Fertigungstest von Funksystemen NI-Thementag

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1 Fertigungstest von Funksystemen NI-Thementag Christian Gindorf Business Development Manager National Instruments Central Europe

2 Agenda Begrüßung PXI und PXI-Express NI-Hardware für RF-Signalerzeugung & -analyse LabVIEW und Toolkits für Signalanalyse und Protokolle Digital modulierte HF-Signale Pause ISM-Band-Applikationen (Funkschlüssel, Fernbedienungen usw.) Anforderungen im Fertigungstest von Funksystemen Testen von Standardprotokollen Anwendungsbeispiele Testkammern und Antennen Vortrag eines Alliance Partners Zusammenfassung 2

3 National Instruments NI HQ Hauptsitz in Austin, Texas 4600 Mitarbeiter Fast 40 Niederlassungen 5 Entwicklungsstandorte mehr als Produkte 600 Alliance Partner mehr als Kunden Kunden in über 90 Ländern NI s Mission: To create innovative computer-based products that improve everyday life by improving technology. 3

4 PXI und PXI Express Herkömmliche Messgeräte Stand alone, sofort einsatzbereit Funktionalität wird ausschließlich vom Hersteller definiert Anwender kann keine Änderungen/Anpassungen vornehmen Meist an einen PC angeschlossen (für dezentrale Steuerung und Automatisierung) Oft Verwendung relativ langsamer Bussysteme wie GPIB, USB, LAN Buslatenzen und Datendurchsatz dominieren die Gesamtsystemleistung Softwaredefinierte Messgeräte Nutzen modularen Ansatz, integrieren PC und Messgeräte Einsatz eines Hochgeschwindigkeits-Datenbusses (bis zu 1GB/s) Verwenden standardisierten Timing- und Triggerbus Anwender kann entweder bereits definierte Software nutzen oder eigene erstellen (oft als virtuelle oder synthetische Messgeräte bezeichnet) 4

5 Der Trend zu softwarebasierten Systemen Software is the core of a [Synthetic Instrumentation] test system, it is the task of the software to define and control the hardware... World Synthetic Instrumentation Test Equipment Report, Frost and Sullivan

6 PXI PCI extensions for Instrumentation Basiert auf dem Standard PCI Markteinführung im Jahr 1998 Technische Daten Datendurchsatz: max. 132 MB/s Integrierter Timing- und Trigger-Bus Sync bis auf wenige ps 10 MHz Referenzzeitbasis ( 25 ppm stability) Hohe Verbreitung Mehr als 60 Hersteller Mehr als 1500 Geräte Standardsoftware Windows, LINUX, RealtimeOS LabVIEW, C/C++, PXI-Modul (6,6 GHz CW Generator) PXI-System mit integriertem Windows-PC, 2,7 GHz RF-Analysator und -Generator Blockdiagramm eines PXI-Systems mit CPU, Modulen, Trigger- & Datenbus 6

7 PXIe PCI-Express im PXI-Formfaktor Basiert auf dem Standard PCI-Express und PXI Markteinführung im Jahr 2004 Technische Daten Datendurchsatz: 1000 MB/s pro Slot Systemdurchsatz bis 4 GB/s Integrierter Timing- und Trigger-Bus Sync bis auf wenige ps 10MHz & 100 MHz Referenzzeitbasis ( 25 ppm stability) PXI-Express-Chassis mit Blick auf die Steckplätze (Slots) Kombination von PXI und PXI-Express in einem System möglich 8

8 Frequency Span Benchmarks für PXI/PXI Express Fertigungstest von Reifenluftdrucksensoren oder Funk-Autoschlüsseln Aufgabe: 868-MHz-Signal erfassen, demodulieren, dekodieren, Frequenz- und Leistungsmessung Testzeit : < 100 ms Aufzeichen von Funksignalen Echtzeit Bis 20 MHz Bandbreite Für über 8 Stunden Spektralanalysen Power-in-Band-Analysen Bis 20-mal schneller als Stand-alone-Geräte 800 khz 320 khz NI RFSA Traditional Instrumentation 160 khz 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 Measurements per second 9

9 RF-Signalerzeugung & -analyse 2,7 GHz Vektorsignalgenerator (NI PXI-567x) 6,6 GHz CW-Generator (NI PXI-565x) 2,7 GHz Vektorsignalanalysator (NI PXI-566x) 3 GHz Vorverstärker (NI PXI-5690) RF-Schaltmodule und -Multiplexer (NI PXI-254x, 255x, 259x) IF-Transceiver for SDR (NI PCI-5640R) 6 GHz True RMS Power Meter (NI USB-5680) 10

10 RF-Schaltmodule von National Instruments Mehr als 20 Konfigurationen Multiplexer, universelle Relais 500 MHz bis 26 GHz 50 und 75 Ohms Optionale Signal-Terminierung, um Reflexionen zu vermeiden Zählen und Speichern von Schaltvorgängen der Relais auf der Karte Softwaresupport Softfrontpanel Switch Executive NI PXI x1 Multiplexer bis 2,7 GHz, 50 Ohm, <2 db Eingangsdämpfung NI PXI x1 Multiplexer (terminiert) bis 26 GHz, 50 Ohm, <1 db Eingangsdämpfung 11

11 PXI-5661: 2,7GHz Vektor-Signalanalysator Technische Daten Frequenzbereich: 9 khz bis 2,7 GHz Bandbreite: 20 MHz Digitalisierung: 14 Bit, 100 MHz SFDR: bis zu 80 db Frequenzstabilität: 50 ppb Trigger-Modi: Digital, Software, IQ-Power-Level Speichertiefe: 64 oder 256 MB Kontinuierliches Erfassen von Signalen (Streaming) mit bis zu 20 MHz Bandbreite / 100 MB/s PXI-5661 besteht aus PXI-5142 und PXI-5600 Anwendungsgebiete In automatischen Fertigungstestsystemen Kontinuierliches Erfassen von RF-Signalen/Spektrumanalyse 12

12 Funktion des Downconverters PXI-5600 Der Downconverter PXI-5600 nimmt ein RF-Eingangssignal im Bereich von 9 khz bis 2,7 GHz entgegen und wandelt es in eine Ausgangsfrequenz bei 15 MHz (max. 20 MHz Bandbreite) um. Ausführung durch mehrere Misch- und Filterstufen 13

13 Digitale Abwärtswandlung (PXI-5142) Der Downconverter PXI-5600 bildet ein RF-Eingangssignal auf einer IF von 15 MHz ab. Dieses IF-Signal wird durch einen Digitizer (PXI-5661) mit 100 MS/s digitalisiert Nur ein kleiner Teil der digitalisierten Daten ist interessant (z. B. +/- 1 MHz um die ZF) Ein digitaler Downconverter im Digitizer konvertiert diese Daten auf das Basisband (komplexe Daten) Analoger Downconverter UHF-Signal 14

14 PXIe-5672: 2,7GHz Vektor-Signalgenerator Technische Daten Frequenzbereich: 250 khz bis 2,7 GHz Bandbreite: 20 MHz Ausgangspegel: -145 bis +10 dbm Modulationsverfahren: analog & digital (ASK, FSK, QAM, ) Kontinuierliches Erzeugen von RF-Signalen (Streaming) Digitale Abwärtswandlung für schnellere Datenübertragung Speichertiefe: 32, 256 oder 512 MB Scripting für automatische Abläufe im Generator PXI-5671 besteht aus PXI-5441 und PXI-5610 Anwendungsgebiete: Erzeugen von Testsignalen im Fertigungstest von RF-Geräten Ausgeben von künstlichen Rundfunksignalen wie DAB, DVB-T, FM/RDS 15

15 OSP im Generator PXI-5442 Integrierte Signalverarbeitung (Onboard Signal Processing, OSP) Basisband- zu IF-Aufwärtswandlung zur Verringerung von Speicher- und CPU-Last Modulationsausführung auf der Karte Anwendung und Änderung von Signalbeeinträchtigungen (Offset, Verstärkung, Laufzeitunterschied) in Echtzeit Erstellung von Frequenzen direkt mit dem Numerical Controlled Oscilator (NCO) 16

16 Upconversion mit PXI-5610 Das Modul PXI-5610 verschiebt ein IF-Eingangssignal von einer Zwischenfrequenz von 25 MHz auf eine gewünschte Ausgangsfrequenz (125 khz bis 2,7 GHz). Die programmierbare Bandbreite ist hierbei 20 MHz. Ausführung durch mehrere Misch- und Filterstufen 17

17 Zusammenfassung Vorteile der PXI-basierten RF-Module von NI Hohe Performance durch schnelle Busanbindung und OSP Flexibel durch Definition der Funktion in Software Kompakte Bauform Offener Standard, viele Hersteller 18

18 LabVIEW Grafische Programmiersprache und interaktive Werkzeuge Programmierung mit Events, Datenfluss, Statecharts und OOP Für Windows, Linux, MacOS, PDA, Real-Time, Microcontroller, FPGA, Schnittstellen zu Messgeräten von NI und mehr als 6000 anderen Messgeräten Toolkits für Spezialaufgaben: Simulation, Regelungstechnik, Nachrichtentechnik 19

19 LabWindows/CVI ANSI-C-basierte Entwicklungsumgebung Aktuelle Version: 8.5 Unterstützung von Multicore-Prozessoren Code-Änderungen zur Laufzeit während des Debuggens Neue Funktionen für User Interface-Design Modulation Toolkit für LabWindows/CVI Spectral Measurements Toolkit für LabVIEW und LabWindows/CVI Natürlich werden Treiber der RF-Geräte unterstützt Zahlreiche Beispiele auf zone.ni.com, als Teil der Treiber, den Toolkits sowie LabWindows/CVI 20

20 Toolkits für Signalanalyse und Modulation Spectral Measurements Toolkit Analysen im Frequenzbereich, Leistungsspektrum Peaks finden, Leistung und Frequenz messen Leistung in Frequenzbändern (Power in band) Leistung in Frequenzbändern/Nachbarkanälen (ACPR) Benutzte Bandbreite eines Signals Für LabVIEW und LabWindows/CVI Modulation Toolkit Analoge und digitale Modulationsverfahren wie AM, FM, ASK, FSK, PSK, QAM, 1.66 OFDM Anzeigeelemente (2D- und 3D-Augendiagramm, Trellis, Constellation) Modulationsanalyse (BER, MER, EVM, Frequenzabweichung, ρ (rho)) Equalization, Kanalkodierung, Kanalmodelle Für LabVIEW und LabWindows/CVI m 500m 250m m -500m -750m m m 1.00 I

21 Digital modulierte RF-Signale Was bedeutet Modulation? Welche Verfahren gibt es? Wo liegen die Vor- & Nachteile Was wird wofür verwendet? Was wird getestet? 22

22 Modulation Variation eines oder mehrerer Parameter eines Trägersignals zur Datenübertragung Parameter eines Trägersignals (Sinus) Amplitude (A c ) Frequenz (f c ) Phase (φ) S (t) = A c cos (2π f c t + φ) Modulationsverfahren analoge Modulation Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation, Phasenmodulation Parameter des Trägersignals entsprechend analoger Verläufe variieren z. B. Übertragung von Audio- und Videosignalen digitale Modulation Amplitudenumtastung, Frequenzumtastung, Phasenumtastung, Parameter des Trägers in festen Stufen variieren Einen oder mehrere Parameter gleichzeitig Beliebige Bits und Bytes übertragen Analog moduliertes Trägersignal (unendlich viele Zustände) Digital moduliertes Trägersignal (4 verschiedene Zustände) 23

23 Darstellung von modulierten Signalen Spektrum Zeigt die Leistungsverteilung eines Signals über der Frequenz Wichtig für das Analysieren von Bandbreite, Amplitude und Frequenz Zeitbereich Verlauf der Amplitude über Zeit Für komplette Beschreibung des Signals is außerdem der Phasenverlauf notwendig Constellation-Diagramm (IQ-Daten) Darstellung von Amplitude und Phase eines Signals Wichtig für das Analysieren von Modulationsfehlern wie Error Vector Magnitude (EVM) 24

24 Demo: Darstellung von modulierten Signalen 25

25 Digitale Modulation ASK FSK PSK QAM Variation der Trägeramplitude in festen Stufen Beispiel: TRUE = Träger 100 % und FALSE = Träger 0 % (wird auch OOK genannt) Variation der Signalfrequenz mit festen Frequenzschritten z. B. 868 MHz +/- 3kHz; TRUE = 867,997 MHz und FALSE = 868,003 MHz Variation der Signalphase des Trägers Zum Beispiel bei GPS OFDM Variation von Amplitude und Phase des Trägers Erhöht die Übertragungsrate Nutzen von mehreren Trägersignalen, die jeweils QAM-moduliert werden Reifenluftdrucksensoren Hausautomatisierung Fernbedienungen Funkschlüssel Alarmanlagen Telemetrie RFID GPS UMTS Bluetooth GSM / EDGE Digitales Radio WLAN, WiFi, WiMax Digital Video Broadcast 26

26 Demo: Modulationsverfahren im Vergleich 27

27 Modulation & Upconversion Modulator & Upconverter Basisband-Daten z.b Baud (bits/s) Funktionen 1. Erzeugen eines moduliertes signals basierend auf den eingehenden Bits 2. Upconversion, verschieben des Signals auf höhere Frequenzen Moduliertes Signal ASK, 433MHz, 1200 Baud 28

28 Grundlagen zu Modulation & Upconversion D/A D/A I Q Fc + + Basisband-Daten z. B Baud (bits/s) Digital Analog Fc 90 Funktionen 1. Erzeugen eines modulierten Signals basierend auf den eingehenden Bits 2. Upconversion, Verschieben des Signals auf höhere Frequenzen Fc Moduliertes Signal ASK, 433MHz, 1200 Baud Weitere Informationen: - Nachrichten und Informationstechnik von Richard Read, Pearson Publishing, ISBN: Communication Fundamentals on ni.com: 29

29 Testen von Funksystemen RF-Signalanalyse Frequenz/Frequenzhub Leistung Übersprechen, Power in band, Adjacent Channel Power Ratio (ACPR) Power Spectral Density (PSD) Power in Band Messung Power Spectral Density (PSD) Messung an einem ZigBee-Signal Modulationsanalyse Modulation Error rate (MER) Q Instrument Uncertaint y (3x 10x ) Δ Q Δ I E Ideal Symbol Location Error Vector Magnitude (EVM) V EVM(%) E V Datenanalyse Bit Error Rate Test (BERT) Daten auswerten, Protokoll testen Funktionstest Ө I

30 Drahtlose Systeme im täglichen Leben Standards in der Telekommunikation GSM / EDGE / UMTS WiFi (WLAN) Radio (FM, RDS, DAB ) TV (PAL, DVB-T, HDTV ) Bluetooth ZigBEE WiMAX RFID Nicht standardisierte Kommunikation Reifendrucksensoren Autoschlüssel (RKE) Schlüsselloses Zugangssystem Hausautomatisierung Fernsteuerungen Spielzeug 33

31 Standardprotokolle Zum Test von Standardprotokollen müssen oft zahlreiche Spezifikationen beachtet und im Fertigungstest überprüft werden. NI arbeitet mit einem Netzwerk von Partnern zusammen, die entsprechende Testroutinen für viele Standards bereitstellen Protokolle von NI Alliance Partnern RFID GSM/EDGE ZigBee Broadcast Radio (AM, FM, RDS, XM, Sirius, DAB, DVB, GPS) Bluetooth WiMAX and IEEE / WiFi Spectrum Monitoring Eine vollständige Liste finden Sie unter: 34

32 Demo: Test eines ZigBee-Gerätes Anforderungen Receiver- & Transmitter-Tests Power masks und spektrale Leistungsdichte Belegte Bandbreite und Leistung eines Frequenzbandes Error Vector Magnitude (EVM) Konstellations- und Augendiagramm Datenbits und Präambeldetektion Paketerkennung Lösung NI PXI ,7 GHz Vektorsignalanalysator ZigBee Test Toolkit von SeaSolve, einem NI Alliance Partner Vorteile Sofort einsatzbereit Tests entsprechend des ZigBee-Standards Die gleiche Hardware kann auch für andere Test genutzt werden Anwendung Test von ZigBee-Sendern und -Empfängern in Entwicklung und Fertigung 36

33 Demo: Erzeugen eines GPS-Signals Erzeugen eines künstlichen GPS-Signals Bis zu vier Satelliten Frei konfigurierbar Koordinaten Zeit Ephemeriden Almanach Störungen (Doppler, ) Verwendete Hardware PXI-8105 Controller PXI-5671 RF-Vektorsignalgenerator Vorteile Sehr kostengünstiger Ansatz Universelle Hardware auch für andere Aufgaben nutzbar 37

34 AUDIO CONTROL Demo: Test von Radio- und TV-Empfängern Universal Radio Tester (URT) Komplette Generatorsoftware von Mindready, einem NI Alliance Partner Verwendet NI PXI-5671 RF Generator Abgedeckte Standards/Protokolle Public Radio Analog Standards AM/FM, Weather Band Multiplex Data over FM Radio Radio Data System (RDS, RDBS) Data Radio Channel (DARC) Public Radio Digital Standards Sirius, XM IBOC or HD-Radio from IBiquity DAB (Digital Audio Broadcast) Public Video Analog Standards NTSC PAL Navigation Standards GPS TMC over RDS VICS: Radio Wave beacon Vorteile Kostengünstig, da eine Hardware viele Protokolle abdeckt Sirius/XM/DAB/IBOC AM/FM/RDS/TMC/VICS/DRM ATSC, DVB, ISDB NTSC/PAL GPS CAN Line IN SNR, SINAD, THD Stereo Separation Audio Frequency Response Sensitivity RF AUDIO 38

35 Properitäre Kommunikationsprotokolle Standards sind nur dann notwendig, wenn Geräte unterschiedlicher Hersteller miteinander arbeiten müssen, wie bei GSM, WiFi usw. Viele günstige RF-Systeme nutzen keine Standards Fernbedienungen, Gebäudeautomatisierung, Oft werden Frequenzen aus dem ISM-Band genutzt Frequenzbänder freigegeben für Anwendungen in Industrial, Scientific and Medical Keine Zulassung notwendig, keine Gebühren Einige Beschränkungen bei der Leistung und/oder Einschaltdauer z. B. nur 10 % Einschaltdauer, um Störungen zu vermeiden Gängige Frequenzen sind: 13,54 MHz (Asien, Europa, US) 304 MHz und 315 MHz (Asien) 310 MHz (US) 433 MHz (Europa) 868 MHz (Europa) 39

36 Beispiel für einen ISM-Transmitter-Chip Auszug aus dem Datenblatt - 868/915 MHz FSK-Transmitter (Melexis TH72031) Frequency range from 850 MHz to 930 MHz FSK with modulation from DC to 40 kbit/s Wide power supply range from 1.95 V to 5.5 V Very low standby current High over-all frequency accuracy FSK deviation and center frequency independently adjustable Adjustable output power range from -11 dbm to +9 dbm - Anwendungen Drahtlose Zugangskontrolle Systeme zur Reifendrucküberwachung Dezentrales, schlüsselloses Zugangssystem Fernsteuerungen Alarm- und Sicherheitssysteme Garagentüröffner Allgemeine Digitaldatenübertragung Haus- und Gebäudeautomatisierung Telemetriesysteme mit niedriger Verlustleistung 40

37 Test von ISM-Sendern Typische Anforderungen Messen der Sendefrequenz (Trägerfrequenz) oft auf einige khz genau. Typ. Werte: 310, 315, 433, 868, 900 MHz, teilweise 2,7 GHz Messen der Sendeleistung (meist auf 1dB genau) Messen des Frequenzhubs bei FSK-Modulation bzw. Amplitudenhubs bei ASK Demodulieren des Signals, Zurückgewinnen der übertragenen Daten Testzeit soll kleiner 500 ms sein (Prüflinge sind oft kostengünstige Geräte, weshalb die Testzeit kurz sein muss!) Prüfling in unserem Beispiel Funkschlüssel für KFZ Sendefrequenz: 433 MHz Modulation: ASK 41

38 RF-Vektoranalysator Technische Daten Frequenzbereich: 9 khz bis 2,7 GHz Bandbreite: 20 MHz Digitalisierung: 14 Bit, 100 MHz SFDR: bis zu 80 db Frequenzstabilität: 50 ppb Trigger-Modi: Digital, Software, IQ-Power-Level Speichertiefe: 64 oder 256 MB Kontinuierliches Erfassen von Signalen (Streaming) mit bis zu 20 MHz Bandbreite / 100 MB/s PXI-5661 besteht aus PXI-5142 und PXI-5600 Anwendungsgebiete In automatischen Fertigungstestsystemen Kontinuierliches Erfassen von RF-Signalen/Spektrumanalyse 42

39 Erfassen eines RF-Signals Treiber-Bibliothek für RF-Analysator bietet mehrere Optionen Express-VI für LabVIEW Sehr einfacher Ansatz, interaktiv Gut für schnelle Tests, erste Schritte bzw. den Einstieg in die RF-Messtechnik Zum Erfassen von modulierten Daten (IQ-Daten) und Spektrum Nachteile: Nicht während der Laufzeit eines Programms parametrierbar, nicht auf Performance optimiert Programmierung mit der API für LabVIEW, LabWindows/CVI, C/C++, Zugriff auf alle Parameter des Analysators aus dem Programm heraus Hohe Performance durch die Möglichkeit, optimiert zu programmieren Auch für LabVIEW Real-Time 43

40 Express-VI zur Erfassung von RF-Spektren Einfache, interaktive Konfiguration einer Spektrumerfassung In LabVIEW-Code umwandelbar Wichtige Parameter Center Frequency Reference level Span Resolution Bandwidth (RBW) (Frequenzauflösung) 44

41 Demo: Peak find & Frequenzmessung Erfassen mit einem Express-VI oder mit Funktionen des NI-RFSA-Treibers Peak find ist im Spectrum Measurements Toolkit enthalten Automatische Skalierung Einstellbarer Schwellwert Finden des höchsten oder aller Peaks 46

42 Express-VI zur Erfassung modulierter Signale Einfache, interaktive Konfiguration einer Erfassung modulierter Signale (IQ-Daten) In LabVIEW-Code umwandelbar Wichtige Parameter Carrier Frequency Reference level IQ-Rate (Abtastrate; Bandbreite = 0,8 * IQ-Rate) IQ-Samples Anzahl der Abtastpunkte Trigger IQ-Power Trigger Level 47

43 Leistungsspektrum, Sendeleistung & Frequenz Vorgehensweise IQ-Signal erfassen (Frequenz, Pegel, Trigger,..) Parameter für Leistungsspektrum errechnen Leistungsspektrum ermitteln Peaks finden Benötigte Softwarekomponenten Express-VI zur IQ-Erfassung Spectral Measurements Toolkit Performance Messzeit ~ ms Genauigkeiten Hz

44 Demodulieren des Signals Benötigte Parameter des Prüflings Trägerfrequenz Modulationsverfahren (ASK, FSK, ) Zusatzparameter wie Frequenzhub bei FSK Baudrate (Symbolrate) Kodierung (Manchester, Miller, ) Sync-Pattern Abgetastete Rohdaten Arbeitsschritte Erfassen des Signals (IQ-Signale) Resampling Demodulation Benötigte Software Modulation Toolkit Demodulierte Datenbits 49

45 Symbole, Symbolfrequenz und Bits Symbole Verschiedene Zustände die ein RF-Signal annehmen kann um Daten zu übertragen 2-FSK kann zwei Zustände annehmen und so ein Bit übertragen 4-ASK kann vier Zustände annehmen und damit gleichzeitig 2 Bit übertragen ASK-moduliertes Signal Symbolfrequenz Frequenz mit der sich die Symbole ändern 1/Symbolfrequenz = Symbol-Dauer Symbolfrequenz * Bits/Symbol = Baudrate Symbol-Dauer Resampling der Abtastrate auf ein Vielfaches der Symbolfrequenz Demodulation benötigt immer ein exakt ganzzahliges Verhältnis von Abtastpunkten zu Symbolfrequenz, beispielsweise 32 Abtastpunkte pro Symbol Da dies meist eine Abtastrate erfordert, die der RF-Analysator nicht bietet, wird das Signal einfach überabgetastet und dann auf den entsprechenden Wert resampled. Demoduliertes ASK-Signal Funktion zum Resampling 50

46 Demodulation im Detail Resampling Demodulation benötigt immer ein exakt ganzzahliges Verhältnis von Abtastpunkten zu Symbolfrequenz Erzeugen der Filterparameter Vor dem Senden werden die Bits durch einen Puls-Formungs-Filter geschickt, der vom Empfänger (hier das Messgerät) bei der Demodulation berücksichtigt werden muss Typische Filter sind: Gauß, Raised-Cosine, Root-Raised-Cosine, Manchmal wird auch kein Filter vor dem Senden verwendet Erzeugen der Systemparameter Symboltabelle: Die in der Übertragung möglichen Symbole und die Zuordnung der Bits Beispiel Demodulation Amplitude > 90 % bedeutet TRUE Amplitude < 10 % bedeutet FALSE Eingehende IQ-Datenpunkte der Erfassung werden in Bits umgewandelt LabVIEW unterstützt viele Verfahren: ASK, FSK, PSK, MSK, GMSK, CPK, QAM, OFDM, 51

47 Demo: Erfassen & Demodulieren eines Signals 1. Erfassen der Daten mit dem Analysator PXI-5661 und Express-VI 2. Berechnen der System- und Filter-Parameter 3. Resampling der Daten 4. 2-ASK-Demodulation 1. Tipp: Baudrate (Symbolrate) des Funkschlüssels muss sehr exakt angegeben werden Blockdiagramm zur ASK-Demodulation eines Funkschlüssel-Signals 52

48 Finden von Pattern im Signal Ein Funkschlüssel nutzt meist eine Run-In-Sequence um den Empfänger aufzuwecken Ein Sync-Pattern oder Sync-Word markiert den Beginn des übertragenen Kommandos Möglichkeiten in LabVIEW 1. Sync-Pattern in digitalen Daten suchen (mit Funktionen der Digital Waveform-Funktionen in LabVIEW) 2. Sync-Pattern während der Demodulation finden (mit Funktionen des LabVIEW-Modulation Toolkits) Run-In-Sequence Sync-Pattern und Beginn der Nutzdaten 53

49 Sync-Pattern in digitalen Daten suchen Umwandeln der Datentypen von I16-Array in Digital Waveform Anzeige von Daten und Sync-Position im Digital-Graf Zusätzlicher Code um ein Sync-Pattern in den demodulierten Daten zu suchen 54

50 Kodierverfahren Oft werden Daten nicht als absoluter Wert (z. B. bestimmte Amplitude), sondern durch eine Änderung übertragen Beispiele: Änderung der Amplitude (bei ASK) von HIGH nach LOW überträgt ein 0 -Bit; LOW nach HIGH stellt ein 1 -Bit dar Ändert sich die Frequenz bei FSK in einem Zeitintervall, stellt das eine 1 dar, keine Änderung stellt eine 0 dar Übliche Verfahren sind Manchester, Miller FM0, Biphase PWM Gründe Zur Erleichterung der Synchronisierung und Demodulation im Empfänger Takt-Rückgewinnung Vermeiden von Fehlern durch Amplitudenschwankung vor allem bei bei ASK-Modulation 55

51 Kodierverfahren im Vergleich Übertragene Daten: NRZ Die drei 1-Pegel lassen sich nicht unterscheiden. Signal hat außerdem einen DC-Anteil. FM0 / Biphase Manchester Sendesignal hat eine Flanke am Start eines bits. Bei zusätzlicher Flanke in der Mitte des Bits wird eine 1 übertragen, sonst 0 Übergang LOW zu HIGH = 0 Übergang HIGH zu LOW = 1 Genutzt z. B. in IEEE PWM Zum Beispiel Kurze Pause = 0 Lange Pause = 1 Symbole 1 und 0 haben nicht die gleiche Länge 56

52 Manchester-Kodierung mit LabVIEW Jedes Eingangsbit wird durch zwei Bits ersetzt Ersetzen von TRUE durch FALSE und TRUE Ersetzen von FALSE durch TRUE und FALSE Manchester-Kodierung verdoppelt die Anzahl der Bits Manchester-Kodierung halbiert den Datendurchsatz 58

53 Manchester-Dekodierung mit LabVIEW Jeweils zwei Eingangsbits werden durch ein Bit ersetzt Die Bitfolge 10 repräsentiert das übertragene Bit 0 Die Bitfolge 01 repräsentiert eine 1 Evtl. Fehlerüberprüfung falls 11 und 00 vorkommen, denn dies sind keine gültigen Bitfolgen 59

54 Protokoll Zerlegen der gewonnenen Bits und umwandeln in entspr. Datentypen, z. B. Zahlen, Text,... Aufbau des X10-Protokolls Zerlegen und Umwandeln von Bits Tipp: Mikrocontroller nutzen intern verschiedene Formate zur Darstellung von Zahlen. Es gibt das INTEL und das Motorola-Format, die sich durch umgekehrte Reihenfolge der Bits auszeichnen (Big/Little-Endian) 60

55 Komplettes Blockdiagramm der RF-Tests Funktionen Signal erfassen Demodulation Spektrum Frequenz Leistung 61

56 Komplettes Beispiel für Funkschlüssel-Test Vorteile dieser Lösung Hohe Geschwindigkeit für kurze Taktzeiten in der Fertigung Flexibilität: Leicht auf andere Protokolle und Modulationsarten anpassbar Leicht zu programmieren durch LabVIEW, Toolkits und interaktive Funktionen 62

57 Generieren von RF-Signalen Daten modulieren und eventuell Impairments (Störungen) zum Signal hinzufügen mit Funktionen des Modulation Toolkit Skripte können verwendet werden, um die Ausgabe zu steuern Protokolle von NI und Partnern Rundfunk: AM/FM, RDS, RDBS, VICS, TMC, DAB, Sirius, XM, HD-Radio (iboc), DVB-T Navigation : GPS Sonstiges: RFID, TPMS Kommando entsprechend eines Protokolls erstellen Modulation (hier ASK) Daten in Generator laden und diesen starten 63

58 PXIe-5672: 2,7 GHz Vektorsignalgenerator Technische Daten Frequenzbereich: 250 khz bis 2,7 GHz Bandbreite: 20 MHz Ausgangspegel: -145 bis +10 dbm Modulationsverfahren: analog & digital (ASK, FSK, QAM, ) Kontinuierliches Erzeugen von RF-Signalen (Streaming) Digitale Abwärtswandlung für schnellere Datenübertragung Speichertiefe: 32, 256, oder 512 MB Scripting für automatische Abläufe im Generator PXI-5671 besteht aus PXI-5441 und PXI-5610 Anwendungsgebiete: Erzeugen von Testsignalen im Fertigungstest von RF-Geräten Ausgeben von künstlichen Rundfunksignalen wie DAB, DVB-T, FM/RDS 64

59 Demo: Test eines ISM-Funkempfängers Beispiel für das Erzeugen eines einfachen, ASK-modulierten Funksignals zum Testen eines Empfängers Verwendet Scripting zum schnellen Wechsel der Signalformen Ähnliche Anwendungen KFZ-Funkschlüssel-Empfänger Hausautomatisierung/Alarmanlagen Spielwaren Vorteile Flexibel, unterstützt durch LabVIEW beliebige Protokolle und Modulationsverfahren Sehr schnell durch OSP und Scripting Gut geeignet für Fertigungstest A15 OFF 65

60 Demo: Test eines RFID TAGs Erzeugen eines ASK-modulierten Signals für Kommunikation mit RFID-TAG Trägerfrequenz: 868 MHz Verfaren Class1 Generation2 RFID Ähnliche Anwendungen KFZ-Funkschlüssel-Empfänger Hausautomatisierung/Alarmanlagen Spielwaren Vorteile Flexibel, unterstützt durch LabVIEW beliebige Protokolle und Modulation Sehr schnell durch OSP und Scripting Einbringen von Fehlern möglich Software -Modulation -Protocol -Signal analysis Signalgenerator Signalanalyzer 66

61 Demo: Aufzeichnen & Wiedergeben von RF- Spektren RF-Streaming Aufzeichnen von RF-Signalen mit 20 MHz Bandbreite für bis zu 8 Stunden Testen von Autoradios, Spektrumüberwachung etc. Verwendete Hardware Vorteile PXI-Express Chassis & Controller 2,7 GHz RF-Vektorsignalanalysator (PXI-5661) 2,7 GHz RF-Vektorsignalgenerator (PXI-5671) NI 8262 Interface und HDD-8264, 3 TB Speichertiefe, 600 MB/s Durchsatz oder HDD-8263, 1 TB Speicher, 200 MB/s Durchsatz Kostengünstig Lange Aufzeichnungszeit, hohe Bandbreite 67

62 Reaktionen in Echtzeit? Was ist zu tun, wenn der Prüfling eine schnelle Reaktion (<100 ms) auf seine gesendeten Daten erwartet? Beispiel 1. Kommando Two-Way Remote Controls (~10ms) Tester 2. Antwort Prüfling RFID (~50 500µs) 3. Response Viele Kommunikationssysteme erwarten Antworten in sehr kurzer Zeit (Zeit zwischen 2. und 3. in <100 ms) Lösung: Verlagern von Modulation & Protokoll in einen FPGA z. B. auf die NI PCI-5640R, eine Hardware für software-defined radio -Applikationen (SDR) 68

63 PCI-5640R (IF-Transceiver) Mit LabVIEW programmierbare Signalverarbeitung in einem FPGA Kanäle 2 Eingänge, 100 MS/s, 14 Bit mit Digital Downconversion 2 Ausgänge, 200 MS/s, 14 Bit mit Digital Upconversion Analogbandbreite: 250 khz bis 80 MHz Eingangsimpedanz: 50 Ohm (AC-coupled) Direct Memory Access (DMA) zum schnellen Erfassen von Daten (Streaming) Mit Auf- und Abwärtswandlern kombinierbar für höhere Frequenzen 69

64 Trainingskurse für RF RF Measurement Fundamentals Dauer: 3 Tage Zielgruppe: Neueinsteiger in RF-Messtechnik Themen: Typische Messaufgaben wie Leistung, Verstärkung, Compression, Harmonics, Modulations-Grundlagen, BER, MER, EVM RF Application Development Dauer: 2 Tage Zielgruppe: Testingenieure, Entwickler die RF Messtechnik nutzen Themen Hardwareauswahl Onboard Signal Processing auf NI-RF-Geräten Entwickeln von robusten RF-Testsystemen 70

65 Vorteile softwaredefinierter Messgeräte Flexibel Viele existierende Lösungen für Standardapplikationen von NI Alliance Partnern Einfache Implementierung von speziellen Protokollen mit LabVIEW und Toolkits Testsystem ist leicht an neue Modulationsverfahren und Kodierungen anpassbar Schnell Entwicklung von Testalgorithmen in LabVIEW ist einfach PXI Express, schnelle Prozessoren und FPGA-Technologie ermöglichen kurze Testzeiten PXI Plattform ist hervorragend geeignet für den Einsatz in der Fertigung und in Systemen zur Signalüberwachung und Analyse (Spectrum-Monitoring) Zukunftssicher Offener Standard, viele Hersteller Basiert auf Industriestandards 71