Verarbeitung auf FPGA
Die Vorteile der Verarbeitung auf Field-Programmable Gate Arrays gehen über Spektrummessungen hinaus. So lassen sich Tests noch schneller und flexibler gestalten, wenn eine Vielzahl weiterer Tests und Algorithmen auf dem FPGA implementiert wird. Durch Implementierung von Messungen an Mobiltelefonen im LabVIEW-FPGA-Modul sind wichtige Vorteile von LabVIEW und PXI, wie Parallelität und Peer-to-Peer-Streaming, auch für schnellere, zuverlässigere und flexiblere Testarchitekturen nutzbar.
Moderne Spektrumanalysatoren setzen Messungen der Nachbarkanalstörung mittels schneller Fourier-Transformation (FFT) um. Sie galt lange als die schnellste Methode für die Umwandlung von Daten aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich. Jedoch kann eine softwarebasierte FFT-Berechnung selbst mit effizientesten Implementierungen einen großen Teil der Zeit für Messungen beanspruchen. Zur Verbesserung der RF-Leistung und Erhöhung der Wiederholbarkeit dieser anspruchsvollen Frequenzbereichsmessungen mitteln RF-Prüfingenieure häufig mehrere Messungen.
Host-gestützte Implementierung
Spektrumanalysatoren haben sich seit ihren Anfängen als reine analoge Wobbelgeneratoren stark gewandelt. Sie verfügen inzwischen über vektorielle Analysefunktionen, Oszillatoren, die eine schnelle Frequenzänderung zulassen, leistungsstarke A/D-Wandler und digitale Busse mit hoher Bandbreite wie PXI Express zur Datenübertragung. Dank dieser Funktionen sind schnellere Messungen möglich und zudem kann der Anwender die schnellsten Mikroprozessoren – auch Multicores – nutzen, mit denen sich Messungen in Software implementieren lassen. Dieser Ansatz, der als Konzept der virtuellen Instrumentierung bekannt ist, wurde zum Standard für die leistungsfähigsten automatisierten Testsysteme.
FPGA-basierte Implementierung
Um die Leistungsfähigkeit weiter zu erhöhen, stellen FPGAs eine Rechenleistung zur Verfügung, die Echtzeitmessungen erlaubt. Dabei handelt es sich um die Messungen, die sogar schneller erfolgen als die Erfassung der Daten. NI-FlexRIO-Module verfügen über leistungsstarke FPGAs der Virtex-Serie von Xilinx, die mithilfe der Systemdesignsoftware NI LabVIEW programmiert werden können. Des Weiteren erlauben sie eine Datenübertragung über PXI Express, wozu die Peer-to-Peer-Streaming-Technologie mit Geschwindigkeiten von bis zu 800 MByte/s genutzt wird. Werden sie mit modularen Messgeräten von NI, wie dem Vektorsignalanalysator NI PXIe-5665 mit 14 GHz gekoppelt, lassen sich Echtzeitbandbreiten bis zu 50 MHz kontinuierlich an ein NI-FlexRIO-Modul zur Verarbeitung übertragen.
Wenn ein Messalgorithmus auf einen FPGA übertragen wird, kann das beste Preis-Leistungs-Verhältnis dann erzielt werden, wenn das Hauptaugenmerk auf Berechnungen gelegt wird, die am besten für die FPGA-Beschleunigung geeignet sind. Bei der Nachbarkanalstörung gehören in dem Zusammenhang die schnelle Fourier-Transformation und die laufende Summe dazu.
Bild 1 zeigt den LabVIEW-FPGA-Programmcode mit den wichtigsten Berechnungen für eine Messung der Nachbarkanalstörung (ACLR, Adjacent Channel Leakage Ratio). Die Daten des Vektorsignalanalysators gelangen von einem FIFO-Puffer mit Peer-to-Peer-Verbindung zum FPGA. Der Puffer wird vom Host aus konfiguriert. Da eine Messung der Nachbarkanalstörung gemäß WCDMA-Verfahren (Wideband Code Division Multiple Access) keine besondere Triggerung erfordert, können sofort aufeinanderfolgende Zeitbereichsfenster eingesetzt werden, um eine Verfälschung des Frequenzspektrums bei den nachfolgenden schnellen Fourier-Transformationen einzuschränken.
Nach der schnellen Fourier-Transformation wird eine laufende Summe des Betrags jeder Spektrallinie aufrechterhalten. Sobald die festgelegte Anzahl an Häufungen ermittelt wurde, kann ein Speicherdirektzugriff (DMA) zur Übertragung der erhaltenen Daten an den Host für die Normalisierung (Division durch die Anzahl der Summen), die Leistungsberechnung in jedem Band, die Umwandlung in dB und die entsprechenden Berechnungen der Nachbarkanalstörung genutzt werden.
Unnötige Host-Datenübertragungen unterbinden
Bild 2 zeigt dieselbe Messung der Nachbarkanalstörung auf einem Host-PC und einem FPGA. Für diese Bezugswerte werden ein Fenster mit einer Länge von 4096, eine schnelle Fourier-Transformation und ein Intervall für die Akkumulation herangezogen, um eine Auflösungsbandbreite von unter 10 kHz mit einer Analysebandbreite von 25 MHz zu erzielen. Die Host-gestützte Implementierung setzt mehrere leistungsstarke CPU-Kerne und den Datenbus PXI Express mit hoher Bandbreite ein. Die FPGA-Implementierung dagegen reduziert die Zeit für Messungen noch weiter, indem sie dedizierte Echtzeitverarbeitung nutzt und unnötige Host-Datenübertragungen unterbindet. Hinzu kommt, dass der FIFO-Puffer nur einmal konfiguriert wird. Die Anzahl der Mittelwerte ist dabei nicht von Belang. So bezieht sich die Zeit für die Messung auf die benötigte Zeit für die Erfassung der RF-Daten.
Damit eine optimale Wiederholbarkeit erzielt wird, führen Prüfingenieure oft eine größere Anzahl an Mittelungen durch. So liefern beispielsweise 100 Mittelwerte eine Standardabweichung von 0,069 dBc. Mit zunehmender Anzahl an Mittelwerten nimmt auch die Verarbeitungslast für den Host-FPGA zu.
Raajit Lall
Ryan Verret
(ah)
