INFORME 1, LABORATORIO DE PROPAGACIÓN 1

Práctica #1: Reconocimiento del USRP/PXI.Paúl Esteban Vintimilla Tapia.María Fernanda Mena Salcedo.

Universidad Politécnica Salesiana Sede Cuenca

Resumen—En el siguiente documento se desarrollará el in-forme correspondiente a la Práctica #1 del Laboratorio dePropagación. Se dará una introducción a dos dispositivos quese utilizarán como base para realizar diferentes tareas, estos sonel módulo NI USRP 2920/21 y el módulo NI PXI; se detallaráncaracterísticas de los mismos, su modo de funcionamiento. Elpresente es un documento informativo que tiene como finalidadfamiliarizar al estudiante con los dispotivos mencionados.

Index Terms—Laboratorio de telecomunicaciones, NI PXI, NIUSRP 2920/21.

I. OBJETIVOS

I-A. Objetivo General

Realizar el reconocimiento de los módulos NI USRP2920/21 y NI PXI disponibles en el Laboratorio de Teleco-municaciones.

I-B. Objetivos Específicos

Detallar el funcionamiento y características del móduloNI USRP 2920/21.Detallar el funcionamiento y características del móduloNI PXI.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

II-A. USRP

El USRP (Universal Software Radio Peripheral) es untransceptor flexible y rentable que convierte una PC estándaren un potente sistema de generación de prototipos inalám-bricos. Combinado con el Paquete para Comunicaciones deLabVIEW, los transceptores USRP le ayudan a generar proto-tipos de una amplia variedad de sistemas de comunicacionesinalámbricos MIMO y de un solo canal.[1]La mayoría de USRPs se conectan a una computadora host através un enlace de alta velocidad, donde el software basadoen el host es usado para controlar el hardware del USRP yasí transmitir/recibir información. En la Figura 1., se puedeobservar físicamente el NI USRP 2920/21.[1]

Paúl Esteban Vintimilla Tapia, Estudiante de la carrera de IngenieríaElectrónica y Telecomunicaciones de la Universidad Politécnica SalesianaSede Cuenca, e-mail: pvintimillat@est.ups.edu.ec.

Ricardo Manuel Prieto Galarza, Estudiante de la carrera de IngenieríaElectrónica y Telecomunicaciones de la Universidad Politécnica SalesianaSede Cuenca, e-mail: mmenas@est.ups.edu.ec.

Figura 1. NI USRP.[1]

Beneficios:El Paquete para Comunicaciones de LabVIEW conjuntocon el USRP permiten generar prototipos de sistemas decomunicaciones y RF. Desarrolle un sistema completode comunicaciones inalámbricas usando el entorno in-tuitivo de programación LabVIEW que soporta DSP develocidad variable para comunicaciones de capa física yademás integra scripts de archivos .m y algoritmos delenguaje C.[1]Con los transceptores USRP los estudiantes pueden ad-quirir experiencia explorando un sistema de comunica-ciones con señales en vivo para desarrollar una mejorcomprensión de la teoría y la implementación.[1]

II-B. PXI

La sigla PXI, hace referencia a PCI eXtensions for Ins-trumentation, (PCI: Peripheral Component Interface) que esun estándar introducido en 1998, desarrollado por NationalInstruments, esencialmente para pruebas y medidas automati-zadas, implementado en una robusta plataforma modular. Deesta manera, el estándar resulta muy versátil y abierto a recibirmódulos de múltiples fabricantes en las carcasas asociadas, enfactor de forma de 3U (100mm x 160mm) o 6U (233.35mmx 160mm) (U: Unidad de rack).[2]

PXI está basado en CompactPCI (cPCI), que es el másreciente estándar para computadores industriales basados enPCI, y sus aspectos mecánicos se encuentran establecidospor especificaciones Eurocard (ANSI 310-C, IEC-297, IEEE1101.1, IEEE 1101.10, y P1101.11). Eurocard, como formatoestándar para tarjetas de circuito impreso, es quien estableceel sub-rack (sub-bastidor o chasis) y la forma en que ésterecibe las tarjetas o módulos en sus ranuras, viéndose éstascomo libros en un estante, que se deslizan hasta alinearsecon la parte frontal. En la parte trasera de las tarjetas se

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encuentra un conector que se adapta a un backplane (planotrasero) que es quien cierra el sub-bastidor. Eurocard no defineel tipo de conector ni las señales presentes en el plano traseroo en las tarjetas, solo se encarga de especificar los aspectosmecánicos.[2]

En la actualidad existe un consorcio internacional inde-pendiente denominado PXI System Alliance (PXISA) que seencarga de promover y mantener el estándar y su especifica-ción, así como asegurar la compatibilidad entre los diversosfabricantes que aportan a éste sus desarrollos. El crecimientoha sido rápido desde la adopción del estándar, y según laweb de la organización, hoy se encuentran más de 1150productos PXI disponibles y más de 56 compañías de todoel mundo son miembros de PXISA, entre los que se destacanNational Instruments, Pickering, Gigatronics y muchas otrasque enriquecen constantemente el estándar con productos yplataformas orientadas a diversos campos como son las comu-nicaciones, medidas basadas en equipos de cómputo, cienciasde la vida, análisis químico, automatización y muchos otros.La especificación PXI incluye: descripción de los módulos,especificación de hardware y de software. Constantemente seestá sometiendo a revisiones para hacerlo más compatible contecnologías ya existentes y nuevos desarrollos. La plataformaPXI para prueba y medida, debe ser entendida como unconjunto operacional en el que interactúan los módulos, elchasis, el controlador y el software.[2]

Figura 2. NI PXI.[2]

II-B1. Módulos: Estos son las tarjetas que ofrecen elhardware específico para la aplicación a desarrollar, que seacomodan de forma deslizante en las ranuras del chasis,dejando hacia la parte externa los conectores que correspondena entradas y salidas, dependiendo de cada módulo. El aspectofísico de los módulos se aprecia en la Fig. 1. Mecánicamente,los módulos pueden obtenerse con factor de forma de 3Uo 6U, dependiendo de la plataforma a la que se vayan aasociar. Actualmente se consiguen en el mercado, móduloscon conectores que permiten su uso en chasis PXI y PXIexpress, que es la última adición tecnológica a la plataforma yque ha supuesto mejoras en ancho de banda y característicasde tiempo y sincronización. Más adelante se aclarará mejoreste punto. En la parte delantera inferior de los módulos, seencuentra una manija que sirve para eyección e inserción delos mismos, definida por el estándar IEEE 1101.10.[2]

II-B2. Chasis: El sub-bastidor o chasis es parte fundamen-tal del sistema, puesto que aloja los módulos y el plano traseroque conforman el hardware de la plataforma, y responde a lasespecificaciones Eurocard antes mencionadas. El plano traseroes la tarjeta que aloja los conectores donde se acoplarán losmódulos al ser deslizados hasta el final en las ranuras de

ampliación del sub-bastidor, e incluye según la especificacióny tecnología, el bus PCI, así como buses de temporización ydisparo. La Fig. 3 muestra tres ejemplos de planos traserospara plataformas PXI.[2]

En el plano trasero se encuentran el bus PCI, un reloj dereferencia de sistema dedicado de 10 MHz, un bus de disparoPXI, un bus Star Trigger y un bus local encargado de lainterconexión de todas las ranuras, cumpliendo funciones detemporización, sincronización y comunicación En el diagramade bloques de la Fig. 4 se aprecia esta configuración.[2]

II-B3. Controlador: Los chasis PXI por lo general cuentancon una ranura para controlador de sistema embebido, estaes la ranura que se encuentra más a la izquierda, y diversosfabricantes ofrecen controladores que permiten hacer al siste-ma más manejable en caso de transporte, reduciéndolo todoa un solo paquete. Aparte de esta opción también se puedecontrolar el sistema por PC externa o PC portátil, dependiendode las necesidades del usuario. Un controlador embebidointegra todo los componentes estándar de un computador enun solo módulo acomodable en el chasis, ofreciendo todas lasprestaciones que un PC de escritorio o portátil, esto es, salidade video, puertos USB, Ethernet, teclado mouse y todo aquellocon lo que se puede contar en un PC normal. Generalmentetambién permite la instalación de sistema operativo MicrosoftWindows en sus últimas versiones o sistemas en tiemporeal ofrecidos por algunos desarrolladores (como LabVIEWReal-Time de National Instruments). La Fig. 8 muestra uncontrolador embebido para PXI del fabricante GEOTEST.[2]

II-B4. Software: Por estar basado en la tecnología del busPCI, PXI es totalmente compatible con sistemas operativosWindows en sus últimas versiones, esto se corrobora en suúltima especificación de software, lo que lo hace totalmentecompatible con interfaces de programación de aplicacionesestándares en la industria, tales como NI LabVIEW, LabWin-dows™/CVI y Measurement Studio de National Instruments;Visual Basic y Visual C/C++ de Microsoft; y ATEasy deGeotest-Marvin Test Systems, Inc. Por medio de la interfazde programación se configura el hardware asociado paradesarrollar la función requerida. En cuanto a sistema operativo,es posible que se pueda ejecutar una opción de tiempo real.[2]

III. EQUIPOS Y/O HERRAMIENTAS UTILIZADAS

Módulo NI USRP 2920/21Módulo PXILabVIEW.

IV. DESARROLLO/PROCEDIMIENTOS

IV-A. NI USRP 2920/21

Los transceptores NI USRP-292x ofrecen aprendizaje re-levante y práctico en laboratorio en RF y comunicacionescomo parte de una solución de enseñanza rentable. NationalInstruments aprovecha el poder del software NI LabVIEW yel hardware Ettus Research para ofrecer estos transceptoresrentables de radio definido por software (SDR) para unaexperimentación de comunicaciones en múltiples bandas defrecuencia.

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IV-A1. Características:

Hasta 20 MHz de banda base I/Q con transmisión dehasta 25 MS/s para procesamiento basado en servidorescon NI LabVIEW.Frecuencia ajustable desde 50 MHz hasta 2.2 GHz cu-briendo radio FM, GPS, GSM, radar y bandas ISM.Transmisor:

• Máxima Potencia: De 50 mW hasta 100 mW (50MHz hasta 1.2 GHz) y desde 30 mW hasta 70 mW(1.2 GHz hasta 2.2 GHz).

• Rango de ganancia: De 0 a 31 dB.• Ganancia de paso: 1 dB.• Precisión de frecuencia: 2.5 ppm.• Máximo ancho de banda instantáneo en tiempo real:

16 muestras por bit a 20 MHz y 8 muestras por bita 40 MHz.

• Máximo rango de muestreo I/Q: 16 muestras por bita 25Ms/s y 8 muestras por bit a 50 Ms/s.

• DAC: 2 canales, 400 Ms/s, 16 bit.• DAC SFDR: 80 dB.

Receptor:

• Rango de frecuencia: De 50 MHz a 2.2 GHz.• Paso de frecuencia: <1 kHZ.• Rango de ganancia: De 0 a 31.5 dB.• Ganancia de paso: 0.5 dB.• Máxima potencia de entrada: 0 dBm.• Relación de ruido: De 5 dBm a 7 dBm.• Precisión de frecuencia: 2.5 ppm.• Máximo ancho de banda instantáneo en tiempo real:

16 muestras por bit a 20 MHz y 8 muestras por bita 40 MHz.

• Máximo rango de muestreo I/Q: 16 muestras por bita 25Ms/s y 8 muestras por bit a 50 Ms/s.

• DAC: 2 canales, 100 Ms/s, 14 bit.• DAC SFDR: 88 dB.

IV-B. NI PXIe-1075, Chasis PXI Express 3U de 18 Ranurascon AC - Hasta 4 GB/s

El chasis NI PXIe-1075 de 18 ranuras tiene un planotrasero de alto ancho de banda para cumplir con un ampliorango de necesidades de aplicación de pruebas y medidasde alto rendimiento. El máximo número de ranuras del NIPXIe-1075 proporciona una solución para sistemas de muchoscanales. El rango de temperatura de operación del chasis seextiende a 55 °C para aplicaciones que necesitan rendimientoen enfriamiento. También incorpora todas las características dela última especificación PXI incluyendo soporte para módulosPXI y PXI Express con un reloj de referencia integrado de10 MHz, bus de disparo PXI y disparo en estrella PXI paramódulos PXI y un reloj de referencia integrado de 100 MHz,SYNC100 y disparo en estrella PXI diferencial para módulosPXI Express.

Figura 3. NI PXIe-1075.[2]

IV-B1. Características:

Tiene 8 ranuras híbridas, 8 ranuras PXI Express, 1 ranurade temporización del sistemaPXI Express.Potencia total de 791 W.Compatible con módulos PXI, PXI Express, CompactPCIy CompactPCI Express.Alto rendimiento - hasta 1 GB/s por ranura de ancho debanda dedicado y 4 GB/s deancho de banda del sistema.Bajo Inestabilidad interna de referencia de 10 MHz dereloj para las ranuras PXI con laestabilidad de 25 ppm.Bajo Inestabilidad interno de 100 MHz de reloj dereferencia de ranuras PXI Expresscon la estabilidad de25 ppm.El funcionamiento silencioso de 0 a 30 ° C a 45 dB.Control variable de velocidad del ventilador de refrige-ración y optimiza las emisionesacústicas.Distancia de poder inhibir el control.Cumple con las especificaciones de PXI y CompactPCI.

IV-C. NI PXIe – 5672, Generador de Señales Vectoriales de2.7 GHz

El PXIe-5672 de National Instruments es un generadorRF de señales vectoriales de 2.7 GHz con conversión digitalen cuadratura. La conversión digital brinda un mecanismoeficiente de generación de forma de onda que resulta enuna tremenda reducción de descarga y tiempo de generaciónde señal. El PXIe-5672 brinda resolución de 16 bits parageneración arbitraria de forma de onda a 100 MS/s (400 MS/sinterpolado), memoria hasta 512 MB y ancho de banda entiempo real de 20 MHz. El NI PXIe-5672 puede generarformatos de modulación personalizados y estándar tales comoAM, FM, PM, ASK, FSK, MSK, GMSK, PSK, QPSK, PAMy QAM. El NI Modulation Toolkit para LabVIEW acompañaal NI PXIe-5672, brindando funciones y herramientas parageneración de señal, análisis, visualización y procesamientode formatos de modulación estándar y personalizados tantodigitales como analógicos. La funcionalidad combinada delNI PXIe-5672 y el Modulation Toolkit brindan una soluciónaltamente flexible y potente para aplicaciones de investigacióncientífica, electrónica de consumo, comunicaciones, aeroespa-cial/defensa y pruebas de semiconductor así como áreas emer-gentes incluyendo radio definido por software, identificaciónpor radio frecuencia (RFID) y redes inalámbricas de sensores.

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Figura 4. NI PXIe-5672.[2]

IV-C1. Características:250 kHz a 2.7 GHz.Memoria de 32, 256 o 512 MB.Ancho de banda en tiempo real 20 MHz.Habilidad para escribir a disco con ancho de bandacompleto.16-bit de resolución, 100 MS/s la generación de formade onda arbitraria (400 MS/s con interpolación).Ancho de banda completo de la corriente del discocapacidad.Alta estabilidad de la base de tiempo (10 MHz OCXO).± 20 ppb estabilidad de frecuencia.± 50 ppb precisión de la frecuencia.-145 dBm a +10 dBm de potencia de salida.

IV-D. NI PXIe-5652, Generador de Señal de RF y Microon-das con Capacidad de Modulación

El generador de señal de RF y microondas PXI-5652 deNational Instruments es onda continua con capacidad paramodulación. En una sola ranura 3U PXI, el generador de señalNI PXI-5652 brinda desfase de ruido y fluctuación de señal.Con el generador de señal de RF y microondas de 6.6 GHzPXI-5652, usted puede instalar fácilmente aplicaciones sofis-ticadas de estímulo-respuesta o generador de rastreo usandoel analizador de señal RF vectorial NI PXI-5660 y el entornode desarrollo gráfico LabVIEW de National Instruments.

Figura 5. NI PXIe-5652.[2]

IV-D1. Características:Capacidad para utilizar con el NI PXI-5660 analizadorde señal RF vectorial para aplicaciones de respuesta deestímulo.

Menos de 2 ms frecuencia de barrido de ajuste típico develocidad.Menos del 1 ppb resolución de frecuencia.-110 DBc / Hz ruido de fase a 1 GHz, 10 kHz offsettípica.FM, 2-FSK, la modulación OOK.500 kHz a 6,6 GHz de frecuencia.

IV-E. NI PXIe-5622, Digitalizador de 16 Bits, 150 MS/s paraComunicaciones

El NI PXIe-5622 es un digitalizador de 150 MS/s con pro-cesamiento de señales en tarjeta (OSP). Las funciones de OSPincluyen conversión digital hacia abajo de cuadratura (DCC),conversión digital real hacia abajo y filtrado de aliasing. ElNI PXIe-5622 es ideal para aplicaciones de comunicacionescon su alto rango dinámico y una interfaz PXI Express de altorendimiento que le permite escribir datos IF a disco por horasen una velocidad de muestreo completa de 150 MS/s.

Figura 6. NI PXIe-5622.[2]

IV-E1. Características:Muestreo en tiempo real de 150 MS/s.Banda de 3 a 250 MHz en modo de trayectoria directao ancho de banda centrada de50 MHz a 187.5 MHz.Resolución de 16 bits.Habilidad para escribir a disco a una velocidad de mues-treo por horas con PXI Express.Conversión digital hacia abajo de cuadratura (DCC) conhasta 60 MHz IF de ancho debanda.Acoplado en AC solamente; filtrado con protección con-tra alias para todas las velocidades de muestreo.

IV-F. NI PXI-2596, Multiplexor (SP6T) 6x1 Dual de 26.5GHz

El NI PXI-2596 es un módulo multiplexor de conmutación6x1 dual para enrutar señales de RF o de microonda enaplicaciones de pruebas automatizadas. Al estar diseñado paraoperar con menos de 1 dB de pérdida de inserción hasta 26.5GHz, el PXI-2596 es casi invisible para señales a frecuenciasmucho menores también. Ofrece una opción de multiplexor sinterminación de alta densidad con bancos de multiplexor 6x1dual en el mismo módulo. El PXI-2596 también es adecuadopara pasar armónicos de alto orden desde convertidores de RF,como el generador RF de señales vectoriales NI PXIe-5673 de6.6 GHz, o para enrutar múltiples recursos a convertidores de

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RF, como el analizador RF de señales vectoriales NI PXIe-5663 de 6.6 GHz.

Figura 7. NI PXIe-2596.[2]

IV-F1. Características:

Rendimiento de 26.5 GHz (típico): Perdida de inserciónde -0.3 dB; VSWR de 1.25Rendimiento de 6.6 GHz (típico): Perdida de inserciónde -0.15 dB; VSWR de 1.13Impedancia característica de 50 ohm.Rastreo interno de cuenta de relés.Habilidad para almacenar información sobre calibraciónde RF con NI Switch Executive.Totalmente programable.

IV-G. NI PXIe-8108, Controlador PXI Express EmbebidoDual-Core de 2.53 GHz

El NI PXIe-8108 es un controlador embebido Intel Core2 Duo de alto rendimiento basado en T9400 para usarseen sistemas PXI Express y CompactPCI Express. Con suprocesador de 2.53 GHz dual-core, memoria de 800 MHzDDR2 y 6 MB de L2 cache, el PXIe-8108 es ideal paraaplicaciones de instrumentación modular y de adquisición dedatos.

Los procesadores dual-core tienen dos núcleos o sistemasde cómputo, en un solo paquete. Pueden ejecutar simultánea-mente dos tareas de cómputo, lo cual es útil para entornos demúltiples tareas, como Windows XP, donde múltiples aplica-ciones se ejecutan simultáneamente. Dos aplicaciones puedentener acceso a un núcleo del procesador separado al mismotiempo, lo cual mejora el rendimiento. Los procesadores dual-core también son ideales para aplicaciones con hilos múltiples,como el software NI LabVIEW, el cual brinda a la aplicaciónla habilidad de separar tareas en threads individuales. Unprocesador dual-core puede ejecutar simultáneamente dos deestos threads.

Figura 8. NI PXIe-8108.[2]

Procesador dual-core Intel Core 2 Duo T9400 de 2.53GHz.Hasta 25 % mayor rendimiento que el PXI-8106.Incluye memoria RAM estándar DDR2 de 1 GB (1DIMM x 1 GB) de 800 MHz, máximo 4GB.Tarjeta Ethernet de 10/100/1000 BaseTX (gigabit), ranurapara ExpressCard/34 y 4puertos de Hi-Speed US.Disco duro integrado, GPIB, serial y otros periféricos deE/S.Windows OS y controladores ya instalados.

V. CONCLUSIONS

With the development of this practice was learned the NIUSRP 2920/21 and NI PXI modules, the features they haveand how they work. The module NI USRP is a transceiverthat allows transmission and reception of data using Labviewsoftware, using various modulations that are programmed intothe software.

NI PXI modular instrumentation defines a rugged com-puting platform for yautomatización measures that leveragesadvances in technology mainstream PC industry. Alaprovecharstandard PCI bus systems puedenbeneficiarse PXI modularinstrumentation software and hardware components available.The fromSoftware applications and operating systems that runon PXI systems are already known because yase used incommon desktop PCs. NI PXI meets your needs by addingrugged empaqueindustrial, many slots for I/O and features thatprovide habilidadesavanzadas timing and triggering.

REFERENCIAS

[1] National Instruments. Disponible en: http://www.ni.com/usrp/esa/[2] National Instruments, PXI. Available at:

http://www.ni.com/pxi/whatis/esa/