali digitali vengono convertiti in segnali IQ o IF analogici con uno o più convertitori D/A, l oscilloscopio Serie Infiniium cattura e analizza nuovamente le forme d onda con il software VSA. Girando nell oscilloscopio, il software VSA permette ai progettisti di valutare le caratteristiche delle forme d onda nei domini IQ/IF/RF analogici. L uso del software VSA come piattaforma di analisi comune presenta una serie di vantaggi notevoli, in quanto colma il divario tra sottosistemi digitali e a radiofrequenza consentendo ai team di progettazione che si occupano di banda base ed RF di collaborare più strettamente utilizzando gli stessi strumenti. Il risultato è una convalida e un debug più semplici e rapidi. Utilizzando il software VSA sia sull analizzatore logico sia sull oscilloscopio digitale, ad esempio, i progettisti possono sondare la catena di segnali misti per isolare problemi e ottenere approfondimenti nei punti in cui si verificano i problemi sulle forme d onda. Di conseguenza, disporre dello stesso motore di analisi per i domini sia digitali sia analogico/rf offre ai progettisti un potente strumento di analisi su più domini per conoscere e valutare meglio le prestazioni a segnali misti dei sistemi radar, indipendentemente che si tratti di banda base digitale, IQ/IF/RF analogico o entrambi. Questa conoscenza più approfondita aiuta a ridurre notevolmente i problemi associati all integrazione dei sistemi. 4

5 Uso di SystemVue per creare e simulare un progetto radar Per comprendere meglio in che modo il software VSA può fungere da piattaforma di misura comune per progetti radar complessi, si prenda in considerazione un progetto in banda base con aritmetica a virgola fissa per la generazione di un radar con modulazione chirp a variazione di frequenza lineare (LFM) (Figura 1). Il radar utilizza un tipo di compressione degli impulsi in cui la variazione di frequenza avviene in modo lineare lungo la durata dell impulso. La compressione degli impulsi è spesso applicata in un sistema radar per ampliare la gamma e aumentare la risoluzione. Essenzialmente, l impulso viene modulato in frequenza e ciò, a sua volta, determina che ogni parte dell impulso abbia una frequenza unica. Ciò significa che i riflessi di un obiettivo, che normalmente potrebbe avere segnali di ritorno sovrapposti nel dominio di frequenza, possono essere ora separati completamente e più facilmente grazie alla disponibilità delle singole componenti di frequenza che compongono il segnale. In questo esempio, la forma d onda radar con chirp a modulazione di frequenza lineare è realizzata con modelli a virgola fissa che generano codici HDL per programmare la FPGA (Figura 3). Il software SystemVue è utilizzato per creare e implementare progettazioni radar chirp utilizzando il processo in Figura 2. I I(t) * CosWc(t) Filtro BB Fo/4 LO 0 deg - 90 deg I(t) * CosWc(t) Q(t)SinWc(t) Q Q(t) * SinWc(t) BB Filter IF/FPGA digitale WiMAXI Dati Sovracampionamento 4X FIR RRC I(t) * CosWc(t) I(t) * CosWc(t) Q(t)SinWc(t) WiMAX Q Dati Preliminare Sovracampionamento 4X Carrier Fs/4 FIR RRC Q(t) * SinWc(t) Figura 3. Illustrata qui la sezione in banda base di un radar chirp con sezioni IQ e IF digitali. Il simulatore SystemVue è utilizzato per modellare progetti di modulatori IQ a virgola fissa che consistono in dati I e Q di un segnale radar LFM memorizzati in una tabella di ricerca. Sulle forme d onda I e Q viene poi eseguito un sovracampionamento con un fattore di quattro, viene poi utilizzato un filtro RRC per poi eseguire una multiplazione digitale su un segnale portante a frequenza intermedia digitale centrato a Fs/4. Successivamente, il segnale IF digitale è convertito in un segnale IF analogico utilizzando un convertitore D/A. Il software VSA è utilizzato in simulazione per valutare il progetto a virgola fissa durante la fase di progettazione. Verrà utilizzato anche durante una fase successiva per collaudare l FPGA con l analizzatore logico. Il codice HDL (hardware description language) è generato da modelli a virgola fissa in SystemVue. È utilizzato per realizzare il progetto con un FPGA, in questo caso, una scheda di sviluppo Xilinx Virtex-4 FPGA. L hardware risultante verrà misurato mediante un analizzatore logico e un oscilloscopio, utilizzando il software VSA in entrambi gli strumenti. 5

6 Accesso ai segnali digitali Dopo aver creato e simulato il progetto del radar chirp, il passo successivo consiste nell inserire punti di collaudo in modo da poter accedere ai segnali digitali. Ciò può essere realizzato utilizzando il banco di misura illustrato in Figura 4. In questa configurazione, i segnali presenti sulla scheda di sviluppo FPGA vengono osservati utilizzando un analizzatore logico Agilent con la sua funzionalità di sonda dinamica FPGA. Questa funzionalità permette ai progettisti di selezionare vari banchi di segnali interni alla FPGA per valutare con il software VSA cosa succede nei vari punti del sistema hardware. Si noti che quando gira nell analizzatore logico, il software VSA è utilizzato per valutare le caratteristiche di modulazione della forma d onda dei radar digitali. Quando gira sull oscilloscopio Serie Infiniium, il software VSA misura il segnale IF analogico convertito dal segnale IF digitale mediante il convertitore D/A sull uscita FPGA. Ciò permette ai progettisti di sistema di valutare le caratteristiche delle forme d onda dei radar nel dominio digitale (mediante l'analizzatore logico) o nel dominio IQ/IF/RF analogico (tramite l oscilloscopio o un analizzatore di segnali RF). Figura 4. Con questa configurazione, l analizzatore logico a sinistra sonda i punti FPGA interni, mentre l oscilloscopio Serie Infiniium a destra sonda il segnale analogico a frequenza intermedia prelevato sull uscita del convertitore D/A. Entrambi gli strumenti utilizzano il software VSA. 6

7 Utilizzando il banco di collaudo descritto nella Figura 4, i segnali sono osservati lungo le varie fasi di elaborazione da parte della FPGA catturando, ad esempio, i segnali I/Q filtrati o i campioni del segnale IF digitale. I segnali di interesse vengono prelevati tramite un multiplexer (MUX) di misura posto all interno della scheda di sviluppo FPGA Virtex-4. I punti di misura delle corrispondenti sonde virtuali sono definiti con l applicazione ChipScope Pro Core Inserter di Xilinx (Figura 5). Con questa applicazione i progettisti possono definire il tipo di misura (stato o timing), il numero di banchi di segnali, quanti pin saranno utilizzati per i segnali di debug ed esattamente quali pin di I/O della FPGA saranno utilizzati per portare all esterno i segnali di debug. Figura 5. L interfaccia di definizione del nucleo di misura Xilinx ChipScope Pro consente ai progettisti di definire i punti della sonda virtuale. Le reti presenti nella FPGA sono osservate a livello di segnali I e Q filtrati, nonché a livello di segnale a frequenza intermedia digitale che pilota l ingresso del convertitore D/A. La funzionalità di sonda dinamica per FPGA dell analizzatore logico sfrutta poi la sonda virtuale inserita nella FPGA permettendo ai progettisti di eseguire misure significative. Grazie alle sonde virtuali, i progettisti possono scegliere un altro banco di misura, in questo caso, il segnale digitale IF appena prima del anello di I/O della FPGA. Questo segnale esce dall I/O FPGA e viene indirizzato all entrata del convertitore D/A presente sulla scheda. 7

8 Per tracciare i segnali di interesse, viene utilizzato lo strumento di progettazione Xilinx Plan Ahead FPGA. Si supponga, ad esempio, che il progettista desiderava osservare il segnale a frequenza intermedia digitale appena all interno dell anello I/O dell FPGA, prima di pilotare il convertitore D/A. La Figura 6 mostra una vista grafica in Plan Ahead dello schema della FPGA con i segnali di uscita del progetto definiti. Facendo doppio clic su uno dei segnali del bus DAC1_D_OBuf, viene aperta una finestra con un diagramma a blocchi schematico che mostra le reti della FPGA associate a questo bus. Facendo doppio clic su una di queste reti, viene attivato lo strumento per il tracciamento del segnale allo stadio precedente. Ripetendo questa procedura, i segnali possono essere tracciati sino a uno specifico punto di interesse per essere osservati con un sonda virtuale. Figura 6. Questa vista schematica mostra i segnali di ingresso del DAC presente nella FPGA mediante lo strumento Xilinx Plan Ahead. 8

9 In questo caso, le reti FPGA di interesse sono scelte dall interno del ChipScope Pro Core Inserter. Il progettista si limita a cercare i nomi delle reti di interesse e poi assegna quelle reti ai banchi di segnali. I segnali IF digitali sono stati trovati guardando nelle gerarchia della finestra evidenziata Structure/Nets e poi è stato premuto il pulsante Make Connections per associare quei segnali a un particolare banco di segnali. La stessa cosa è stata eseguita per i segnali digitali I e Q per un secondo banco di segnali. Figura 7. In questo menu, il software ChipScope Pro Core Inserter assegna gli ingressi del DAC al Banco di segnali 1. 9

10 Approfondire la conoscenza del progetto Dopo aver inserito i punti di collaudo, i progettisti possono approfondire la conoscenza del progetto eseguendo misure con l analizzatore logico, una procedura notevolmente semplificata dalla funzionalità di sonda virtuale per FPGA dell analizzatore. L analisi è eseguita con il software VSA 89601B. Il file di programmazione.bit per il progetto FPGA viene scaricato nella FPGA direttamente dall interfaccia dell analizzatore logico tramite una connessione JTAG (Figura 8). Il progettista successivamente importa i nomi dei segnali del bus dal file.cdc creato dall applicazione ChipScope Pro Core Inserter quando si sono scelti i punti di osservazione delle sonde. Poi, viene eseguita la mappatura automatica dei pin. Con questa procedura, i segnali di debug sui pin di uscita della FPGA vengono identificati e automaticamente mappati ai canali di ingresso dell analizzatore logico. Figura 8. Illustrazione della procedura di configurazione della FPGA con sonde di misura. 10

11 A questo punto, può essere acquisita una traccia con l analizzatore logico. Per farlo, l analizzatore logico è impostato in modo che sia definito il corretto ingresso di clock e i livelli di soglia siano impostati per coincidere con i livelli di tensione delle uscite della FPGA. La modalità di cattura dell analizzatore logico è anche impostata per corrispondere all uscita dei segnali di debug FPGA. La possibilità di utilizzare la multiplazione a divisione di tempo permette al progettista di osservare contemporaneamente in tempo reale due reti interne della FPGA per ogni pin. Una volta completata l impostazione, il progettista si limita a scegliere il banco di segnali da osservare (Figura 9). La Figura 10 mostra la cattura dell analizzatore logico dei segnali digitali di ingresso DAC o la traccia. Figura 9. Questo menu è utilizzato per scegliere il banco di segnali in ingresso al DAC. Figura 10. Questa traccia relativa ai campioni del segnale IF digitale è stata catturata dall analizzatore logico prima dell anello di I/O della FPGA. 11

12 La forma d onda del segnale a frequenza intermedia catturata dall analizzatore logico può essere ora importata nel software VSA per l analisi (Figura 11). Varie impostazioni nella finestra di dialogo Proprietà ingresso di VSA (ad esempio, la velocità di campionamento e la frequenza centrale) semplificano questa procedura. Figura 11. In questa schermata del software VSA viene mostrato lo spettro del radar in alto a sinistra, l ampiezza in scala logaritmica degli eventi degli impulsi radar in basso a sinistra, la frequenza con chirp lungo la durata dell impulso in alto a destra e la parte reale o la componente in fase (I) della forma d onda in basso a destra. Infine, il segnale digitale IF con cui lavora il team in banda base può essere confrontato con il segnale analogico con cui sta lavorando il team analogico/rf. Ma prima, occorre misurare il segnale analogico IF. Per farlo, il segnale di uscita DAC è misurato con l oscilloscopio digitale in tempo reale Serie Infiniium (Figura 12). Questo segnale analogico può essere analizzato anche con il software VSA. Figura 12. Il segnale radar chirp sull uscita del convertitore D/A può essere catturato con un oscilloscopio digitale in tempo reale. L oscilloscopio è collegato tramite un cavo coassiale a un connettore sulla piattaforma. Questo segnale analogico è analizzato con il software VSA. 12

13 Come illustrato nella Figura 13, il software VSA presenta utili informazioni sulle caratteristiche del segnale IF. Si noti che quando il sistema funziona correttamente, una serie di dati molto simili appare in ogni display VSA che corrisponde ai segnali IF digitali e IF analogici. Offrendo una visualizzazione coerente nei domini digitali, IF ed RF, i progettisti possono osservare il segnale elaborato dalla FPGA in vari punti o ovunque lungo il percorso del segnale analogico IQ/IF/RF. Questa analisi comparata può rivelarsi molto utile quando un problema di forme d onda indesiderato viene rilevato lungo il percorso. In questo caso, il progettista può tracciare il segnale lungo il percorso di provenienza per trovare la causa ultima del problema. Figura 13. Il segnale analogico a frequenza intermedia uscente dal DAC è analizzato mediante l oscilloscopio e il software VSA. 13

14 Affrontare i problemi Quando la forma d onda relativa al segnale IF in formato digitale in una schermata VSA non coincide con quella relativa alla sua corrispondente forma d onda in formato analogico in un altra schermata VSA, il progettista può utilizzare i punti di misura del segnale digitale collocati lungo il percorso dei segnali di banda base come utile strumento di debug e validazione. La funzionalità di sonda virtuale all interno della FPGA dell analizzatore logico gioca un ruolo fondamentale. Utilizzando questa applicazione, il progettista può passare a un altro punto di test, cioè a un altro banco di segnali per osservare i campioni dei segnali I e Q filtrati. Il multiplexer dedicato alle misure si avvale della struttura di instradamento dell FPGA per toccare quelle reti, portandole all esterno verso l analizzatore logico per catturarle. La sonda dinamica FPGA poi imposta automaticamente i nuovi nomi dei bus sull analizzatore logico e, di conseguenza, visualizza i nuovi bus dei segnali e/o i segnali (Figura 14). Figura 14. Qui è illustrata la classica vista nel dominio del tempo delle componenti dei segnali di modulazione vettoriali I e Q per un radar chirp catturate da un analizzatore logico e visualizzate in modalità chart. Conclusioni E importante sottolineare che con il software VSA i progettisti accedono e possono immediatamente misurare e visualizzare forme d onda digitali, IQ, IF ed RF. Quando vengono rilevate delle incoerenze, un applicazione di misura come quella disponibile nell analizzatore logico di Agilent può essere utilizzata per isolare i problemi e identificare la causa originaria del problema. Le problematiche insite nell integrazione dei segnali misti all interno dei complessi sistemi radar odierni richiedono un nuovo approccio per il collaudo a livello di sistema. Richiedono un approccio che utilizza una comune piattaforma di misura per colmare il divario tra i team di progettazione che si occupano di banda base ed RF e le loro rispettive metodologie di progettazione e collaudo. Il software VSA di Agilent 89601B offre la soluzione ideale al dilemma poiché lavora facilmente con oscilloscopi, analizzatori logici e software di simulazione, oltre ad altri strumenti. Utilizzando il software VSA con queste altre soluzioni, i team di sviluppo delle sezioni che trattano segnali in banda base, analogici ed RF possono ora collaborare meglio per identificare la causa ultima dei problemi nei loro progetti. Disporre di un identico motore di analisi come il VSA normalizza le informazioni acquisite in ogni dominio in modo che questi diversi team ingegneristici abbiano un punto di incontro comune per l analisi. I progettisti possono quindi valutare i segnali ovunque nel diagramma a blocchi, inclusi quelli in banda base e IF analogici e digitali e microonde, approfondendo la conoscenza del comportamento reale di un progetto radar complesso e riducendo al minimo i rischi di integrazione del sistema. 14

15 Advantage Services di Agilent Advantage Services di Agilent si impegna per il vostro successo, per tutta la durata di vita delle vostre apparecchiature. Per restare competitivi, investiamo continuamente in strumenti e processi che velocizzano la taratura e riducono i costi di proprietà. Potete anche utilizzare i Servizi Web Infoline per la gestione dell attrezzatura e dei servizi in modo più efficace. Condividiamo l esperienza nelle misure e nella manutenzione per aiutarvi a creare i prodotti che cambiano il nostro mondo. Aggiornamenti Agilent via Consultate le informazioni più recenti sui prodotti e le applicazioni che avete scelto. Channel Partner Agilent Il meglio dei due mondi. L esperienza di misura e la scelta di prodotti Agilent, combinati con i vantaggi dei Channel Partner. Per maggiori informazioni sui prodotti, le applicazioni o i servizi di Agilent Technologies, contattate l ufficio Agilent di zona. L elenco completo è disponibile su: Americhe Brasile (11) Canada (877) Messico Stati Uniti (800) Asia Pacifico Australia Cina Corea Giappone 0120 (421) 345 Hong Kong India Malesia Singapore Taiwan Altri paesi regione Asia Pacifico (65) Europa e Medio Oriente Belgio 32 (0) Danimarca Finlandia 358 (0) Francia * *0,125 / minuto Germania 49 (0) Irlanda Italia Israele /544 Paesi Bassi 31 (0) Regno Unito 44 (0) Spagna 34 (91) Svezia Per altri paesi non elencati: Revisione: 8 giugno 2011 Dati tecnici soggetti a variazione. Agilent Technologies, Inc Pubblicato negli Stati Uniti, 12 agosto ITE