Modules Instruments au format PXI pour test RF

Instrumentation modulaire : comment le PXI s’est fait une place dans le domaine du test RF



  • Depuis 1997, l’offre en instrumentation au format PXI s’est considérablement développée.
  • Il existe aujourd’hui sur le marché des produits visant même un domaine où ce standard n’était pas attendu lors de sa création : la mesure et le test radiofréquences (RF).
  • Aeroflex (racheté en 2014 par Cobahm) et National Instruments en ont été les pionniers.
  • Ils ont été rejoints fin 2010 sur ce créneau par Agilent rebaptisé depuis Keysight.
  • Le lancement par le numéro un mondial de l’instrumentation électronique de modules PXI pour le test RF a définitivement crédibilisé l’alliance PXI-RF.

 
Le format de cartes PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) est né en 1997. A l’époque, il était difficile d’imaginer que la surface relativement faible de ces cartes au format 3U (100x160 mm) puisse être suffisante pour concevoir des instruments de tests de signaux radiofréquences (RF). Mais c’était sans compter sur les progrès de l’électronique qui n’a eu de cesse de se perfectionner et de se miniaturiser pour satisfaire les besoins de portabilité dans le domaine des la communication sans fil.
 
Les circuits RF intègrent de plus en plus de fonctions qui consomment de moins en moins d’énergie. Ces perfectionnements ont rendu possible la réalisation d’instrument RF au format PXI. Aeroflex a été l’une des premières à croire au PXI en lançant dès 2003 une gamme de modules autorisant la réalisation de test RF jusqu’à 3 GHz (Aeroflex a été acheté en 2014 par Cobham Wireless qui a noué en février 2015 avec National Instruments un partenariat mondial autour des systèmes d’instrumentation PXI).
 
National Instruments le concepteur du PXI, l’avait précédé d’un an en lançant des solutions de test RF jusqu’à 2,7 GHz. Mais le lancement d’Aeroflex était d’autant plus remarquable qu’il émanait d’une société spécialisée dans l’instrumentation RF traditionnelle. Ce qui crédibilisait définitivement l’alliance PXI-RF. Ce crédit a été considérablement renforcé fin septembre 2010, par l’annonce du lancement par le numéro un mondial de l’instrumentation électronique Agilent de près de 50 références au format PXI parmi lesquelles figure une solution d’analyse de signaux vectoriels jusqu’à 26,5 GHz (En 2014, l’activité des deux grandes divisions d’Agilent deviennent deux entreprises indépendantes : Agilent pour l’instrumentation dédiée aux sciences de la vie et Keysight pour le test et la mesure électroniques).
 
Le constructeur américain a pourtant résisté longtemps aux sirènes du PXI préférant promouvoir le standard LXI (Lan eXtension for Instrumentation) dont il était le co-inventeur et qui s’appuie sur Ethernet pour assurer le contrôle d’un instrument par un PC. Mais face à la demande accrue de l’industrie en instrumentation modulaire, il a finalement franchi le pas afin que son savoir faire technologique soit disponible pour ses clients quel que soit le facteur de forme qu’ils privilégient : portable, modulaire ou de table.
 
L’offre d’instruments PXI pour les tests RF s’élargit
Mais National Instruments n’a pas attendu que le leader du marché se lance sur le sentier du PXI pour étoffer sa gamme dans le domaine RF. Il a élargi son catalogue en 2008 avec des générateurs et analyseurs de signaux jusqu’à 6,6 GHz. Mais surtout, en août 2010, il a annoncé le premier analyseur de réseaux vectoriels au format PXI : le modèle NI PXIe-5630, muni deux ports de 6 GHz et qui occupe deux emplacements. Il possède aujourd’hui à son catalogue des analyseur de signaux vectoriels et analyseur de spectre jusqu’à 26,5 GHz.
 
En juillet 2016, National Instruments lance la seconde génération du transcepteur de signaux. Cet instrument intègre dans le même module PXI des capacités de génération et d’analyse de signaux vectoriels conjuguées à une personnalisation des tests via un FPGA embarqué. Le nouveau module PXIe-5840 est désormais équipé d’un FPGA Xilinx Virtex-7. Il étend sa bande d’analyse instantanée à 1 GHz et occupe seulement deux emplacements dans un châssis PXI. Sa bande de fréquences démarre à 9kHz et monte jusqu’à 6,5 GHz.
 
Châssis PXI avec modules NI VST PXIe-5840

Le module VST PXIe-5840 de National Instruments n’occupe plus que deux emplacements contre trois pour la version précédente. Ce qui permet notamment de tester des configurations 8×8 MIMO dans un seul châssis PXI de 18 emplacements.

 
Keysight Technologies a également renforcé son offre PXI en février 2017 avec dix instruments PXIe, comprenant un générateur de formes d’ondes arbitraires (Arbitrary Waveform Generator, AWG) doté de trois canaux synchronisés pour la prise en charge de formes d’onde IQ et le suivi d’enveloppes, ainsi qu’un oscilloscope au formant PXIe. L’AWG et les oscilloscopes se distinguent par leur bande passante allant jusqu’à 1 GHz pour assurer la génération et l’analyse de signaux IQ en bande de base pour l’évaluation des technologies large bande émergentes des domaines de la téléphonie mobile au standard 5G, de l’aérospatiale et de la Défense.
 
En juin 2017, Keysight Technologies a aussi présenté une solution évolutive pour la génération de signaux dans le domaines des micro-ondes. Cette solution modulaire propose un choix de modules PXIe afin d’adapter le générateur de signaux aux exigences de l’application de test. Elle couvre selon les options une gamme de fréquences jusqu’à 44 GHz et affiche une bande passante de modulation allant jusqu’à 1 GHz.
 
Générateur de signaux M9383A jusqu'à 44GHz au format PXIe

La solution évolutive pour la génération de signaux dans le domaines des micro-ondes de Keysight Technologies propose un choix de modules PXIe couvrant selon les options une gamme de fréquences jusqu’à 44 GHz.

 
Ztec Instruments, racheté en octobre 2013 par son compatriote américain LitePoint, un autre spécialiste de l’instrumentation modulaire, dispose également d’une palette d’instrumentation RF au format PXI. Il propose par exemple l’analyseur de signaux vectoriels et de spectres LitePoint z8653 avec une bande de fréquences de 6 GHz et 1 GHz de bande d’analyse instantanée. Sa bande d’analyse spectral peut monter à 20 GHz avec le module d’abaissement en fréquences z8612 RF Déconcerter. LitePoint propose également un générateur de signal vectoriel z8751 combinant un générateur de forme d’onde arbitraire I / Q avec une source de signal RF pour générer des signaux vectoriels modulés jusqu’à 6 GHz avec une bande passante de modulation de 500 MHz et une résolution de 16 bits.
 
Pas de test RF sans commutation
Architecture PXI ou pas, la commutation est un élément essentiel à tout système de test électronique. Cependant, les modules de commutation montés dans le châssis PXI occupent souvent bien plus de place que les instruments eux-mêmes. Autre contrainte, la surface restreinte des modules PXI au format 3U (100x160 mm). Il y a un compromis à faire entre le nombre de relais que l’on peut placer sur la carte et le nombre de connecteurs disponibles en face-avant. De plus, dans le domaine radiofréquences, les cartes de commutation doivent être conçues pour faire face à des problématiques plus critiques qu’à des niveaux de fréquences inférieures : diaphonie, perte d’insertion, isolation entre voies, etc. La plupart des solutions de commutation RF au standard PXI couvrent des fréquences jusqu’à quelques gigahertz. Au-delà il faut passer à des solutions hyperfréquences (18 GHz et au-delà), plus volumineuses et bien plus coûteuses.
 
En complément d’une variété d’instruments PXI, la plupart des fournisseurs disposent à leur offre des multiplexeurs et commutateurs RF. Mais en matière de multiplexage de signaux, c’est certainement l’anglais Pickering Interfaces, fabricant de relais de commutation, qui disposent de l’offre la plus complète. Celle-ci comprend notamment des multiplexeurs micro-ondes PXI (40-784A) spécifiés pour des fréquences de 6 GHz, 18 GHz, 26,5 GHz, ou 40 GHz ou encore des commutateurs PXI de transfert micro-onde (40-782A) avec un choix de gammes de fréquences de 18 GHz, 26,5 GHz et 40 GHz. Le fabricant anglais a annoncé en août 2017, l’extension de sa gamme 40-785B de Multiplexeurs Hyper Fréquence avec de nouveaux modules allant jusqu’à des fréquences de 50 GHz.
 
Multiplexeur PXI de la gamme 40-785B de Pickering

Pickering Interfaces a complété sa gamme de multiplexeurs hyper fréquence avec les modules 40-785B allant jusqu’à 50 GHz.

 
Le format PXI procure flexibilité, évolutivité et compacité
Les doutes qui planaient il y a 20 ans sur la capacité du PXI à s’imposer dans le domaine RF fait donc partie du passé. L’appréhension de la part des utilisateurs à adopter une architecture modulaire pour des test RF a disparu. Lorsqu’il n’existait sur le marché qu’un seul fournisseur, il subsistait un doute sur la pérennité de la technologie PXI dans ce domaine. Mais aujourd’hui plusieurs constructeurs sont présents sur le marché ce qui est rassurant. Il aura donc fallu faire preuve de patience pour lever les dernières réticences. Dans le domaine des radiocommunications, les ingénieurs qui avait l’habitude d’employer des instruments de table sont donc de moins en moins nombreux à douter à la fiabilité des mesures RF en PXI.
 
Ceux qui ont franchit le pas du PXI bénéficient dans le domaine RF des atouts de toutes solutions modulaires standards : flexibilité, évolutivité, compacité, facilité de configuration et coût plus attractif que des appareils classiques. La réalisation d’un fréquencemètre, d’un analyseur de spectre, d’un puissancemètre ou encore un analyseur de modulation reposent sur des schémas blocs identiques qui s’appuient sur la même architecture matérielle. De plus, les modules RF pourront être associés dans le même châssis à un multimètre, un générateur, un oscilloscope et un système de commutation pour constituer un système de test intégré. Ils autorisent des traitements logiciels personnalisés alors que les instruments traditionnels ne fourniront le plus souvent que des données déjà traitées selon des fonctionnalités intégrées à l’appareil. C’est le logiciel associé qui traite le signal pour fournir la mesure recherchée. L’inconvénient est qu’il faut savoir construire son système de test modulaire. Il existe de nombreux outils logiciels qui facilitent les choses mais cela réclame toutefois un certain effort de développement. Ces efforts seront récompensés par l’évolutivité de l’architecture PXI. Il sera en effet possible de changer ultérieurement certains modules tels que l’oscillateur local ou le numériseur pour obtenir des meilleures performances si l’application l’exige.
 
Pourtant, bien que composée de plusieurs modules indépendants de différente largeur, une solution PXI de génération ou d’analyse de signaux RF est souvent présentée comme un dispositif homogène. Selon National Instruments, tous les éléments ainsi que le logiciel associé sont conçus pour fonctionner ensemble. Ils sont vus et pilotés par le logiciels comme s’il s’agissait d’une seul carte. Les spécifications de chaque carte sont cependant fournies au client et les spécifications de l’ensemble sont garanties par le constructeur. L’utilisateur peut faire le choix de concevoir son dispositif d’analyse de signaux RF à partir de briques de base de différents constructeurs.
 
Quelle que soit la solution retenue, l’oscillateur local est toujours au cœur du système. Il sera associé à un translateur de fréquence descendante ou montante (downconverter ou upconveter) et à un numériseur pour réaliser un dispositif d’analyse ou de génération de signaux RF. La chaîne de transposition de fréquences descendante abaisse la fréquence à une valeur à laquelle les informations transportées par le signal RF pourront être traitées par l’instrument. Cette opération induit des erreurs et ses performances dépendent des choix techniques des fabricants dans la conception de l’ensemble et de chacune des cartes. Ce qui différencie les produits, c’est leur capacité à discriminer les mesures et à ne pas polluer le signal. Selon leurs spécifications, ils n’effectueront pas les mêmes mesures. Leur choix dépend de ce que l’on souhaite analyser : bruit de phase, dynamique d’entrée, caractéristiques de filtrages, etc. On peut faire l’analogie avec un CD audio. Sa lecture par un appareil portable ou par une chaîne Hi-Fi haut de gamme ne délivrera pas le même résultat. La transposition en fréquences entraîne donc une altération du signal dont il faut préserver l’intégrité lors de cette opération pour assurer une mesure de qualité. De plus pour les protéger de l’environnement extérieur et pour ne pas qu’elles s’auto-perturbent les cartes sont blindées.
 
Traitements numériques embarqués
Bien que les principes de base soient similaires, selon la gamme de fréquences, la bande passante d’analyse, le niveau de bruit ou encore la dynamique recherchés, les constructeurs ne font donc pas les mêmes choix techniques pour la réalisation de leur solution PXI de test RF car ils ne visent pas forcément les mêmes objectifs et les mêmes marchés. L’essentiel de l’offre couvre des fréquences de 6 à 9 GHz. Rien d’étonnant à cela puisque c’est à ces fréquences qu’opèrent principalement les applications de radiocommunications : l’internet sans fil (Wi-Fi notamment), la téléphonie mobile (GSM, CDMA ou encore LTE le GSM de 4ème génération), les communications sans fil (Zig-Bee, BlueTooth, WirelessHart, etc.), la géolocalisation (GPS)… Au-delà de ces fréquences, la demande principale émane du domaine de la défense et de l’aérospatiale : surveillance électronique, radar, contre-mesures, satellites…
 
Mais le développement des radars automobiles, des technologies de téléphonie mobile de prochaine génération (5G) ou de la communication sans fil haut débit selon le prochain standard Wi-Fi, exigent l’exploitation de fréquences pouvant atteindre quelques dizaines de GHz. On l’a vu, les constructeurs se sont déjà positionnés sur ce créneau avec une offre proposant des fréquences de quelques dizaines de gigahertz adaptées à ces applications. On peut aussi noté la présence sur ce marché d’un acteur discret. Phase Matrix, racheté en mai 2011 par National Instruments, propose divers modules PXI essentiels à la réalisation d’un système de test PXI tel le présélecteur de fréquence PXI-1410. Ce module PXI 3U à 3 emplacements assure le conditionnement et le routage de signal pour réalisé un convertisseur de fréquences descendantes (downconveter) jusqu’à 26,5 GHz.
 
Module de présélection PXI-1410 de Phase Matrix

Le modèle PXI-1410 de Phase Matrix est un module PXI 3U à 3 emplacements qui permet une conversion descendante sur la gamme de fréquences allant de 100 kHz à 26,5 GHz.

 
Les caractéristiques du numériseur employé (bande passante analogique ou encore la résolution et la cadence d’échantillonnage de son convertisseur) sont tout aussi déterminantes pour obtenir des mesures probantes. Mais surtout, il embarque des capacités de traitements numériques en temps réel des signaux via des circuits DSP ou FPGA. Ceux-ci peuvent par exemple réaliser une décimation des données afin de réduire la bande d’analyse pour ne s’intéresser qu’à une partie plus restreinte et réduire encore ainsi le niveau de bruit. Les données sont stockées en mémoire interne avant d’être transférées vers un PC pour des traitements plus approfondis. Le PC peut être externe ou embarqué dans le châssis PXI.
 
La solution embarquée est plus coûteuse et l’offre en contrôleurs PXI est plus restreinte que celle des PC. Ces contrôleurs PXI sont par ailleurs rarement dotés des processeurs derniers cris. Or le temps de test est souvent lié à la puissance du PC. Les processeurs multicœurs permettent l’optimisation des séquences de test. L’application logicielle est en effet indissociable de la partie matérielle. Là où on avait l’habitude d’employer plusieurs appareils pour que chacun réalise un type de mesure spécifique (analyseur de spectre, analyseur télécoms, etc.), il est possible de les remplacer par une solution PXI.
 
Personnalisation logicielle
C’est la suite logicielle qui personnalisera la fonction de test. Le plus souvent le fabricant la fournit avec ses produits pour réaliser des mesures classiques (analyse de spectre ou de puissance par exemple) mais les outils de tests spécifiques sont disponibles en option pour les standards Wi-Fi, GSM, Edge, LTE, 3G, 4G, 5G, WiMAX, GPS, Bluetooth, Zigbee, RFID, etc. Mais l’un des intérêts du PXI est que sa flexibilité et son ouverture se retrouve tant du côté matériel que logiciel. Ainsi l’utilisateur peut développer son application s’il le souhaite ou s’il ne trouve pas sur le marché de solutions toute faite répondant à ses exigences. Contrairement aux instruments standards, qui offrent cependant d’innombrables fonctionnalités de traitement et d’analyse, il aura la possibilité de tout paramétrer, de réaliser des configurations et des analyses les plus personnalisées. Mais il peut tout aussi bien utiliser les plates-formes logicielles qu’il emploie avec les appareils traditionnels. Pour le pilotage l’utilisateur a le choix. Les solutions PXI supportent bien souvent des logiciels du commerce tel que Visual Studio (VB.NET, C#, C/C++), LabView, Lab Windows/CVI ou encore Matlab.
 
Passage au PXI Express
Pour la communication entre modules et le contrôleur, la dernière génération d’instrumentation modulaire RF est passé au bus PXI express qui offre des vitesses de transferts bien plus élevées que le PXI. Cependant pour certaines le temps de transfert des données peut être marginal par rapport au délai de conversion et de traitement des signaux. Le PXI express est toutefois indispensable à l’acquisition en continu de signaux.
 
Le numériseur peut aussi exiger de telles performances si les capacités de traitement et d’enregistrement embarquées ne sont pas suffisantes. Effectivement si le numériseur peut avoir à envoyer de gros flots de données, ce n’est pas le cas de l’oscillateur local qui est seulement piloté par le contrôleur PXI ou le PC externe. Si le PXI express est bien adapté au streaming de données haute vitesse, qui consiste au transfert de données en continu entre un instrument et la mémoire, soit sur un PC hôte ou sur un disque dur, il présente un autre atout. Il autorise la communication peer to peer entre des cartes d’un même châssis ce qui rend possible la construction sur mesure d’un instrument autonome.
 
De toutes façons, les cartes PXI et PXI express peuvent cohabiter sans problème dans le même châssis qui dispose selon les modèles de 4 à 18 emplacements. Selon les cas, certains emplacements sont réservés aux cartes PXI express et d’autres aux cartes PXI et des emplacements hybrides acceptent à la fois les cartes PXI express et les cartes PXI. En réalité ces derniers sont uniquement compatibles avec les modules PXI de dernière génération dont le connecteur P2 a été modifié. Lorsque l’ensemble des emplacements d’un châssis sont hybrides, tous types de cartes peuvent donc installées n’importe où ce qui facilite la configuration, le câblage et l’évolutivité du système de test.
 
Châssis PXI M9018B de Keysight

Le châssis PXI M9018B de Keysight comprend 18 emplacements Gen 2 PXIe. Tous les emplacements hybrides peuvent recevoir des modules au format PXI et PXIe.

 
Il faut aussi noter que la puissance alimentation du châssis est limitée. L’alimentation est loin d’être anecdotique en instrumentation modulaire. Il faut bien faire attention à la consommation de chacune des cartes du systèmes de test pour choisir le châssis adapté.
 
Les applications de test RF en PXI se multiplient
La possibilité de rassembler plusieurs instruments dans un même châssis rend possible la réalisation d’un système de test compact piloté par un PC externe ou interne. Du coup, les solutions PXI sont bien adaptées aux exigences des contrôles de production. Mais pas seulement. De par leur compacité, elles peuvent être employées pour des campagnes de mesures sur site.
 
Ainsi, déjà en 2010, Télécom Bretagne a opté pour l’instrumentation RF au format PXI de National Instruments pour préparer le déploiement de nouveaux systèmes de communication (WiMAX, LTE, etc.) en zone côtière. « Cette solution présente pour nous plusieurs avantages. Tout d’abord, elle offre la possibilité de construire un équipement spécifique et intégré, répondant au besoin de compacité des mesures de terrain. Ensuite, la modularité du dispositif nous à permis d’en étaler l’acquisition en mutualisant les ressources de plusieurs projets successifs », explique Jacky Ménard Enseignant-chercheur au Département Electronique de Télécom Bretagne.
 
Mais les technologies PXI, puisqu’elles rendent possibles la conception d’un dispositif de mesures personnalisé, peuvent tout aussi bien trouver leur place dans le service de R&D et de validation. ST-Ericsson a, également en 2010, par exemple réalisé un instrument autonome, évolutif et programmable pour gérer les protocoles de communication numérique sur un banc de validation et de caractérisation d’un émetteur-récepteurs RF. « La démarche classique aurait consisté à acquérir un instrument permettant d’émuler les protocoles de communication utilisés. Dans le cas présent, les protocoles à valider sont encore au stade du développement, et les instruments permettant de les tester n’existent pas encore ! », précise Jean-Louis Schricke de Mesulog partenaire de ST-Ericsson pour la conception de cet appareil réalisé avec du matériel PXI de National Instruments. Ces primo-utilisateurs font aujourd’hui figure de pionniers qui ont été suivi par de nombreux autres industriels au fil des ans.
 
En mars 2017, National Instruments, les universités anglaise de Bristol et suédoise de Lund ainsi que BT, fournisseur de services de communications, ont délivré le résultat de leur collaboration dans le cadre d’un essai de système Massive MIMO destiné à une solution de connectivité 5G à haute efficacité spectrale.
 
En avril 2017, l’opérateur américain de téléphonie mobile  AT&T a annoncé la conception d’un système de sondage de canaux reposant sur des solutions PXI de National Instrument. Ce système assure la surveillance et la mesure des paramètres de canaux en temps réel pour le déploiement des réseaux de communication mobile de future génération (5G). Il fournit des mesures du spectre dans le domaine des ondes millimétrique (mmWave) en quelques millisecondes.
 
Système des sondage de canaux 5G conçu par AT & T et NI

Surnommé le « Porc-épic » par AT & T, le sondeur de canaux intègre les solutions modulaires au format PXIe et la plate-forme logicielle LabVIEW FPGA de National instruments.

 
En 20 ans, le format PXI s’est donc fait une place dans le monde du test RF alors que peu de gens l’aurait parié lors de sa création. Mais comment se situe-il du point de vue des performances par rapport aux appareils traditionnels ? Les performances des instruments PXI sont très proches de celles de leurs homologues de table bien qu’une différence subsiste encore avec les appareils de tables haut de gamme. Si certaines caractéristiques de mesure PXI peuvent être plus limitées elles atteignent cependant aujourd’hui des niveaux satisfaisants pour de nombreuses applications RF. Il y a donc un compromis à trouver en fonction des exigences de l’application mais aussi en termes de coût. Le choix dépendra du coût et de la technicité de l’élément à tester.
 
Quoi qu’il en soit, aujourd’hui, les instruments modulaires et de table se complètent plus qu’ils ne se concurrencent.