Suy nghĩ vượt ra ngoài hộp – Một hướng tiếp cận định nghĩa bằng phần mềm cho việc Kiểm tra tần số Rađiô (RF Test) 

Câu trả lời theo lối kĩ sư truyền thống cho việc kiểm tra một chuẩn không dây mới thường là lựa chọn một hộp công cụ (box instrument) với các đặc điểm kĩ thuật gần nhất.
Đối với các hệ thống kiểm tra tự động với nhiều yêu cầu kiểm tra, hướng tiếp cận này thường cho kết quả là mỗi hộp khác nhau cho mỗi yêu cầu phép đo trong hệ thống. Khi các yêu cầu kiểm tra là đồng dạng và không thay đổi, phương pháp này có thể là đủ, nhưng nó trở nên cồng kềnh, chậm chạp và cực kì đắt tiền khi kiểm tra các thiết bị RF phức tạp ngày nay mà thường sử dụng nhiều chuẩn không dây. Một hướng tiếp cận định nghĩa bằng phần mềm là lí tưởng cho việc kiểm tra RF tự động, phê chuẩn, và kiểm tra sản xuất, trong khi các hộp công cụ RF truyền thống tiếp tục giữ vai trò quan trọng trên bàn thiết kế.

Bên trong Công cụ
Các kĩ sư ngày nay phải suy nghĩ vượt ra ngoài hộp cho các nhu cầu kiểm tra RF của họ. Tuy nhiên, để suy nghĩ vượt ra ngoài hộp, trước hết họ phải biết có cái gì bên trong một hộp công cụ RF điển hình. Bên trong mỗi hộp kín bao bọc bởi các tấm kim loại và nhựa với thể tích khoảng 38,000 centimet khối là các thành phần định nghĩa bởi nhà cung cấp (vendor-defined) tạo nên một hộp công cụ RF; điển hình là một nguồn điện, bộ xử lí, bo mạch chủ (PC motherboard) hoặc bảng nối đa năng (backplane), hệ điều hành nhúng, các thư viện phép đo, và một phần mềm hiển thị. Nét quyến rũ truyền thống của một hộp công cụ là sự kết hợp những thành phần tương ứng này áp dụng vào một tập cụ thể các yêu cầu phép đo.
Hướng tiếp cận này có hiệu quả khi kiểm tra các thiết bị RF với các yêu cầu kiểm tra thông thường. Tuy nhiên trong những năm gần đây, hiệu suất của hộp công cụ trong các kiểm tra RF tự động đã giảm đáng kể giữa những thay đổi không ngừng trong tính năng của các thiết bị không dây. Khối lượng sản xuất của các thiết bị không dây cũng vượt quá lưu lượng kiểm tra điển hình của các hộp công cụ RF truyền thống do sự chậm chạp của các bộ xử lí và bus dữ liệu thường cũ hơn nhiều thế hệ so với công nghệ PC hiện thời. Một sự hiểu biết rõ ràng về bản chất công cụ RF truyền thống và những thử thách khi làm việc với chức năng đo cố định và xử lí nhập xuất gần tối ưu giúp cho các kĩ sư suy nghĩ vượt ra ngoài hộp cho các nhu cầu phép đo RF tự động của họ.

Hướng tiếp cận định nghĩa bằng phần mềm (software-defined)
Sự chuyển tiếp sang công cụ định nghĩa bằng phần mềm cho tất cả các loại hệ thống phép đo tự động, bao gồm RF, đang phát triển mau lẹ với sự triển khai ước chừng khoảng 100,000 hệ thống theo công nghệ PXI vào cuối năm 2009, trong đó có hơn 600,000 mô-đun công cụ định nghĩa bằng phần mềm. Phần mềm mở định nghĩa bởi người dùng và phần cứng theo mô-đun dựa trên máy PC là lí tưởng cho các ứng dụng kiểm tra RF tự động bởi vì chúng cung cấp các bộ xử lí và bus dữ liệu có hiệu năng cao nhất, thiết bị nhập xuất ngoại vi linh hoạt, thiết kế theo mô-đun gọn chặt, phân phối và giám sát điện năng khéo léo, và định giờ và đồng bộ hóa chính xác xuyên suốt cả hệ thống.
Nói cách khác, hướng tiếp cận định nghĩa bằng phần mềm cho việc kiểm tra RF tự động sử dụng các loại thành phần tương tự như một hộp công cụ RF truyền thống nhưng áp dụng chúng theo cấu trúc mô-đun định nghĩa bởi người dùng. Điều này đem lại cho các kĩ sư các thành phần có hiệu năng cao nhất, thiết bị nhập xuất và phân tích lập trình được bởi người dùng, và một yếu tố hình thức gọn chặt với độ tin cậy được chứng minh trong môi trường kiểm tra RF đòi hỏi khắt khe nhất. Phần thưởng cuối cùng cho các kĩ sư suy nghĩ vượt ra ngoài hộp là một giải pháp kiểm tra RF nhanh hơn, linh hoạt hơn, và độ chính xác tương đương – tất cả chỉ với một chi phí nhỏ cho việc sắp các hộp RF truyền thống vào trong một hệ thống. Để hiểu biết sâu hơn về lợi ích của công cụ định nghĩa bằng phần mềm cho RF, hãy xem các ví dụ dưới đây mô tả làm cách nào tốc độ, độ linh hoạt, và độ chính xác của hướng tiếp cận này được cải thiện đáng kể để đáp ứng các nhu cầu kiểm tra RF ngày nay.

Tốc độ phép đo – WLAN
Một trong những lợi ích chính của các hệ thống phép đo PXI định nghĩa bằng phần mềm là thực hiện phép đo nhanh hơn nhiều lần đáng kể so với các công cụ RF truyền thống. Trong khi lợi thế này được nhân lên khi kiểm tra nhiều chuẩn không dây, các kĩ sư cũng có thể đạt được sự tăng tốc đáng kể khi kiểm tra một chuẩn đơn lẻ như là mạng cục bộ không dây (WLAN).
Các phép đo WLAN như là độ lớn vec-tơ lỗi (EVM) và mặt nạ phổ (spectrum mask) đòi hỏi một lượng lớn xử lí tín hiệu. Sử dụng các CPU đa lõi trong các bộ điều khiển PXI, các kĩ sư có thể thực hiện các phép đo này nhanh hơn từ 5 đến 10 lần với công cụ RF định nghĩa bằng phần mềm như bộ phân tích tín hiệu vec-tơ RF NI PXIe-5663 6.6 GHz. Hơn nữa, các kĩ sư sử dụng các bộ công cụ NI WLAN cho LabVIEW có thể tự động nâng cấp hiệu năng phép đo mỗi lần một bộ điều khiển đa lõi PXI nhanh hơn được tung ra vì các thư viện kiểm tra được thiết kế để thực hiện qua nhiều lõi. Trong hình 1, quan sát sự so sánh giữa thời gian phép đo WLAN cho một EVM và đo công suất của một burst 54 Mbps trên các bộ phân tích tín hiệu RF khác nhau.
Các bộ xử lí đa lõi hiệu năng cao sử dụng trong các hệ thống phép đo PXI WLAN dựa trên phần mềm NI LabVIEW thực hiện hầu hết các phép đo IEEE 802.11a/b/g nhanh hơn từ 5 đến 10 lần so với các bộ phân tích tín hiệu vec-tơ truyền thống và các hộp công cụ WLAN chuyên dụng.

Công cụ linh hoạt – Rađiô phát sóng
Lợi ích thứ hai của công cụ định nghĩa bằng phần mềm là sự linh hoạt khi kiểm tra nhiều chuẩn không dây với phần cứng RF như nhau. Các thiết bị không dây ngày nay đòi hỏi phải đạt được ngày càng nhiều chuẩn. Chẳng hạn, điện thoại thông minh hiện đại thường hỗ trợ tối thiểu 6 chuẩn không dây như GSM/EDGE/WCDMA, Bluetooth, GPS, và ngay cả WLAN. Thêm vào đó, một số máy thu sóng rađiô hiện đại hỗ trợ hơn 10 chuẩn không dây bao gồm AM/FM, RDS/RDBS, Sirius, XM, DAB, IBOC, GPS, RDS-TMC, và ngay cả DARC. Vì vậy, có một yêu cầu rõ ràng trong việc kiểm tra không dây cho các công cụ đủ linh hoạt để đáp ứng các chuẩn không dây mới khi chúng xuất hiện.
Với công cụ định nghĩa bằng phần mềm, các kĩ sư có thể tạo ra bất kì tín hiệu sóng rađiô trong LabVIEW và tải nó về trong bộ nhớ của máy phát tín hiệu vec-tơ PXI RF cho việc kiểm tra phát sóng ngay lập tức. Chẳng hạn, các kĩ sư từ Averna, một liên minh đối tác chọn lọc của NI (Select National Instruments Alliance Partner), mang đến máy thử rađiô toàn cầu (universal radio tester – URT) theo công nghệ PXI để kiểm tra nhiều chuẩn rađiô sử dụng cùng một công cụ RF. Một hệ thống Averna URT điển hình được minh họa trong hình .

Hình. Một hệ thống Averna URT đơn có thể phát sóng và ghi và phát lại tín hiệu RF của nhiều chuẩn phát sóng rađiô khác nhau..

Bên cạnh các chuẩn phát sóng rađiô, Averna URT có thể thực hiện ghi và phát lại tín hiệu RF. Công nghệ này tận dụng tốc độ dữ liệu cao của các bus dữ liệu PXI và việc lưu trữ và xử lí dữ liệu với hiệu năng cao của phần mềm LabVIEW. Bằng việc ghi lại tín hiệu RF và phát lại chúng trong phòng thí nghiệm, các kĩ sư có thể thông qua làm cách nào các máy thu, như là máy thu FM, DVB-T, hoặc GPS, hoạt động trong các môi trường triển khai sau cùng.

Công cụ chính xác – WiMAX
Lợi ích cuối cùng của công cụ RF định nghĩa bằng phần mềm đó là các kĩ sư có thể đạt được phép đo độ chính xác cao với chi phí thấp hơn các công cụ truyền thống. Với sự xuất hiện của các chuẩn không dây mới như WiMAX và Chương trình Đối tác thế hệ thứ 3 (3GPP) Phát triển dài hạn (LTE), nhiều thiết bị không dây phải đáp ứng được các yêu cầu hiệu năng RF khắt khe hơn trước đây. Chẳng hạn, yêu cầu EVM tối thiểu của máy phát 802.11a/g (WLAN) là -25 dB cho Điều chế biên độ cầu phương kiểu tín hiệu 54 Mbps, 64-QAM. Các chuẩn mới hơn như 3GPP LTE và WiMAX phải chịu những yêu cầu hiệu năng RF cao hơn. Ngược lại, yêu cầu EVM tối thiểu cho một thiết bị 802.16-2004 (WiMAX cố định) là -31 dB cho một kiểu tín hiệu 64-QAM tương tự, đòi hỏi hiệu năng RF tốt hơn.
Công cụ định nghĩa bằng phần mềm ngày nay giúp các kĩ sư đạt được hiệu năng phép đo RF cao nhất với chi phí thấp chưa từng có. Ba năm trước, một máy phát tín hiệu vec-tơ RF và máy phân tích thực hiện được phép đo EVM -45 dB cho WiMAX cố định và phép đo hệ số dò kênh lân cận (ACLR) 65 dBc cho WCDMA có chi phí hơn $100,000 USD từ bất kì nhà cung cấp nào. Tuy nhiên ngày nay, các kĩ sư có thể đạt được mức chính xác này với không tới $65,000 USD (bao gồm cả khung máy và bộ điều khiển) sử dụng các công cụ PXI mới như là bộ phân tích tín hiệu vec-tơ NI PXIe-5663 6.6 GHz RF và máy phát tín hiệu vec-tơ RF NI PXIe-5673. Cả hai công cụ sử dụng bộ chuyển đổi tương tự – số và số – tương tự 16-bit mới nhất và một bộ tổng hợp tiếng ồn thấp (-110 dBc/Hz ở 1 GHz) qua các băng thông rộng tức thời (50 MHz và 100 MHz tương ứng) để đạt được các phép đo chính xác với chi phí thấp.
Lấy ví dụ, xem xét hiệu năng EVM thặng dư của NI PXIe-5663 và PXIe-5673 cho một tín hiệu WiMAX cố định 3.5 GHz. Đồ thị này đem lại một sự biểu thị trực quan về độ chính xác điều biến, với các chấm nhỏ hơn cho biết hiệu năng RF tốt hơn. EVM ghi lại trong hình 3 là -46 dB (0.5%), một kết quả nhiều hơn 15 dB so với yêu cầu hiệu năng tối thiểu của các thiết bị WiMAX cố định.

Với các yêu cầu ngày càng tăng về tốc độ phép đo, độ linh hoạt, và độ chính xác, các kĩ sư phải tiếp tục suy nghĩ vượt ra ngoài hộp cho các giải pháp kiểm tra RF đổi mới. May mắn thay, công cụ theo mô-đun định nghĩa bằng phần mềm đem lại cho các kĩ sư các công cụ mới để kiểm tra ngày càng nhiều chuẩn không dây.
– Richard McDonell
Richard McDonell là nhà quản lí đội ngũ cao cấp về PXI và VXI tại National Instruments. Ông giữ bằng tiến sĩ ngành kĩ thuật điện từ trường đại học Texas A&M.
– David Hall
David Hall là nhà quản lí sản phẩm RF và phần cứng và phần mềm giao tiếp không dây tại National Instruments. Ông giữ bằng tiến sĩ ngành kĩ thuật máy tính từ trường đại học Penn State.