Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías de Telecomunicación Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF Autor: Ignacio Pérez Lupiáñez Tutor: María José Madero Ayora Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 iii Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías de Telecomunicación Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF Autor: Ignacio Pérez Lupiáñez Tutor: María José Madero Ayora Profesor titular Dep. de Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 v Trabajo fin de grado: Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF Autor: Ignacio Pérez Lupiáñez Tutor: María José Madero Ayora El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2016 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis maestros ix Agradecimientos En primer lugar, agradecer a mi tutora y profesora María José Madero Ayora por el excelente trato que ha tenido conmigo durante el transcurso de este proyecto, por el interés que ha mostrado en cada momento y por la ayuda recibida tanto en tutoría como en el laboratorio a la hora de comprobar resultados. Al Departamento de Teoría de la Señal por permitirme el acceso al laboratorio de radiocomunicación para el uso de la instrumentación que he necesitado en la realización de las medidas. A mis amigos de toda la vida y a los que he conocido durante la carrera, en especial a Pepe y María por animarme y compartir estos últimos años juntos. A Elena, por todo el apoyo y ayuda que me ha dado durante todos estos años y, cómo no, en el tiempo que hemos dedicado juntos a hacer nuestros proyectos. Contigo he aprendido a creer en uno mismo y a esforzarme a pesar de las adversidades. A mis padres y a mi hermana por haber confiado siempre en mí y transmitirme toda la fuerza y compañía que me han permitido llegar al final de esta carrera. Sin vuestra ayuda no hubiera sido posible. Ignacio Pérez Lupiáñez Sevilla, 2016 4.1.2 Controlador del Generador Rohde & Schwarz SMIQ02b 32 4.2 Configuración para la interfaz USB/GPIB Agilent 82357B 33 4.2.1 Keysight IO Libraries Suite 33 4.3 Ejemplo práctico del uso de controladores 35 5 Introducción teórica 39 5.1 Introducción al problema de la no linealidad 39 5.1.1 Distorsión armónica 40 5.1.2 Productos de intermodulación 41 5.1.3 Punto de compresión de 1dB 42 5.1.4 Punto de intercepto de tercer orden 43 6 Desarrollo 45 6.1 Ejercicio 1: Comportamiento del amplificador de potencia, prueba de un tono 45 6.1.1 Esquema de montaje 46 6.1.2 Mediciones previas 47 6.1.3 Descripción funcional 48 6.1.4 Diseño del panel frontal 51 6.1.5 Diseño del diagrama de bloques 52 6.1.6 Ejecución y resultados 62 6.2 Ejercicio 2: Modulación ARB 64 6.2.1 Esquema de montaje 65 6.2.2 Descripción funcional 65 6.2.3 Diseño del panel frontal 68 6.2.4 Diseño del diagrama de bloques 69 6.2.5 Ejecución y resultados 76 7 Conclusiones y líneas futuras de trabajo 79 8 Bibliografía 81 9 Anexos 83 9.1 Datasheet del amplificador ZJL-6G+ 83 9.2 Código para la generación de la señal WCDMA 85 9.2.1 Función gold2047 86 xvii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2-1 Modulaciones posibles del SMIQ02B 6 Tabla 4-1 Controladores Plug and Play de los equipos 29 Tabla 6-1 Resultados de pérdidas en los cables 48 Tabla 6-2 Reference Level para los armónicos 57 Tabla 6-3 Frecuencia de los armónicos 62 xix ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2-1 Generador de señal SMIQ02B 3 Figura 2-2 Panel frontal del generador 4 Figura 2-3 Ejemplo de un tono 4 Figura 2-4 Esquema del modulador 5 Figura 2-5 Modulación vectorial 5 Figura 2-6 Menú de modulaciones analógicas 5 Figura 2-7 Esquema del generador ARB 6 Figura 2-8 Menú ARB MOD del SMIQ02B 6 Figura 2-9 Puerto GPIB en la parte trasera del generador 7 Figura 2-10 Analizador de señal Agilent N9010A EXA 7 Figura 2-11 Captura de pantalla del analizador 8 Figura 2-12 Ejemplo de medida del modo VSA 8 Figura 2-13 Agilent 82357B 9 Figura 3-1 Panel Frontal (Front Panel) 12 Figura 3-2 Diagrama de bloques (Block Diagram) 12 Figura 3-3 Opción mostrar ventanas 13 Figura 3-4 Barra de herramientas del diagrama de bloques 13 Figura 3-5 Paleta de herramientas 14 Figura 3-6 Paleta de controles 15 Figura 3-7 Ejemplo de un control del panel frontal 16 Figura 3-8 Ejemplo de un control modificado 16 Figura 3-9 Ejemplo de un control en el diagrama de bloques 16 Figura 3-10 Controles de ejemplo para el panel frontal 17 Figura 3-11 Paleta de funciones 18 Figura 3-12 Bucle For 19 Figura 3-13 Bucle While 19 Figura 3-14 Estructura Case 20 Figura 3-15 Estructura de secuencia 20 Figura 3-16 Pantalla de carga de LabVIEW 21 Figura 3-17 Menú principal de LabVIEW 21 Figura 3-18 Ventana de creación de proyectos 21 Figura 3-19 Propiedades del menú Ring 23 Figura 3-20 Panel frontal de la calculadora 23 Figura 3-21 Configuración de estructura Case 24 Figura 3-22 Diagrama de bloques de la calculadora 25 Figura 3-23 Ejecución de la calculadora desde el panel frontal 25 Figura 4-1 Uso de controladores de instrumentos 27 Figura 4-2 Esquema de capas para el control de instrumentos 28 Figura 4-3 Carpeta de drivers de LabVIEW 29 Figura 4-4 Controladores de instrumentos en la paleta de funciones 30 Figura 4-5 Árbol de bloques del controlador para el Agilent EXA n9010a 31 Figura 4-6 Árbol de bloques del controlador para el R&S SMIQ02b 32 Figura 4-7 Contenido de rssmiqu.llb 33 Figura 4-8 Breakpoint en controlador del SMIQ02b 33 Figura 4-9 Keysight Connection Expert 34 Figura 4-10 Configuración 488 en Connection Expert 34 Figura 4-11 Activación del fichero NiVisaTulip.dll en MAX 35 Figura 4-12 Bloque de inicialización 36 Figura 4-13 Diagrama de bloques de ejemplo para el control de instrumentos 36 Figura 4-14 Panel Frontal de ejemplo para el control de instrumentos 37 Figura 5-1 Esquema de un sistema lineal 39 Figura 5-2 Gráfica de un sistema lineal 39 Figura 5-3 Comportamiento en frecuencia de un sistema lineal 40 Figura 5-4 Distorsión armónica a la salida de un amplificador 41 Figura 5-5 Productos de intermodulación 41 Figura 5-6 Punto de compresión de 1 dB 42 Figura 5-7 Punto de intercepto de tercer orden 43 Figura 6-1 Amplificador Mini-Circuits ZJL-6G+ 45 Figura 6-2 Esquema de montaje para el ejercicio 1 46 Figura 6-3 Conectores SMA macho (izquierda) y hembra (derecha) 47 Figura 6-4 Montaje para el cálculo de pérdidas en los cables 47 xxi Figura 6-5 Diagrama de flujo para el ejercicio 1 50 Figura 6-6 Configuración del menú de unidades para el generador (izquierda) y el analizador (derecha) 51 Figura 6-7 Panel frontal del ejercicio 1 52 Figura 6-8 Inicialización de equipos 53 Figura 6-9 Adaptación de unidades para la frecuencia central 53 Figura 6-10 Cálculo del número de niveles de potencia del tono 53 Figura 6-11 Configuración de la potencia de entrada al generador 54 Figura 6-12 Bucle for perteneciente al generador de señal 55 Figura 6-13 Configuración de la frecuencia en el analizador 56 Figura 6-14 Configuración del Reference Level en el analizador 58 Figura 6-15 Calculo de la potencia a la entrada y a la salida del amplificador 59 Figura 6-16 Bucle del analizador 59 Figura 6-17 Configuración de la gráfica 60 Figura 6-18 Diagrama de bloques completo del primer ejercicio 61 Figura 6-19 Resultados obtenidos para el primer ejercicio 63 Figura 6-20 Componentes en fase y cuadratura 64 Figura 6-21 Esquema de montaje para el ejercicio 2 65 Figura 6-22 Diagrama de flujo para el ejercicio 2 67 Figura 6-23 Panel frontal del ejercicio 2 68 Figura 6-24 Estructura para la conversión de extensión 69 Figura 6-25 Configuración del generador para el ejercicio 2 70 Figura 6-26 Concatenar valores numéricos con instrucción SCPI 71 Figura 6-27 Configuración de la separación decimal en LabVIEW 72 Figura 6-28 Obtención de medidas para el ejercicio 2 73 Figura 6-29 Obtención de los valores del tiempo para el ejercicio 2 73 Figura 6-30 Diagrama de bloques del ejercicio 2 (parte 1) 74 Figura 6-31 Diagrama de bloques del ejercicio 2 (parte 2) 75 Figura 6-32 Resultados obtenidos para el segundo ejercicio 76 Figura 6-33 Resultados obtenidos en el analizador para el segundo ejercicio 77 xxiii Glosario 3GPP 3rd Generation Partnership Project AM Amplitude Modulation ARB Arbitrary BJT Bipolar junction transistor FET Field-Effect Transistor FM Frequency Modulation FSK Frequency Shift Keying GPIB General Purpose Interface Bus GPS Global Positioning System GSM Global System for Mobile Communications IEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IVI Interchangeable Virtual Instruments PM Phase Modulation PnP Plug and Play QAM Quadrature Amplitude Modulation RAM Random Access Memory RAW En bruto RF Radiofrecuencia SCPI Standard Commands for Programmable Instruments SMA SubMiniature version A VI Virtual Instrument VISA Virtual Instrument Software Architecture VSA Vector Signal Analysis VXA Vector Signal Analysis Measurement Application WCDMA Wideband Code Division Multiple Access 1 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Introducción al tema Los sistemas de radiocomunicación permiten el intercambio de información utilizando el espectro radioeléctrico como medio de transmisión. Debido a la expansión de este tipo de tecnología, sobre todo en comunicaciones móviles, resulta de interés realizar medidas, usando instrumentación de laboratorio, con el objeto de observar el comportamiento que tienen los dispositivos de radiofrecuencia. La obtención de algunos datos necesarios para caracterizar este tipo de dispositivos requiere la realización de miles de medidas, pudiéndose tardar horas e incluso días en completarse manualmente. Mediante la herramienta de programación gráfica LabVIEW, es posible diseñar programas que automaticen una medida en concreto de forma remota. El desarrollo de estas aplicaciones permite controlar y adquirir datos de los equipos fácilmente en cuestión de minutos, de este modo, se reduce la tarea de configuración de los instrumentos de forma manual y el tiempo que ello conlleva. 1.2 Objetivo y alcance En ese apartado se detallan cada uno de los objetivos que han motivado la realización de este documento:  Conocer la plataforma y entorno de desarrollo de programación gráfica LabVIEW, estudiando su terminología y métodos básicos de utilización del programa.  Introducir todas las configuraciones necesarias que permiten el control remoto de los equipos desde un ordenador que tenga instalado el software LabVIEW.  Diseño de un programa en LabVIEW capaz de medir algunos de los efectos no lineales de un amplificador de RF.  Diseño de un programa en LabVIEW que realice la modulación arbitraria de una portadora con una forma de onda introducida. En definitiva, lo que se pretende con este proyecto es diseñar programas capaces de automatizar ciertas medidas que requieren una tarea costosa en el caso de que se hagan de manera manual. De la misma forma, puede servir como una guía para usuarios que deseen realizar cualquier aplicación para el control remoto de equipos de medida en LabVIEW. 1.3 Estructura de la memoria Para explicar el desarrollo de este proyecto se ha decidido utilizar la estructura organizada por capítulos que se describe a continuación:  Capítulo 2: “Material y método”. Se lleva a cabo una descripción de todo el material de Material y método 8 distintas ventanas correspondientes a cada tipo de medida. Figura 2-11 Captura de pantalla del analizador 2.2.1 Modos de funcionamiento Es posible configurar el analizador de espectro para que funcione en diferentes modos, estos son:  Analizador de espectros: Sirve para realizar las medidas típicas del analizador de espectros corriente con barrido de frecuencia y análisis FFT.  Analizador I/Q: Mediante este modo se puede obtener una medida tanto en el dominio de la frecuencia como en el del tiempo.  VXA: Se incluyen herramientas para la demodulación de una señal y su análisis vectorial. Es posible verificar el funcionamiento de una señal en tiempo real con varias vistas simultaneas en el dominio de la frecuencia, tiempo y modulación.  VSA: Es similar al modo VXA pero ofreciendo mayor flexibilidad en cuanto a la configuración de los parámetros de las medidas a realizar. El software que incluye para este modo es el 89600. Figura 2-12 Ejemplo de medida del modo VSA 9 Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF 2.3 Bus GPIB (IEEE 488) El bus GPIB (General Purpose Interface Bus) es un estándar de transmisión de datos capaz de conectar instrumentos de medición programables con dispositivos que los controlen mediante ordenes como puede ser un ordenador. Inicialmente, Hewlett Packard diseñó a finales de los 60 el estándar HP-IB para conectar y controlar equipos de su propia marca. Más adelante surgió la necesidad de crear una interfaz capaz de interconectar instrumentos de distintos fabricantes, de esta forma surge en 1975 el estándar IEE 488 publicado por el Institute of Electrical Electronic Engineers que contiene las características eléctricas, mecánicas y funcionales del sistema de interfaz. El GPIB es un bus en paralelo de 8 bits y permite una velocidad de transferencia de hasta 8 MB/s dependiendo de la versión. Es posible usar diversas topologías de conexión debido a sus formas de conectores macho y hembra. Tiene una estructura de 24 pines donde 8 de ellos son para datos, 3 para handshake, 5 para la gestión del bus y 8 de masa. Para la realización de este proyecto se hará uso de la interfaz USB/GPIB Agilent 82357B para la conexión del controlador (PC) con los equipos y de cables con conectores macho y hembra del estándar IEE 488. Figura 2-13 Agilent 82357B Para el correcto funcionamiento de esta interfaz es necesario instalar los drivers del fabricante Keysight IO Libraries Suite que se pueden descargar de manera gratuita desde la web oficial de Keysight. 2.4 Comandos SCPI Los comandos SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments) definen un estándar para la sintaxis de comandos a usar en dispositivos controlables como los vistos anteriormente. Estos comandos fueron incluidos en 1960 dentro del estándard IEEE 488.2 en la sección Standard Codes, Formats, Protocols, and Common Commands. En esta sección se especifica la estructura de comandos y el formato de datos que pueden ser usados con todos los instrumentos sin dependencia del fabricante del equipo. Se agrupan en subsistemas o familias que pertenecen a un instrumento, por lo cual no todos los instrumentos tienen los mismos bloques. Material y método 10 Algunos ejemplos básicos de comandos SCPI genéricos serían:  *RST - Resetea el instrumento a los valores iniciales  *IDN? - Identificación del instrumento  *CLS – Limpia el estado La estructura de los comandos va por niveles separados por dos puntos, al nivel principal se le conoce como raíz y horizontalmente le siguen los siguientes niveles o subfamilia de la raíz. Un ejemplo de comando para el control de un instrumento sería: SENSe:FREQuency:STARt 2GHZ En este caso, la raíz o nivel principal sería SENSe mientras que FREQuency y STARt serían subfamilias de la raíz. Con este comando se establecería en 2 GHz la frecuencia central de un barrido. El uso de las letras que aparecen minúsculas no es necesario, pero se utilizan para reconocer la instrucción con más facilidad y solo sería obligatorio utilizar las mayúsculas, por lo tanto, el mismo comando podría escribirse también de la siguiente forma: SENS:FREQ:STAR 2GHZ 11 3 LABVIEW 3.1 Descripción del programa y sus posibilidades El programa LabVIEW, creado por la compañía National Instruments, es un entorno de desarrollo que utiliza un lenguaje de programación gráfico y está destinado al diseño de aplicaciones de diversos propósitos, como por ejemplo la adquisición de datos de instrumentos, procesado, análisis de datos y control remoto de instrumentos y equipos. Básicamente LabVIEW nos permite obtener datos del mundo real en un ordenador, tomar decisiones en base a los resultados recogidos y mandar instrucciones a los equipos para modificar o automatizar cualquier operación. Un ejemplo práctico del uso de LabVIEW sería la adquisición de los valores medidos en un acelerómetro y la visualización gráfica de los movimientos en los 3 ejes, estos datos se representarían en el panel frontal de programa a través de un display. El uso de un sistema de programación gráfica como LabVIEW tiene muchas ventajas que facilitarán en gran medida el diseño de un programa.  Sistema muy intuitivo fácil de aprender y manejar, sin necesidad de usar cientos de comandos.  Tiempo de desarrollo más bajo que con cualquier otro lenguaje de programación.  No es necesaria la instalación de compiladores o entornos de programación, LabVIEW viene preparado para comenzar a programar inmediatamente después de su instalación.  Posibilidad de incorporar código escrito en otro lenguaje de programación.  Trabajar con diferentes plataformas de hardware desde un mismo software, existiendo una gran compatibilidad con los equipos y dispositivos de cada marca. 3.2 Entorno de edición de LabVIEW A los programas diseñados en LabVIEW se les llama VIs que son las siglas de Virtual Instruments, es decir, instrumentos virtuales. Como su propio nombre indica, cada programa simula un instrumento con su panel frontal cargado de botones, indicadores, leds y pantallas, todo ello conectado a una circuitería interna que gestiona el funcionamiento de los elementos en conjunto. 3.2.1 Panel frontal y diagrama de bloques Cada VI está estructurado en dos partes que aparecen como ventanas:  Panel Frontal (Front Panel): Es la interfaz gráfica para el usuario, simula la carcasa rígida de un instrumento. En esta ventana se configuran los elementos de entrada que proporcionan datos al diagrama de bloques y los elementos de salida que permiten visualizar información generada en la ejecución. Se puede ver este panel en la Figura 3-1. LabVIEW 12  Diagrama de bloques (Block Diagram): Contiene toda la estructura de programación compuesta por bloques que se unen entre sí para formar el programa final o instrumento virtual. Los elementos de entrada y salida también aparecen en el diagrama de bloques como terminales. Un ejemplo de esta ventana se muestra en la Figura 3-2. Figura 3-1 Panel Frontal (Front Panel) Figura 3-2 Diagrama de bloques (Block Diagram) La conmutación entre estas dos ventanas se realiza desde el menú Windows haciendo click en Show Block Diagram/Front panel o usando el comando de teclado Ctrl + E. 13 Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF Figura 3-3 Opción mostrar ventanas Cada bloque del diagrama representa un nodo, cuando un bloque se ejecuta puede producir datos que se pasan al nodo que está conectado inmediatamente después. La ejecución del programa se realiza de izquierda a derecha ejecutando todos los bloques y entrando en las estructuras o bucles del tipo while, for, etc. En el ejemplo de la Figura 3-1 y la Figura 3-2 se presenta un instrumento virtual que genera una señal sinusoidal con amplitud y frecuencia seleccionada en el panel frontal y calcula su valor medio y eficaz (RMS). 3.2.2 Barra de herramientas El programa puede iniciarse o interrumpirse en cualquier momento desde el Front Panel o el Block Diagram usando la barra de herramientas que ofrece diferentes opciones posibles. Esta barra se encuentra en la parte superior. Figura 3-4 Barra de herramientas del diagrama de bloques Los botones que forman la barra de herramienta son los siguientes:  Run . Inicia la ejecución del programa VI codificado en el diagrama de bloques. Si el botón Run aparece con el aspecto durante el diseño del programa, indica que existe un error en la estructura del diagrama de bloques que impide la ejecución del VI. Si se pulsa sobre este icono se muestra la ventana Error List que incluye los errores y advertencias que producen esta situación.  Run Continuously . Ejecuta el programa en bucle continuo, es decir, una vez que se ha llegado al final de la ejecución vuelve a iniciarse.  Abort Execution . Aborta la ejecución del programa de forma inmediata.  Pause . Pausa la ejecución. Durante el tiempo que está pausado, el icono aparece coloreado en rojo . Pulsando el botón de nuevo se continúa con la ejecución normal. LabVIEW 14  Highlight Execution . Inicia una ejecución animada que muestra el movimiento de los datos de un nodo a otro. Es muy interesante para encontrar fallos y errores en la programación y para entender el orden de ejecución del código. Este botón se encuentra únicamente dentro de la ventana del diagrama de bloques.  Start Single Stepping . Ejecuta el siguiente nodo cada vez que se pulse sobre el botón y se detiene en esa posición, esto sirve para hacer una ejecución por pasos. El botón hace la misma función, pero sin entrar dentro de los bucles o subVI.  Step Out . Si la ejecución está dentro de un bucle o un subVI, al presionar sobre este botón finaliza este bloque y se para en el siguiente. Sirve para ejecutar bucles grandes sin necesidad de tener que ir ejecutando los bloques internos en cada repetición.  Align Objects . Alinea objetos seleccionados del diagrama de bloques con respecto a un eje.  Distribute Objects . Distribuye los objetos seleccionados espaciándolos entre sí.  Reorder . Reordena los objetos en relación uno a otro. Se suele utilizar cuando se tienen objetos solapados entre sí. 3.2.3 Herramientas comunes La interacción con el sistema de programación gráfico se hará desde el ratón del ordenador, por lo tanto, el cursor debe ser capaz de ser modificado para realizar varias tareas. Esto es posible mediante la paleta de herramientas que incluye LabVIEW. Esta ventana se muestra mediante el menú de opciones View/ Tools Palette o bien pulsando Shift + Click derecho en cualquier zona. Figura 3-5 Paleta de herramientas Desde la paleta podemos seleccionar las siguientes herramientas:  Herramienta de Operación . Sirve para modificar los controles del panel frontal, es la única herramienta que se puede usar durante la ejecución.  Herramienta de Posicionamiento . Su función es seleccionar, mover o cambiar el tamaño de objetos y bloques. 15 Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF  Herramienta de Etiquetado . Para crear y editar etiquetas de texto. Con ella también es posible editar los valores de algunos controles y constantes.  Herramienta de Cableado . Con esta herramienta se unen los objetos del diagrama de bloques. Para crear un cable basta con hacer click en ambos bloques.  Herramienta de Menú de Acceso Directo de Objetos . Despliega un menú con las opciones disponibles según el objeto.  Herramienta de Desplazamiento . Permite moverse en las ventanas sin tener que utilizar las barras de desplazamiento.  Herramienta de Breakpoint . Con ella se crean puntos de parada dentro del diagrama de bloques. La colocación de estos puntos hace que la ejecución se interrumpa al pasar por ellos.  Herramienta de Probe . Sirve para colocar puntos de prueba en el diagrama de bloques. Con estos puntos es posible capturar resultados durante la ejecución.  Herramienta de Copiar Color . Copia el color de un determinado objeto 3.2.4 Controles e Indicadores Los controles e indicadores son los diferentes elementos que se van a incluir para formar el panel frontal del instrumento virtual. La selección de cualquiera de estos objetos en concreto se hace a través de la ventana Controls que se abre haciendo click derecho en cualquier lugar del panel frontal. Figura 3-6 Paleta de controles LabVIEW 16 Existe una gran variedad de objetos que pueden ser incluidos en el panel frontal, todos ellos están ordenados por secciones para ser localizados fácilmente. Además, existe un buscador en la esquina superior derecha que permite realizar la búsqueda de un objeto del que se desconozca su localización. Haciendo click sobre cualquier control o indicador se colocan en el panel frontal. Con la herramienta de etiquetado vista anteriormente se puede cambiar el título de los controles e indicadores y los valores que aparecen. Figura 3-7 Ejemplo de un control del panel frontal En la Figura 3-7 puede observarse un control del tipo knob que simula la típica ruleta incluida en la carcasa de un instrumento. Su valor se puede modificar girando la ruleta con la herramienta de operación de la paleta de herramientas. Existe la posibilidad de modificar las propiedades de cada objeto pulsando con el botón derecho en el elemento y seleccionando la opción Properties del menú desplegable. Desde aquí se configura el aspecto con el que va a ser presentado el objeto en el panel y el tipo de datos que va a manejar entre otras cosas. Figura 3-8 Ejemplo de un control modificado Al colocar un elemento en el panel frontal también se añade al diagrama de bloques con otro icono para poder cablearlo con los demás objetos, el control se convierte en un terminal al pasar a la ventana del diagrama. Los terminales son puertos de entrada y salida que intercambian información entre el panel frontal y el diagrama de bloques. De esta forma el knob del ejemplo anterior presentaría el siguiente aspecto en el diagrama de bloques: Figura 3-9 Ejemplo de un control en el diagrama de bloques 17 Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF La Figura 3-10 muestra un ejemplo de los controles disponibles para añadirse al panel frontal. Figura 3-10 Controles de ejemplo para el panel frontal 3.2.5 Funciones En el diagrama de bloques, a los elementos fundamentales de operación que forman la estructura del programa se les llama funciones. El acceso a las diferentes funciones se hace mediante una paleta destinada a ello que se muestra pulsando en View/ Functions Palette o haciendo click derecho en cualquier zona del diagrama de bloques. Las funciones están divididas en diferentes secciones dependiendo del propósito de cada una de ellas. Por si resultara costoso encontrar alguna, se puede buscar una función en concreto acudiendo al buscador de la parte superior derecha de esta paleta. La paleta de funciones se presenta de la siguiente forma: LabVIEW 24  Operaciones numéricas . Realizaran las operaciones entre los dos números. Habría que colocar cuatro para cada caso (suma, resta, multiplicación, división, potencia), cada una tiene un símbolo diferente. Se encuentra dentro de Numeric en la paleta de funciones. Con el botón derecho y pulsando sobre Add Case se añaden las ventanas que representarán cada caso, para este ejemplo hay que añadir cinco casos enumerados del 0 al 4 con la herramienta de texto. Figura 3-21 Configuración de estructura Case A continuación, se procede a conectar los elementos entre sí para formar el programa tal y como muestra la Figura 3-22. 25 Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF Figura 3-22 Diagrama de bloques de la calculadora Cabe destacar que en la imagen se representa solo el caso 0 que se correspondería con la suma. Los demás casos tendrán una estructura similar cambiando solo el elemento de la operación numérica que será diferente en cada ventana. Ejecutando el programa con el botón Run desde el panel frontal y cambiando los valores de a y b obtendremos un resultado similar al siguiente: Figura 3-23 Ejecución de la calculadora desde el panel frontal 27 4 CONTROL DE INSTRUMENTOS Como se ha comentado al inicio de la memoria, una de las ventajas más importantes que tiene LabVIEW es la posibilidad de diseñar programas que sirvan para controlar instrumentos de manera remota sin necesidad de acceder a los paneles de cada equipo. En general, cuando es necesario comunicarse con cualquier instrumento, se hace por medio de comandos SCPI. Esto implica tener que estar acompañado en cada momento del manual del instrumento en cuestión para buscar el comando asociado a cada función. Además, puede requerir una tarea de programación intensa repleta de código que difícilmente pueda ser entendida por otra persona que no esté familiarizada con este sistema de programación. La solución que LabVIEW da para este tipo de tareas es el uso de Instruments Drivers (controladores de instrumentos). Mediante estos controladores el usuario puede olvidarse completamente de los comandos SCPI y de líneas de código para controlar un instrumento. Normalmente, cada controlador incluye una biblioteca con ejemplos prácticos asociados a ese instrumento en cuestión, que pueden ser muy útiles para entender el funcionamiento de los bloques incluidos. Comandos SCPI Protocolo de comunicación de Buses Controlador de instrumentos Figura 4-1 Uso de controladores de instrumentos Existen tres tipos de controladores en LabVIEW:  Controladores Plug and Play: Es un conjunto de funciones que se utilizan para el control y la comunicación con el instrumento. Cada función corresponde a una operación posible, como puede ser: la configuración, lectura, escritura o activación del instrumento. Estas funciones Control de instrumentos 28 aparecen dentro de la paleta de funciones de LabVIEW una vez instalado el controlador en la carpeta correspondiente. Están desarrollados en LabVIEW y normalmente se puede descargar su código fuente en la web oficial del fabricante del instrumento.  Instrumentos virtuales intercambiables (IVI Drivers): Son controladores más sofisticados y con más características que cuentan con un mayor rendimiento. Están diseñados para aplicaciones de prueba más complejas que requieran capacidad de intercambio, almacenamiento en caché o simulación de instrumentos.  Arquitectura de Software del instrumento virtual (VISA): Es un paquete estándar para la configuración, programación y solución de problemas para sistemas que usen interfaces GPIB, VXI, PXI, Serie, Ethernet o USB. NI-VISA es la implementación del fabricante National Instruments del estándar VISA I/O. Éste incluye algunas herramientas de interés, como el VISA Interactive Control, que sirven para monitorizar y comprobar el funcionamiento de la interfaz que se esté usando. Para este proyecto se necesitan los controladores Plug and Play de cada instrumento y el NI-VISA que se puede obtener desde la página oficial de National Instruments. Entorno de Desarrollo Controladores de Instrumentos VISA Bus de comunicación GPIB Instrumentos LabView 2015 Controladores Plug & Play de equipos NI-VISA Keysight IO Libraries Suite Agilent EXA n9010a R&S SMIQ02B Figura 4-2 Esquema de capas para el control de instrumentos 29 Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF 4.1 Controladores Plug & Play para los equipos Los controladores que se han utilizado para los instrumentos descritos anteriormente son los siguientes: Agilent EXA n9010a http://sine.ni.com/apps/utf8/niid_web_display.download_page?p_id_guid=3E3412EF 63953891E0440003BA7CCD71 R&S SMIQ02b https://cdn.rohdeschwarz.com/pws/dl_downloads/dl_driver/rssmiq/rssmiq_lv60_3_1.zip Tabla 4-1 Controladores Plug and Play de los equipos La instalación de estos controladores se hace extrayendo el contenido dentro de la carpeta de drivers de LabVIEW que normalmente se encuentra en: C:\Archivos de Programa/National Instruments/LabVIEW 2015/instr.lib. El aspecto de la carpeta instr.lib después de haber instalado estos dos drivers tiene que ser similar al de la Figura 4-3. Figura 4-3 Carpeta de drivers de LabVIEW Una vez que instalados los drivers en su carpeta, estarán disponibles para su uso en LabVIEW dentro de la paleta de funciones en el apartado Instruments I/O > Instr Drivers. Control de instrumentos 30 Figura 4-4 Controladores de instrumentos en la paleta de funciones Se puede observar en la Figura 4-4 cómo aparecen los dos drivers instalados anteriormente, el del analizador Agilent EXA n9010a aparece bajo el nombre de Agilent MXA Series y el del generador de señales Rohde & Schwarz nombrado como R&S SMIQ Vector Signal Generator. 31 Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF 4.1.1 Controlador del Analizador Agilent EXA n9010a A continuación, se presenta el árbol de bloques incluido en el controlador del instrumento Agilent EXA n90100a. Figura 4-5 Árbol de bloques del controlador para el Agilent EXA n9010a Se puede usar el buscador de ejemplos de LabVIEW para encontrar los ejemplos asociados a este equipo. Para lanzar el buscador, seleccionar Help/Find Examples en la barra de opciones. Control de instrumentos 32 4.1.2 Controlador del Generador Rohde & Schwarz SMIQ02b El árbol de funciones que presenta este controlador es el siguiente: Figura 4-6 Árbol de bloques del controlador para el R&S SMIQ02b Se pueden encontrar los ejemplos de este equipo en el buscador de ejemplos de LabVIEW. Existe un error de diseño dentro de los drivers proporcionados por Rohde & Schwarz. Uno de los bloques internos del controlador contiene un breakpoint que detiene la ejecución y no permite que se 33 Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF ejecute el programa completo cuando se está utilizando este controlador. Este punto de parada se encuentra dentro del instrumento virtual con nombre RSSMIQ Utility Default Instrument Setup.vi. El acceso a este VI se hace abriendo con LabVIEW el archivo rssmiqu.llb localizado dentro de la carpeta del controlador del SMIQ02b. Figura 4-7 Contenido de rssmiqu.llb Abriendo el Utility Default Instrument Setup y mostrando su panel frontal se puede observar cómo está colocado el breakpoint. Figura 4-8 Breakpoint en controlador del SMIQ02b Se elimina haciendo click en el punto coloreado en rojo con la herramienta de breakpoint. Después de eliminarlo es necesario guardar el instrumento virtual desde File/Save. 4.2 Configuración para la interfaz USB/GPIB Agilent 82357B Para que LabVIEW pueda trabajar correctamente no bastaría solo con conectar el USB al ordenador, sino que habría que instalar los controladores del fabricante y hacer algunas configuraciones. 4.2.1 Keysight IO Libraries Suite Lo primero sería instalar los drivers de la interfaz que se pueden descargar desde la propia web del fabricante (ahora con el nombre de Keysight) en esta URL: http://www.keysight.com/en/pd- 1985909/io-libraries-suite?cc=ES&lc=eng. El paquete recibe el nombre de IO Libraries Suite e incluye, además de los controladores necesarios, un conjunto de aplicaciones para la monitorización de los dispositivos conectados a esta interfaz. Una de estas aplicaciones es Connection Expert, que mediante una interfaz intuitiva proporciona Introducción teórica 40 En el caso de un amplificador lineal, la ganancia del sistema es constante para cualquier valor de la potencia de entrada. En el dominio de la frecuencia ocurre algo similar, ante un tono de entrada se obtiene un tono de salida a la misma frecuencia, pero de potencia proporcional a la de la señal introducida en el sistema. fc fc Entrada Salida Figura 5-3 Comportamiento en frecuencia de un sistema lineal De la misma forma, al introducir dos tonos con diferente frecuencia, a la salida se obtienen los mismos tonos con mayor potencia. La realidad es bien distinta, los sistemas reales son no lineales, es decir, el resultado a la salida no es proporcional a la entrada. Además de eso, la señal obtenida a la salida contendrá un conjunto de componentes no deseadas en diferentes frecuencias que deben estudiarse para caracterizar el sistema. Si se introduce un tono, a la salida se añadirían otros tonos en frecuencias distintas. La relación entre la entrada 𝑥 y las componentes que se añaden a la salida 𝑦 tienen la siguiente expresión polinómica: 𝑦=𝑎0+𝑎1𝑥+𝑎2𝑥2+𝑎3𝑥3+⋯ Observando la ecuación, se puede ver cómo aparecen nuevos componentes de continua que se multiplican a unos términos de distorsión que son a su vez potencias consecutivas de la señal de entrada. A este efecto se le conoce como distorsión y se manifiesta con la aparición de distorsión armónica y productos de intermodulación. 5.1.1 Distorsión armónica Si a la entrada de un sistema no lineal, como por ejemplo un amplificador, se introduce un tono con frecuencia central 𝑓0, a la salida se obtiene, además del tono amplificado, otros tonos de distinta frecuencia en 2𝑓0,3𝑓0,4𝑓0… Estas componentes reciben el nombre de armónicos. 41 Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF f0f0 Amplificador 2f03f0 f P entrada Psalida f Figura 5-4 Distorsión armónica a la salida de un amplificador La aparición de armónicos modifica la señal deseada y posiblemente estorben en el propósito del problema que se quiere solucionar. La eliminación de estas componentes puede realizarse mediante el uso de filtros para que solo dejen pasar el tono fundamental que se desee obtener a la salida. 5.1.2 Productos de intermodulación Los productos de intermodulación aparecen al introducir dos o más señales en un dispositivo no lineal, como es el caso de los amplificadores de RF. Además de las componentes de entrada y los armónicos, aparecen también unas componentes de mezcla. Si se introducen dos tonos de frecuencia 𝑓1 y 𝑓2 en el sistema no lineal, a su salida se producirán los productos de intermodulación en las frecuencias suma y diferencia de múltiplos de las frecuencias originales: 𝑓𝑖𝑛𝑡 =𝑎𝑓1±𝑏𝑓2 Siendo 𝑎 y 𝑏 números enteros mayores que uno, ya que en los casos donde cualquiera de estos factores es igual a cero se produce la distorsión armónica comentada anteriormente. f1 f2 2f2-f1 2f1-f2 f2-f1 2f1 f1+f2 2f2 3f1 2f1+f2 f1+2f2 3f2 Frecuencias originales Armónicos Productos intermodulacion 2º orden Productos intermodulacion 3er order Figura 5-5 Productos de intermodulación Introducción teórica 42 Como se puede observar en la Figura 5-5 los productos de intermodulación de segundo orden y los armónicos aparecen alejados de las frecuencias de interés, por lo tanto, no suelen causar muchos problemas ya que pueden ser filtrados en el caso de que hiciera falta. Por otro lado, los productos de intermodulación de tercer orden 2𝑓1−𝑓2 y 2𝑓2−𝑓1 sí que pueden acarrear problemas por estar muy cercanos a las frecuencias de interés 𝑓1 y 𝑓2 y su filtrado puede llegar a ser complicado. En una señal multicanal donde existan muchas más señales con diferentes frecuencias, los productos de intermodulación pueden caer encima de las frecuencias de interés resultando imposible su filtrado. Este tipo de problemas suele causar dificultades en la práctica a la hora de obtener un resultado deseado. 5.1.3 Punto de compresión de 1dB Los amplificadores presentan una zona de comportamiento lineal en el que la salida es proporcional a la entrada multiplicada por la ganancia 𝐺 del amplificador en unidades naturales. A medida que aumenta la potencia, el amplificador empieza a saturar y llega un momento en el que la potencia de salida no aumenta proporcionalmente como lo hacía al principio, presentando así un comportamiento no lineal. Para caracterizar los amplificadores uno de los parámetros que se suele determinar es el llamado punto de compresión de 1 dB. Este parámetro se define como aquel punto en el que la potencia de entrada hace que la potencia de salida que se obtenga sea de 1 dB inferior a la que se obtendría en el caso de que el amplificador tuviera un comportamiento lineal. Figura 5-6 Punto de compresión de 1 dB 43 Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF Este parámetro puede definirse tanto a la entrada como a la salida, existiendo el punto de compresión de 1 dB a la entrada y punto de compresión de 1 dB a la salida. 5.1.4 Punto de intercepto de tercer orden Otro parámetro importante que sirve para caracterizar los amplificadores es el punto de intercepto de tercer orden. Se define como el punto donde el producto de intermodulación de tercer orden corta con la recta de potencia que tendría el amplificador si fuera lineal. Normalmente este punto se localiza fuera del rango de trabajo del amplificador, así que debe obtenerse extrapolando el producto de intermodulación de tercer orden y la recta del amplificador ideal. El punto de intercepto de tercer orden se encuentra habitualmente por encima del punto de compresión de 1 dB y muy alejado del punto de saturación del amplificador. Figura 5-7 Punto de intercepto de tercer orden Al igual que en el punto de compresión de 1 dB existe una componente de entrada y otra de salida para el punto de intercepto de tercer orden. 45 6 DESARROLLO 6.1 Ejercicio 1: Comportamiento del amplificador de potencia, prueba de un tono En este apartado se realizará un instrumento virtual en LabVIEW con el fin de caracterizar a un amplificador real en el laboratorio. Para ello, se van a estudiar los armónicos de hasta quinto orden que aparecen a la salida del amplificador. A su entrada, se introducirá un tono que puede tomar diferentes valores de potencia y para el que se usará una frecuencia fija a configurar por el usuario. Tras la ejecución, el programa generará una gráfica donde se observará el comportamiento de cada armónico a la salida del amplificador a medida que aumenta la potencia en la entrada de este. El amplificador que se va utilizar para caracterizar sus propiedades no lineales es el modelo ZJL-6G+ del fabricante Mini-Circuits. Sus principales características son:  Amplificador RF de baja potencia.  Admite frecuencias que van desde 20 MHz hasta 6000 MHz.  Valor típico de ganancia de 13 dB con un margen de ±1.6 dB.  12 V de alimentación Figura 6-1 Amplificador Mini-Circuits ZJL-6G+ Desarrollo 46 6.1.1 Esquema de montaje Figura 6-2 Esquema de montaje para el ejercicio 1 Las conexiones del montaje son las siguientes:  Ordenador – Analizador Agilent EXA n9010a: Para esta conexión se utiliza la interfaz USB-GPIB Agilent 82357B descrita al principio de la memoria. La elección de conectar el ordenador al analizador es debida a la cercanía del ordenador al analizador en el laboratorio, por lo tanto, el ordenador puede ir conectado al analizador o al generador indistintamente ya que ambos irán conectados entre sí.  Analizador Agilent EXA n9010a – Generador R&S SMIQ02B: Ambos equipos se conectan entre sí mediante un cable GPIB estándar.  Amplificador ZJL-6G+ - Fuente de alimentación: Para que el amplificador funcione necesita estar alimentado por ser un dispositivo activo. Este amplificador se alimenta con un nivel de tensión de 12 V.  Generador R&S SMIQ02B - Amplificador ZJL-6G+: La salida del generador, indicada como RF OUT (conector SMA hembra), se conecta a la entrada IN del amplificador (conector SMA hembra). Esta conexión se realiza a través de un cable coaxial con conectores tipo SMA macho en ambos extremos.  Amplificador ZJL-6G+ - Analizador Agilent EXA n9010a: Mediante conectores SMA se conecta la salida del amplificador OUT con la entrada RF INPUT del analizador de espectro. De la misma forma, para esta conexión se usa un cable coaxial con conectores SMA macho en ambos extremos. 47 Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF Figura 6-3 Conectores SMA macho (izquierda) y hembra (derecha) 6.1.2 Mediciones previas Antes de comenzar con el desarrollo del problema, es interesante estudiar los valores de pérdidas en los cables y conectores utilizados para obtener unos resultados finales mucho más precisos a la hora de caracterizar al amplificador. Tan solo es necesario realizar un montaje simple conectando únicamente el generador al analizador con el cable coaxial SMA como se muestra en la imagen: Figura 6-4 Montaje para el cálculo de pérdidas en los cables 1. Generar un tono en el generador de señal con una frecuencia central de 600 𝑀𝐻𝑧 y una potencia igual a −25 𝑑𝐵𝑚. 2. Configurar la frecuencia central del analizador de espectro a 600 𝑀𝐻𝑧 con un SPAN de 10 𝑀𝐻𝑧 para ver el tono. 3. El valor de las pérdidas en los cables para la componente fundamental vendrá determinado por la diferencia de potencia entre la señal generada en el generador y la señal obtenida en el analizador. Las pérdidas vienen dadas en decibelios dB. 𝐿𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒 =𝑃𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 −𝑃𝑎𝑛𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 Desarrollo 48 4. Repetir los pasos 1,2 y 3 para los distintos armónicos, es decir, para frecuencias iguales a 2· 600 𝑀𝐻𝑧,3·600 𝑀𝐻𝑧,4·600 𝑀𝐻𝑧 y apuntar sus valores. Tras realizar esta medida en el laboratorio se han obtenido los siguientes resultados para las pérdidas en los cables: Componente Fundamental 𝐿𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒 =0.6 𝑑𝐵 Segundo Armónico 𝐿𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒 =1.3 𝑑𝐵 Tercer Armónico 𝐿𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒 =1.6 𝑑𝐵 Cuarto Armónico 𝐿𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒 =1.8 𝑑𝐵 Quinto Armónico 𝐿𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒 =1.9 𝑑𝐵 Tabla 6-1 Resultados de pérdidas en los cables 6.1.3 Descripción funcional El objetivo de este ejercicio es obtener los valores de pico (máximo valor de potencia) de un número determinado de armónicos para un rango de potencias variables a la entrada del amplificador y con frecuencia fundamental fija. Se generará una señal de un tono en el generador de señal que tendrá una frecuencia fija y variará su nivel de potencia en un barrido, abarcando un rango de potencia que irá desde un valor inicial hasta un valor final con un incremento de paso, todo ello configurable por el usuario en el panel frontal. Para cada tono y nivel de potencia, se buscarán los armónicos en las frecuencias correspondientes en el analizador de espectro, que dependiendo del número de armónicos que se quiera buscar estarán en 𝑓𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑙,2𝑓𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑙,3𝑓𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑙,4𝑓𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑙,5𝑓𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑙, y se guardarán sus valores de potencia en una tabla. Una vez se hayan obtenido todos los resultados, se creará una gráfica donde el eje horizontal representará la potencia de entrada al amplificador y el eje vertical el valor de la potencia de salida del amplificador. Para la realización de esta tarea, el programa en LabVIEW necesitará tener una estructura de la siguiente forma:  Bucle for para el generador de señal. Este bucle se encargará de ir generando el tono a las diferentes potencias en el generador. Comenzará con un valor de potencia inicial e incrementará su valor en cada iteración hasta alcanzar el valor de potencia final.  Bucle for dentro del bucle del generador para controlar el analizador de espectro. Su función es la de configurar los parámetros del analizador necesarios para buscar los armónicos del tono. 49 Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF En cada iteración se buscará un armónico hasta llegar al número de armónicos a buscar que se recibe como parámetro de entrada. Los parámetros configurables por el usuario que podrán ser introducidos desde el panel frontal del instrumento virtual son los siguientes: Generador de señal  Frecuencia central del generador: Es la frecuencia a la que se va a configurar en el generador de señal para realizar la medida.  Potencia Inicial: Primera potencia que tomará el tono a generar en el generador de señal. Medida en dBm.  Potencia Final: Último valor de potencia a generar. Medido en dBm.  Incremento de potencia: Cantidad de potencia que se incrementa en el generador en cada repetición hasta llegar a la potencia final. Medida en dB. Analizador de espectro  Frecuencia central del analizador: Frecuencia de trabajo del analizador de espectro. En el caso que nos ocupa de la medida para un amplificador de potencia, su valor es igual al de la frecuencia central del generador, aunque se pone en otra variable independiente por si en otra ocasión se desea caracterizar un dispositivo que realice conversión de frecuencia, como es el caso de un mezclador.  Armónicos a buscar: Numero de armónicos que se deseen estudiar. El valor máximo es de cinco armónicos. Pérdidas en los cables  Pérdidas a la entrada: Pérdidas en los cables en el trayecto que va del generador al amplificador  Pérdidas a la salida: Pérdidas en los cables para la frecuencia fundamental en el trayecto que va del amplificador al analizador  Pérdidas en los armónicos: Pérdidas en los cables para cada armónico en el trayecto del amplificador al analizador. Desarrollo 56  Configuración del barrido . Con este bloque se pueden configurar las propiedades del barrido. En este caso el único parámetro de entrada que se va a introducir es el valor del ancho de banda de resolución (Resolution Bandwidth)  Configuración de la adquisición . Bloque para configurar las propiedades de adquisición de la medida en el analizador. Se dejarán los valores por defecto que trae, por lo que no es necesario cambiar ninguna propiedad.  Inicialización de la medida . Al ejecutarse este bloque se inicia el barrido en el analizador, es decir, con la configuración previamente introducida se comienza la medida.  Espera de adquisición . Espera a que se complete el barrido en curso. Se incluye para asegurar que los valores que se tomarán después no se adquieran hasta que el barrido esté totalmente finalizado. Si no se incluye es posible que los valores que se obtengan de los armónicos sean incorrectos.  Configuración de marcador . Con este bloque se crea el nuevo marcador del que se van a leer los valores de potencia.  Buscador de pico (Peak Search) . Al ejecutarlo, el marcador se coloca automáticamente en el pico más alto de potencia que aparece en la pantalla.  Lectura del marcador . Su salida entrega el valor numérico en el eje X e Y del marcador utilizado, donde el eje X representa a la frecuencia y el eje Y la potencia. En este caso lo que se leerá será el valor de pico del marcador creado anteriormente, este valor se corresponde con el valor de potencia del armónico (eje Y) que se esté buscando en la iteración del bucle for del analizador. El parámetro que recibirá el bloque de frecuencia será igual al valor de la frecuencia de cada armónico. 𝑓𝑎𝑟𝑚𝑜𝑛𝑖𝑐𝑜𝑛=𝑛·𝑓𝑓𝑢𝑛𝑑𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 donde 𝑛=𝑖+1, ya que el contador i del bucle comienza con el valor 0. Figura 6-13 Configuración de la frecuencia en el analizador 57 Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF Tras un estudio del comportamiento de los armónicos en el laboratorio, se ha determinado cómo deben ser los valores a configurar en el analizador para conseguir los valores correctos. Para la configuración del Span y el Ancho de banda de resolución, se ha observado que el valor que hace que la medida sea fiable es el resultado de dividir la frecuencia del tono fundamental entre cien. 𝑆𝑝𝑎𝑛=𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛=𝑓𝑓𝑢𝑛𝑑𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 100 El caso del Reference Level es algo más complejo ya que variará dependiendo del armónico. Inicialmente se determina un valor inicial resultado de sumar 25 dB a la potencia del tono que se está evaluando. 𝑅𝑒𝑓𝐿𝑒𝑣𝑒𝑙𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 =𝑃𝑡𝑜𝑛𝑜𝑖+25 𝑑𝐵 Partiendo de este nivel, los valores de Reference Level para cada armónico serán: Primer armónico o tono fundamental 𝑅𝑒𝑓𝐿𝑒𝑣𝑒𝑙=𝑅𝑒𝑓𝐿𝑒𝑣𝑒𝑙𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 Segundo armónico 𝑅𝑒𝑓𝐿𝑒𝑣𝑒𝑙=𝑅𝑒𝑓𝐿𝑒𝑣𝑒𝑙𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 −10 𝑑𝐵 Tercer armónico 𝑅𝑒𝑓𝐿𝑒𝑣𝑒𝑙=𝑅𝑒𝑓𝐿𝑒𝑣𝑒𝑙𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 −15 𝑑𝐵 Cuarto armónico 𝑅𝑒𝑓𝐿𝑒𝑣𝑒𝑙=𝑅𝑒𝑓𝐿𝑒𝑣𝑒𝑙𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 −20 𝑑𝐵 Quinto armónico 𝑅𝑒𝑓𝐿𝑒𝑣𝑒𝑙=𝑅𝑒𝑓𝐿𝑒𝑣𝑒𝑙𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 −25 𝑑𝐵 Tabla 6-2 Reference Level para los armónicos Para implementar esto en el programa, se creará una tabla con los valores 0, 10, 15, 20, 25. Cada elemento de esta tabla representa la diferencia que hay que restarle al valor inicial de Reference Level dependiendo del armónico. La variable de conteo i del bucle se encargará de realizar la elección de cada elemento de la tabla, así, se seleccionará el primer elemento cuando i valga 0, el segundo cuando i valga 1 y así sucesivamente. Por ejemplo, cuando i vale 1 se está buscando el segundo armónico, por lo que se cogería el segundo valor de la tabla que es igual a 10 y se sumaría al valor inicial de Reference Level. Por otro lado, el valor máximo que permite configurar el EXA n9010a para el Reference Level es igual a 23 dBm, por lo tanto, se incluye un bloque en el diagrama que limita este valor en caso de que se exceda. Desarrollo 58 Figura 6-14 Configuración del Reference Level en el analizador El bloque es el encargado de devolver el elemento i de la tabla, tal y como se ha comentado, y se encuentra bajo el nombre Index Array en la carpeta Array del menú de funciones. Para limitar los valores finales de Reference Level se usa el bloque que recibirá el límite superior, establecido en 23, y el límite inferior, que como en este caso no genera problema se ha configurado en menos infinito. Este bloque recibe el nombre de In Range and Coerce dentro de la carpeta Comparison de la paleta de funciones. Los valores que se necesitan para caracterizar al amplificador son los de potencia de entrada y potencia de salida al amplificador. Hasta ahora en el generador se han generado tonos con diferente potencia y se han medido los valores de potencia de sus armónicos en el analizador. Estos valores generados y leídos no son los referidos a la entrada y la salida del amplificador, ya que sufren el efecto de las pérdidas en los cables. Con el fin de calcular los valores reales a la entrada y a la salida del amplificador, se van a realizar las siguientes operaciones dentro de este bucle. 𝑃𝑖𝑛𝑎𝑚𝑝 =𝑃𝑜𝑢𝑡𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 −𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑃𝑜𝑢𝑡𝑎𝑚𝑝 =𝑃𝑖𝑛𝑎𝑛𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 +𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 Los valores de pérdidas a la salida se encuentran guardados en una tabla, el acceso a cada uno de sus elementos se haría de igual manera que en la tabla del Reference Level usando el bloque Index Array como se muestra en la siguiente imagen: 59 Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF Figura 6-15 Calculo de la potencia a la entrada y a la salida del amplificador Tras incluir las configuraciones mencionadas y todos los bloques necesarios para el analizador, el resultado del bucle quedaría como en la siguiente imagen: Figura 6-16 Bucle del analizador 6.1.5.3 Formato de los datos En LabVIEW, siempre que se incluye un bucle de cualquier tipo, los datos internos pueden extraerse a la salida del mismo como una tabla o array con los diferentes valores que toma en cada repetición. En este caso, los datos etiquetados como potencia de entrada en el amplificador y potencia de salida del amplificador están saliendo de dos bucles (analizador y generador), por lo tanto, se obtiene una matriz en ambos casos. Desarrollo 60 Para el caso de la potencia de salida del amplificador, la matriz sería de esta forma: ( 𝑃𝐴11 𝑃𝐴21 𝑃𝐴31 … 𝑃𝐴𝑛1 𝑃𝐴12 𝑃𝐴22 𝑃𝐴32 … 𝑃𝐴𝑛2 𝑃𝐴13 𝑃𝐴23 𝑃𝐴33 … 𝑃𝐴𝑛3 ⋮ ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ 𝑃𝐴1𝑚 𝑃𝐴2𝑚 𝑃𝐴3𝑚 … 𝑃𝐴𝑛𝑚 ) donde 𝑃𝐴𝑛𝑚 representa el valor de potencia del armónico n para el tono m. Y para la potencia de entrada en el amplificador: ( 𝑃𝑖𝑛1𝑃𝑖𝑛1𝑃𝑖𝑛1… 𝑃𝑖𝑛1 𝑃𝑖𝑛2𝑃𝑖𝑛2𝑃𝑖𝑛2… 𝑃𝑖𝑛2 𝑃𝑖𝑛3𝑃𝑖𝑛3𝑃𝑖𝑛3… 𝑃𝑖𝑛3 ⋮ ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ 𝑃𝑖𝑛𝑚𝑃𝑖𝑛𝑚𝑃𝑖𝑛𝑚… 𝑃𝑖𝑛𝑚 ) donde 𝑃𝑖𝑛𝑚 es la potencia de entrada al amplificador del tono m. En ambos casos, los valores están ordenados por columnas, sin embargo, el bloque de gráfica XY de LabVIEW necesita que los datos introducidos estén ordenados por fila. Es por ello que se aplicará el bloque Transpose Matrix para obtener ambas matrices transpuestas y así queden preparadas para introducirlas en la gráfica XY. Figura 6-17 Configuración de la gráfica 6.1.5.4 Diagrama de bloques completo A continuación, se muestra el resultado final del diagrama de bloques donde se incluye todo lo explicado en los subapartados anteriores. Nótese que al final de los bucles se han introducido los bloques Close que cierran la conexión GPIB con ambos equipos, además de un bloque RF OUT del generador para parar la salida RF de este instrumento. 61 Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF Figura 6-18 Diagrama de bloques completo del primer ejercicio Desarrollo 62 6.1.6 Ejecución y resultados Para elegir los datos a introducir para configurar la medida, se han tenido en cuenta varios aspectos. La frecuencia máxima con la que se vaya a configurar el analizador no puede estar fuera del rango de frecuencia de trabajo del analizador (26,9 GHz). Esta frecuencia máxima se corresponderá con la del ultimo armónico que se quiera estudiar, por lo tanto, se debe cumplir que: 9 𝑘𝐻𝑧<𝑓𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑙𝑎𝑛𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 <26,9 𝐺𝐻𝑧 𝑛º𝑎𝑟𝑚𝑜𝑛𝑖𝑐𝑜𝑠 Para la potencia final se elegirá un valor cercano a la potencia máxima que el amplificador acepta a su entrada (15 dBm).  Frecuencia Central del generador: 600 MHz  Potencia Inicial: -25 dBm  Incremento: 0,1 dB  Potencia Final: 12 dBm  Frecuencia Central del analizador: 600 MHz  Armónicos a buscar: 5 Con estos valores, en el generador se irán generando tonos de frecuencia igual a 600 MHz con potencias que irán desde los -25 dBm hasta los 12 dBm (cerca del máximo admitido por el amplificador) con incremento de 0,1 dB. Para cada tono se calculará la potencia de salida del amplificador de cada armónico, que estarán situados en las siguientes frecuencias: Primer armónico 600 MHz Segundo armónico 1200 MHz Tercer armónico 1800 MHz Cuarto armónico 2400 MHz Quinto armónico 3000 MHz Tabla 6-3 Frecuencia de los armónicos Tras presionar el botón de ejecución en el panel frontal, el programa comenzará a funcionar y los equipos empezaran a configurarse secuencialmente. El proceso de ejecución durará varios minutos ya que el rango de potencia que se ha configurado es muy amplio. 63 Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF Al finalizar se obtendrá el siguiente resultado en el panel frontal: Figura 6-19 Resultados obtenidos para el primer ejercicio Se obtienen los valores de la componente fundamental o primer armónico (trazo blanco), segundo armónico (trazo rojo), tercer armónico (trazo verde), cuarto armónico (trazo azul) y quinto armónico (trazo amarillo). Observando la gráfica se ve cómo la componente fundamental queda amplificada a la salida del amplificador teniendo un comportamiento prácticamente lineal hasta un punto de potencia de entrada en el que la salida comienza a saturar tomando valores en torno a los 13 dBm que coinciden con lo especificado en la hoja de características del ZJL-6G+ (ver Anexo). Los armónicos siguen un comportamiento similar, pero con potencias de salida menores. Para el cuarto y quinto armónico (trazo azul y amarillo), existe un punto en el que la potencia cae bruscamente para unos valores a la entrada cercanos a 0 dBm. Desarrollo 64 6.2 Ejercicio 2: Modulación ARB Este ejercicio consiste en la realización de una modulación arbitraria de una portadora con una forma de onda definida previamente en MATLAB, que se llevará a cabo mediante el generador de señal R&S SMIQU02B. Al finalizar la modulación se representará su resultado en el dominio del tiempo en el analizador Agilent n9010a. Para realizar una modulación ARB, el generador necesita cargar en su memoria RAM un archivo en formato .wv que contenga las componentes en fase y cuadratura de la forma de onda con la que se quiera modular la portadora. Normalmente, estas formas de onda se definen en MATLAB con la extensión .mat, donde se incluyen las muestras de la componente en fase en la parte real y las de la componente en cuadratura en la parte imaginaria. Por lo tanto, de alguna forma habría que convertir el archivo con extensión .mat a la extensión .wv aceptada por el generador. 𝑥=𝑥𝐼+𝑗𝑥𝑞 Figura 6-20 Componentes en fase y cuadratura Tras la lectura de los datos de la forma de onda por parte del generador, se pasan por el DAC (convertidor analógico-digital) y se modulará a la frecuencia central y potencia de la portadora. La frecuencia de muestreo a la que se interpretan las muestras del fichero .mat corresponde al producto de la tasa de símbolos que se quiera conseguir y el número de muestras por símbolo que se generan al crear la forma de onda en MATLAB. En el analizador se pretende medir los resultados de esta modulación en el dominio del tiempo. Para obtener esta medida es necesario usar otro modo de funcionamiento diferente al de analizador de espectro básico, ya que este solo permite realizar medidas en el dominio de la frecuencia y no en el del tiempo. El modo que se va a utilizar es el VXA por ser más rápido y sencillo a la hora de controlar remotamente. Los controladores de LabVIEW que Agilent proporciona para el n9010a, que se han usado en el ejercicio anterior, no incluyen bloques para configurar el equipo en el modo VXA ni VSA. Debido a esto, para este ejercicio se van a utilizar comandos SCPI en el diagrama de bloques del instrumento virtual LabVIEW para configurar el modo VXA del analizador de espectro. 65 Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF 6.2.1 Esquema de montaje Figura 6-21 Esquema de montaje para el ejercicio 2 En este ejercicio el montaje es más simple que en el anterior, ya que solo se va a hacer uso del analizador de espectro, del generador de señal y de un ordenador configurado con LabVIEW que también tenga instalado MATLAB. 6.2.2 Descripción funcional Para la realización de la modulación ARB, el generador recibirá de manera externa el archivo con la forma de onda en el formato correcto, además de la frecuencia de muestreo, frecuencia central y potencia que el usuario desee configurar para la portadora. Una vez generada la señal modulada, el analizador de espectro se configurará para hacer la medida en el tiempo correctamente y para enviar los datos a LabVIEW y que queden representados en gráficas. Los resultados se representarán en dos displays, uno mostrando los valores en el tiempo de la componente I de la señal modulada y la otra los valores de la componente Q. En este ejercicio se utilizarán las estructuras de secuencia para cada instrumento, de esta forma se garantizará que el analizador comienza a realizar la medida después de que el generador haya acabado y enviado por su salida RF OUTPUT la señal modulada. Los parámetros de entrada de este instrumento virtual son los siguientes: Conversión de .mat a .wv  Ruta: Aquí se indicará la dirección de la carpeta donde se localizará el archivo .mat a convertir. Dentro de esta carpeta se guardará el fichero resultante de la conversión.  Nombre del fichero .mat: Nombre que el fichero .mat tiene dentro de la ruta.  Nombre del fichero .wv a convertir: Nombre con el que se quiere guardar el nuevo fichero Desarrollo 72 El bloque se encarga de convertir un valor numérico en cadena de caracteres (string) y se puede localizar en la carpeta String>Number/String Conversion de la paleta de funciones. Como es lógico, el otro bloque es el que realiza la concatenación de ambas cadenas de caracteres, se encuentra en la carpeta String. Existe un problema a la hora de usar los valores numéricos del panel frontal como parámetros de los comandos SCPI. Por defecto LabVIEW viene configurado de tal forma que utiliza la coma como separador decimal, esto es así porque se configura automáticamente dependiendo del país que se haya indicado en su instalación. Por otro lado, los equipos solo aceptan el punto como separador decimal a la hora de recibir comandos SCPI. Para evitar este problema, se va a configurar LabVIEW para que utilice el punto como separador en todo momento. Desde el menú Tools/Options se debe desmarcar la opción Use localized decimal point en la pestaña Front Panel. Figura 6-27 Configuración de la separación decimal en LabVIEW El siguiente paso a realizar es la obtención en bruto (RAW) de los valores medidos en el analizador. Los valores leídos del analizador incluirán el valor de la componente en fase seguido del valor de la componente en cuadratura y así sucesivamente, por lo tanto, las componentes en fase se encuentran en las posiciones impares del vector recibido y las componentes en cuadratura en las posiciones pares. Para separar ambas componentes y tenerlas organizadas independientemente, se incluye un bloque de MATLAB con el siguiente código: stack = str2num(data); % Convierte de cadena de caracteres a valor númerico ii = stack(1:2:end); % Obtiene las componentes impares del vector (FASE) qq = stack(2:2:end); % Obtiene las componentes impares del vector (CUADRATURA) i=resample(ii,32,25); q=resample(qq, 32, 25); El analizador utiliza una frecuencia de muestreo igual a 1.28·𝑆𝑃𝐴𝑁 para coger las muestras de la señal. Con el objetivo de eliminar ese factor de 1.28, en el código anterior se ha incluido una función de remuestreo con factor 32/25. La parte encargada de obtener los datos del analizador tendrá esta forma: 73 Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF Figura 6-28 Obtención de medidas para el ejercicio 2 A la hora de hacer la gráfica final, se necesitan conocer los valores del eje del tiempo. Para recoger esta información se usa de nuevo un bloque de MATLAB que tiene el siguiente código: tt = str2num(data2); % Convierte de cadena de caracteres a valores numéricos tt=resample(tt,32,25); t=tt.*1000; % Para representar su resultado en milisegundos De la misma forma se ha usado la función resample para que coincidan los valores del tiempo con los de la muestra. Figura 6-29 Obtención de los valores del tiempo para el ejercicio 2 Las variables de salida de los bloques de MATLAB que toman el nombre i, q y t se conectaran con los bloques de gráficas para dibujar el resultado. El procedimiento es el mismo que en el ejercicio 1 y se puede ver en el diagrama de bloques final. 6.2.4.4 Diagrama de bloques completo A continuación, se muestra el resultado del diagrama de bloques completo tras añadir todo lo comentado en esta sección. Desarrollo 74 Figura 6-30 Diagrama de bloques del ejercicio 2 (parte 1) 75 Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF Figura 6-31 Diagrama de bloques del ejercicio 2 (parte 2) Desarrollo 76 6.2.5 Ejecución y resultados Para la ejecución de este ejercicio se ha elegido una forma de onda con 8 muestras por símbolo y una tasa de 3.84 Msps, lo que da una tasa de muestreo de 30.72 MHz. Es una señal con modulación QPSK con filtrado tipo coseno alzado con un factor de roll off igual a 𝛼=0.22 que se corresponde con el estándar WCDMA del 3GPP de la tercera generación de comunicaciones móviles. El código en MATLAB que genera esta forma de onda con extensión .mat se puede encontrar la sección Anexos. Los parámetros introducidos para esta medida son:  Forma de onda: x_wcdma.mat  Frecuencia de la portadora: 1 GHz  Potencia de la portadora: -10 dBm  Frecuencia central del analizador: 1 GHz  Span: 7.68 MHz  Tiempo a capturar: 0.001 segundos  Rango de potencia: 0 dBm  Número de puntos: 409601 Para el valor de Span se ha elegido el doble de 3.84 MHz que es aproximadamente el ancho de banda de la señal a obtener. El tiempo a capturar con valor de 1 ms es el máximo con el que se ha podido hacer la ejecución sin generar problemas de memoria en LabVIEW. Como rango de frecuencia se ha introducido un valor alto, ya que, si se elige un valor por debajo del máximo de la señal obtenida, se saturará la potencia de la señal en el analizador obteniendo el mensaje OV1. El número de puntos es el máximo permitido por el analizador. Figura 6-32 Resultados obtenidos para el segundo ejercicio 77 Plataforma para la caracterización experimental de dispositivos de RF El resultado obtenido tras la ejecución en el panel frontal se muestra en la Figura 6-32. Por otro lado, en la pantalla del analizador estas son las gráficas obtenidas de la medida: Figura 6-33 Resultados obtenidos en el analizador para el segundo ejercicio 79 7 CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS DE TRABAJO Durante este proyecto se ha demostrado satisfactoriamente cómo el diseño de una plataforma experimental desarrollada en LabVIEW ofrece una herramienta de trabajo muy valiosa a la hora de controlar de forma remota instrumentación de medida. Gracias a esto ha sido posible facilitar la realización de medidas con el fin de caracterizar dispositivos de RF, de modo que el usuario final no tenga que interaccionar directamente con el equipo y pueda configurar sus parámetros desde la ventana del panel frontal. Lo más importante de esta herramienta es el tiempo que puede llegar a ahorrarse en realizar medidas que necesiten cientos o miles de configuraciones de los equipos. Tomando como ejemplo la medida realizada en el primer ejercicio donde se hace un barrido en potencia que va desde -25 dBm hasta 12 dBm con paso de 0.1 dB, harían falta un total de 1900 configuraciones que se tendrían que haber hecho de forma manual si no se contara con una herramienta como ésta. Otra de las ventajas que se ha podido comprobar en el transcurso de la memoria, es la rápida curva de aprendizaje que tiene el lenguaje de programación gráfico, ya que evita tener que usar líneas de código u otras disciplinas de programación y permite que un usuario cualquiera que no esté familiarizado con LabVIEW pueda entender la estructura de un instrumento virtual en pocos minutos. Aprovechando lo diseñado en este proyecto se pueden afrontar nuevos objetivos como por ejemplo el estudio de la predistorsión u otras técnicas de linealización para el diseño de amplificadores que mejoren la linealidad, algo que sería de gran importancia en los sistemas de radiocomunicación actuales. Uno de los problemas que han surgido durante la realización ha sido la inexistencia de ciertos bloques en los controladores que permitan configurar ciertos parámetros en los equipos. Puede resultar interesante diseñar este tipo de bloques mediante la creación de subVIs que usen internamente comandos SCPI, de este modo, se evitaría por completo el uso de comandos que puedan resultar confusos. 81 8 BIBLIOGRAFÍA [1] Ronald W. Larsen. LabVIEW for Engineers, 1st Edition, Pearson, 2010. [2] Joaquín del Río Fernández. LabVIEW: Programación para Sistemas de Instrumentación, Ed. Garceta, 2011. [3] María José Madero Ayora, Carlos Crespo Cadenas. Prácticas de la asignatura Fundamentos de Radiocomunicación. 2015. [4] National Instruments. LabVIEW Getting Started:http://www.ni.com/getting-started/labviewbasics/esa/ . [5] Wikipedia. Wikipedia, la enciclopedia libre:https://es.wikipedia.org . [6] Agilent N9010A EXA, Specifications Guide. [7] Rohde & Schwarz Vector Signal Generator SMIQ02B, Operating Manual. [8] 89601X VXA, Measurement Application User’s and Programmer’s Reference.