Strumenti definiti dal softwareIl primo strumento RF ad alte prestazioni completamente personalizzabile dall'utente.

Tutti da bambini abbiamo imparato a conoscere il Lego come un gioco che stimolava la nostra creatività e che non poneva limiti alla nostra fantasia.

E' allora perché dovrebbe essere diverso nel mondo del lavoro? Quando riusciamo a valorizzare la creatività mettendo a frutto le intuizioni stimolate dalla nostra fantasia, molto probabilmente riusciremo a risolvere un problema in modo innovativo.

La nuova proposta di National Instruments trasforma in modo radicale la modalità di progettazione e realizzazione di sofisticati strumenti di misura a radiofrequenza.

Anziché essere legate alle funzioni e alle caratteristiche dell'hardware definite a priori dal suo costruttore, le possibilità di utilizzo e le funzionalità della nuova generazione di strumenti di misura definiti dal software sono completamente nelle mani dell'utilizzatore.

Il concetto di strumentazione virtuale ha fatto molto strada da quando 26 anni National Instruments invento il linguaggio di programmazione grafica LabVIEW.

Ora, la potenze a la flessibilità di LabVIEW consente una svolta epocale nelle realizzazione degli strumenti di misura: non più sistemi chiusi, ma sistemi completamente aperti, composti da hardware di misura riconfigurabile dall'utente.

E' un po' quello che è successo negli ultimi anni nel campo delle telefonia mobile. Sono finiti i tempi dei telefonini le cui funzioni sono definite a priori dal costruttori. Oggi diamo per scontato che se compriamo uno smartphone, saremo noi a decidere quale 'app' caricare, e qundi come utilizzarlo secondo le nostre specifiche esigenze del momento, che molto probabilmente il progettista dello smartphone nemmeno si sarebbe potuto immaginare.

Vector Signal Transceiver di National Instruments

National Instruments mette ora a disposizione lo stesso concetto di strumento definito dal software: l'hardware è costituito da una struttura circuitale ad alte prestazioni progettata per garantire misure accurate, che è stata affiancata da un firmware basato su una FPGA riprogrammabile.

Ma la chiave di volta è che il firmware è completamente open source, modificabile a piacere secondo necessità, sfruttando un linguaggio di programmazione grafica intuitivo come LabVIEW.

Ciò consente di approfittare di un un cambiamento fondamentale di mentalità, facendo evolvere la progettazione di un sistema di misura e collaudo, passando dall'integrazione di dispositivi a funzionalità prefissate alla progettazione di strumenti riprogrammabili funzionanti esattamende secondo le funzionalità richieste.

Il primo strumento di misura progettato da National Instruments secondo nuova questa metodologia di definizione tramite software è il ricetrasmettitore di segnali vettoriali (VST, Vector Signal Transceiver) a radiofrequenza (RF) NI PXIe-5644R: uno strumento costituito da un modulo per il bus PXI Express che comprende al suo interno un generatore di segnali vettoriali (VSG, Vector Signal Generator) e un analizzatore di segnali vettoriali (VSA, Vector Signal Analyzer) tra loro interconnessi mediante una FPGA.

 

Schema di principio dello strumento VST
Schema di principio del ricetrasmettitore di segnali vettoriali

 

Combinando un generatore di segnali vettoriali ed un analizzatore di segnale vettoriale con l’ambiente programmabile di elaborazione e controllo di segnali real-time di LabVIEW, il nuovo strumento NI PXIe-5644R offre le seguenti funzionalità:

  • FPGA integrata riproprogrammabile dall’utilizzatore
  • Gamma di frequenza da 85 MHz a 6 GHz
  • Larghezza di banda del segnale analizzabile in tempo reale fino a 80 MHz
  • Generatore di segnali RF combinato con un analizzatore di segnali RF, più una porta digitale con 24 linee di I/O a 250 Mbps
  • Costi e dimensioni ridotte grazie al formato PXI Express a tre slot
  • Supporto per gli standard wireless più recenti, come 802.11ac e LTE

 

Schema a blocchi dell'architettura VST
Schema a blocchi dell'architettura VST

 

 

La particolarità del ricetrasmettitore di segnali vettoriali NI PXIe-5644R è di integrare una potente logica programmabille FPGA Xilinx della serie Virtex-6, alla quale sono attestati il convertitore analogico/digitale che digitalizza il segnale a radiofrequenza in ingresso, il convertitore digitale/analogico, mediante il quale si può generare un qualsivoglia segnale a radiofrequenza in uscita e un blocco di ingressi/uscite analogici ad alta velocità, con il quale si può comandare a piacere il dispositivo in prova mediante comandi digitali.

La FPGA è inoltre connessa dirattamente al bus PCIExpress, alle memorie DRAM e SRAM, ai circuiti di clock e alle linee di trigger del bus PXI, per cui può essere programmata per ottenere qualunque tipo di elaborazione specifica in tempo reale sul segnale.

Architettura del software

Per permettere agli utilizzatori di poter definire e controllare le funzionalità dello strumento ad un livello di dettaglio così approfondito, la struttura del software deve permettere di progettare e realizzare le funzionalità desiderate per strati ed astrazioni successive, prima ad un livello di sistema complessivo e poi con successivi approfondimenti e affinamenti, in modo gerarchico, fino ad esplicitare tutte le funzioni richieste allo strumento.

ll software deve essere scritto in un linguaggio che sia compatibile sia con i microcontrollori che con le FPGA, così da poter implementare funzionalità personalizzabili in entrambe le piattaforme, per sfruttare il parallelismo intrinseco di queste due architetture di elaborazione.

Inoltre, il software deve fornire punti di riferimento ben documentati per permettere agli utilizzatori che hanno familiarità con strumenti più tradizionali di ottenere risultati di misurazione immediati.

LabVIEW è il linguaggio di programmazione in assoluto più adatto a soddisfare ciascuno di questi requisiti. Si presta perfettamente per ottimizzare la programmazione parallela per sfruttare al meglio le FPGA a bordo degli strumenti, ma allo stesso modo anche per gestire la programmazione real-time dei processori e del software che gira a bordo dei PC.

Programmazione di VST tramite LabVIEWIl modello nativo di programmazione grafica basata su dataflow tipico di LabVIEW fornisce un modo intuitivo di rappresentare il flusso di dati dal pin di I/O fino all’applicazione.

In questo modo si riesce a visualizzare in un unico diagramma la rappresentazione del problema di misura e la sua realizzazione operativa in modo gerarchico e strutturato.

LabVIEW è stato utilizzato per programmare sistemi real-time fin dal 1998 e per programmare direttamente le FPGA dal 2003.

La disponibilità del sistema NI PXIe-5644R VST rende ora disponibile questo ampio patrimonio di esperienza anche agli specialisti di misura che si occupano di radiofrequenza

LabVIEW 2012 contiene diversi nuovi template e progetti campione per realizzare applicazioni di misura tramite i dispositivi hardware di National Instruments, compresi dei programmi di esempio specifici per il sistema VST.

Gli esempi sono progettati per garantire la qualità e la scalabilità dei programmi realizzati e forniscono un punto di partenza importante per la realizzazione di applicazioni di colluado automatico.

Le applicazioni campione di LabVIEW 2012 destinate specificatamente al sistema VST permettono di farlo funzionare immediatamente sia come analizzatore di segnali vettoriali (con un pannello grafico che ricorda un classico analizzatore di spettro) sia come generatore di segnali vettoriali (con un pannello grafico che ricorda i comandi classici di un generatore).

Tutti i template e i progetti campione per VST sono completamente open-source e comprendono la documentazione che descrive chiaramente come funzionano e le migliori pratiche da adottare per modificare e aggiungere funzionalità.

Per programmare la FPGA a bordo del VST si può utilizzare il modulo LabVIEW FPGA, che include nuove capacità specifiche nella versione 2012. Ad esempio sono state potenziate le funzionalità per l’integrazione e l’analisi in tempo reale dei numeri con rappresentazione in virgola mobile, che permettono di ottenere una maggiore flessibilità e riutilizzabilità del codice, mentre la nuova tecnica di ottimizzazione aiuta a generare o integerare blocchi funzionali di proprietà intellettuale per (IP) per FPGA ad elevate prestazioni.

 

Programmazione VST FPGA
Esempio di strutture di programmazione del VST con FPGA

 

LabVIEW è si rivela molto adatto a programmare le FPGA perchè esprime bene il paralallelismo e il flusso di dati, per cui sia chi è già abituato a programmare FPGA, sia chi non lo ha mai fatto prima, può sfruttare molto facilmente tutta la potenza di elaborazione in tempo reale offerta dall'hardware riconfigurabile.

I vari strumenti virtuali (VI nel gergo LabVIEW) già predisposti da National Instruments permettono di personalizzare il comportamenro dello strumento a vari livelli e sono categorizzate in base alla funzione: configurazione, acquisizione, generazione, elaborazione numerica, sincronizzazione.

Campo di applicazione

 

Misure su sistemi 802.11ac in configurazione MIMO
Misure su sistemi 802.11ac in configurazione MIMO utilizzando più VST

Con un approccio alla progettazione via software, le potenzialità di utilizzo sono pressoché infinite.

 

L'idea di fondo che ha spinto alla realizzazione di un prodotto del genere è non dovremo più chiederci “Come fare in modo che questa scatola si comporti come previsto dal produttore?”.

Al contrario, saremo indotti a chiederci: “Se posso costruire uno strumento che faccia quello che desidero, cosa e come devo fare per realizzarlo?”.

Per alcuni le applicazioni e le potenzialità sono ovvie, per altri l’adozione di questo nuovo approccio richiederà tempi più lunghi, in un contesto simile al diffondersi degli smartphone, che dopo l'affermazione di una piattaforma stabile e ben supportata, ha favorito lo sviluppo di numerossissime applicazioni sempre più finalizzate alle esigenze concrete degli utilizzatori finali.

Oltre alle classiche applicazioni legate alla generazione di segnali vettoriali e all'analisi delle modulazioni dei segnali a radiofrequenza, ecco alcuni spunti di applicazioni che possono trarre grande beneficio dalla possibilità di personalizzione spinta offerta dal ricetrasmettitore VST:

 

Emulatore canale MIMO
Emulatore canale MIMO 2x2 realizzto con VST

gestione di protocolli personalizzati per realizzare tester RF in grado di rilevare automaticamente il protocollo utilizzato dal dispositivo in prova;

 

modellazione personalizzata in tempo reale dei canali per emulare il comportamenti dei dispositivi in prove sul campo;

• tecniche di controllo e retroazione hardware-in-loop compensare ad altissima velocità la non linearità degli amplificatori di potenza RF;

• simulazione di radio definite via software per realizzare prototipi di apparecchiature RF con standard in via di definizione

Osservando quanto successo in altri settori di mercato, oggi si fatica a immaginare la vita senza il patrimonio di applicazioni fruibili tramite un solo dispositivo riprogrammabile, ma quando fu presentato il primo smartphone, la maggior parte degli utilizzatori lo considerava ancora un semplice telefono.

Come cambierà la percezione della strumentazione una volta che gli strumenti progettati via software diventeranno una consuetudine?

Categoria: Wireless

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