Generadores Arbitrarios (AWG)

Agenda Introducción a los Generadores Arbitrarios Herramientas de Creación de Formas de Onda Aplicaciones de los AWG Ejemplos Sumario

Modelo Estímulo-Respuesta DUT Medida Osciloscopios Analizadores Lógicos Analizadores Espectro Estímulo Gen. Arbitrarios Gen. Funciones Gen. De Datos Fuentes Modulación Gen. de Pulsos Prueba de Sistemas con Señales Ideales Prueba de circuitos con señales marginales o en las peroes condiciones Caracterización de sistemas con parámetros de entrada variantes Pruebas funcionales en fabricación Sustitución de módulos durante las pruebas de integración

Generadores Arbitrarios (AWG, Arbitray waveform Generators) Caso particular de sistema DDS (Direct Digital Synthesis) para su uso en aplicaciones de instrumentación. Existen en una gran variedad de formatos: Sobremesa (control GPIB) Tarjetas (VXI/VME/Tarjetas PCI/CompactPCI/PXI) Aislados o asociados a generadores de funciones tradicionales. AFG (Arbitrary Function Generator): Generadores de funciones con arquitectura interna DDS. Permite utilizar la tabla de “Lock-Up” con funciones definidas por el usuario. Generadores de RF: Cada vez más generadores de RF/mW incorporan AWG internos como técnica para la generación de las señales en banda base para modulaciones digitales complejas. Generadores/Analizadores de Audio y FFT

AWG: Diagrama de Bloques Funcional Contador Direcciones Memoria Generador de Reloj Características Principales: Memoria Reloj Muestreo Preciso Convertidor D/A Amplificador de Salida Dirección de Memoria Reloj de Muestreo Nivel/Offset/ Atenuación Resolución Vertical DAC Filtro Salida Velocidad de Muestreo hsasta 2.6 GS/s Datos de la Memoria Resolución Vertical Nivel de Salida Resolución Vertical Puntos Horizontales Puntos Horizontales Salida Imagen de la Memoria Salida del Convertidor D/A Salida Final Analógica

Parámetros Básicos de un AWG Velocidad de Muestreo: Velocidad máxima del convertidor D/A. Ancho de banda analógico. Resolución Vertical: Número de bits del convertidor D/A del generador. Amplitud y Offset. Longitud de Registro: Número de muestras en la memoria de generación del generador. Memoria segmentable. Número de Canales. Analógicos. Digitales.

Conversión D/A: Espectro

Conversión D/A: Resolución y Ruido de Cuantización SQR (Signal Quality Ratio): Para un D/A perfecto SQR=1.76+6.02B B Bits de Resolución y 100% FS

Conversión D/A: Sobremuestreo La potencia de ruido de cuantización se distribuye más o menos de forma uniforme en toda la banda de Nyquist: SQR= 1.76 + 6.02B + 20log(FFS) + 10log(FsOS/Fs)(dB)

Conversión D/A: Filtrado de la Salida Para generar la señal original es necesario eliminar todas las imágenes (“alias”) creadas por la conversión D/A. El filtro ideal sería una combinación entre el “Brick Wall”, el f/sin(f), y el inverso de la respuesta analógica con fase lineal. Un mayor sobremuestreo facilita la recuperación de la señal de salida ya que hace más facil la implementación física del filtro. Parte de la tarea de filtrado puede ser realizada por predistorsión lineal de la señal en el momento de su cálculo.

Conversión D/A: Modulación Sigma-Delta Técnica para la mejora local de la potencia de ruido de cuantización.

Conversión D/A: Utilización de las Señales Imágenes Técnica para extender el rango de frecuencia más allá del límite de Nyquist.

Memoria de Generación: Longitud de Registro La ventana temporal, la velocidad de muestreo y la longitud de registro están relacionadas mediante la fórmula: Twindow=RL X (1/Sr)=RL/Sr La generación continua de señales se produce mediante la repetición continua de la señal en memoria. El espectro de la señal de salida se compone de líneas espectrales con separación 1/Twindow El ruido de cuantización es periódico

Memoria de Generación: Secuenciación Algunos equipos pueden incrementar la complejidad de las señales mediante el uso de técnicas de segmentación de la señal y de secuenciación en tiempo real.

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Herramientas de Creación (I) Los AWG modernos disponen de herramientas internas y/o externas para la creación de formas de onda basadas en: Definición de la señal punto a punto, por tramos, mediante interpolación o a mano alzada (mouse) Definición mediante fórmulas matemáticas Importación de señales del mundo real adquiridas mediante osciloscopios digitales Definición de las señales en el dominio de la frecuencia Editores de secuencias para largos periodos de repetición y/o señales complejas modulares Librerías de aplicaciones específicas (modulación digital, señales de comunicaciones, jitter, etc)

Herramientas de Creación (II) Uso de herramientas externas: Programas de simulación Paquetes para aplicaciones específicas: “generadores virtuales” Paquetes matemáticos o de cálculo: MATHCAD, MATLAB, MATHEMATICA, EXCEL Paquetes de análisis de señal y control de instrumentación: LabVIEW, LabWindows/CVI Importación/Comunicación: Interfaz GPIB, RS-232 Transferencia de ficheros (floppy, NFS, FTP) Control / Transferencia mediante TCP/IP y red Ethernet

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Aplicaciones de los AWGs Los AWGs proporcionan la capacidad de realizar pruebas de anomalías en una gran variedad de aplicaciones Jitter Ruido Unidades de Disco Semiconductores Filtrado Timing Wireless Otras

Aplicaciones de los AWGs Telecomunicación Diseño y Prueba: Sistemas ATM Componentes RF Estaciones Base Transceptores Móviles Amplificadores Teléfonos Celulares Digitales Redes y Receptores de Radio Digital Sistemas de Satélite Pagers RF Sistemas Multi-standard Tareas: Simulación de señales TDMA y CDMA Modulación Digital Implementación de Anomalías Militar/Aerospacial Diseño y Prueba de Sistemas de Radar

Aplicaciones de los AWGs Ordenadores y Perféricos Diseño y Prueba Funcional: Unidades de Disco Tarjetas Lógicas Back-planes Simulación de Buses Electrónica Industrial Pruebas de Materiales Ingeniería de Control Robótica Electrónica de Potencia Instrumentación Automoción/Transporte Sistemas de Control Electrónico de Motores (ECU) Airbag Sistemas Anti-Bloqueo de Frenos (ABS) Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado Semiconductores Caracterización de Componentes CPU, Memorias, Flip-Flops, DAC, ASIC, ISDN-, RAMBUS-chips

Aplicaciones de los AWGs Biomedicina Diseño de Marcapasos Simulación de latidos/señales EKG Pruebas de sensibilidad del marcapasos Diseño de analizadores de señales médicas Dispositivos de presión sanguínea Medidores de impedancia de la sangre Analizadores de sangre Estimulación de músculos Investigación de las propiedades de células, huesos y tejidos Pruebas e investigación auditiva y visual Pruebas de umbrales psicofísicos (medidas acústicas y de audio) Investigación biológica Sonares animales (Murciélagos, delfines) Estudios oceanográficos Estudios fisiólogicos de anailmales Electrónica de consumo Diseño y prueba de equipos de audio y vídeo

Aplicaciones de los AWGs Educación Implementación física económica de señales complejas: Comunicaciones Modulación analógica y digital Biomédicas Digitales Creación de señales “a medida” para la ilustración de casos concretos: Simulación de canales de transmisión (ruido, Atenuación, etc). Emulación de anomalías

Los AWG en Educación Alternativa de bajo coste a toda una variedad de generadores complejos y de precio elevado: Generadores de RF Generadores de funciones Generadores de audio Generadores de datos serie y pulsos Generadores de patrones Capacidad de creación de señales por parte del alumno mediante técnicas a su alcance: Programas especializados para AWGs Mediante el propio AWG o transferencia desde DSO Paquetes matemáticos o de proceso de señal (MathCad) Simuladores analógicos/digitales/de comunicaciones Programación directa (C++, Java, Fortran, Visual Basic)

Los AWG en Educación Alternativa al uso de la simulación por ordenador: Se obtiene una señal física similar a la del mundo real que puede ser visualizada, analizada y manipulada de forma totalmente real e intuitiva Permite mejorar la productividad en la enseñanza y en la realización de prácticas: Las señales necesarias pueden “enlatarse” en los generadores y controlarse desde un puesto central Señales complejas y de difícil obtención (p.e. EKG o una señal QAM64 con errores de cuadratura) se crean de forma inmediata Los AWG son una herramienta ideal para la enseñanza de la instrumentación compleja (Osciloscopios, Analizadores Lógicos, Analizadores de Espectro)

Los AWG en Educación: Utilización en Laboratorio GPIB GPIB Ethernet TCP/IP GPIB

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Ejemplo: Generación de Señales Mixtas

Ejemplo: Generación de Señales Mixtas A/D DSP D/A

Ejemplo: Modulaciones Digitales Para quién: Formación en el diseño de transmisores y receptores de radio digital Para qué: Simlación de señales de radio digital en banda base y trasladada (IF/RF) con todo tipo de características y anomalías Resultados: Márgenes dinámicos mejores que 60 dB Frecuencias de portadora 1GHz+ Memoria suficente para el manejo de complejas secuencias de datos incluyendo codificación de canals Q I . Q2 Q1 Q3 Q4

Ejemplo: Modulaciones Digitales Generación de señales IQ en banda base: Generadores arbitrarios de 2 o más canales Como entrada de un modulador IQ Visualización directa de diagramas de fase, de constelación y de medidas sobre los mismos Generación de señales moduladas en RF/IF Posibilidad de generación simultánea de múltiples portadoras incluso a la misma frecuencia de portadora (CDMA) Simulación del comportamiento real de moduladores, transmisores, canal de transmisión y receptores Especialmente útiles en señales de frecuencia ágil (radar, Spread-Spectrum, Bluetooth)

Ejemplo: Modulaciones Digitales

Ejemplo: Señales de Comunicaciones

Ejemplo: Generación Precisa de Jitter Para quién: Enseñanza de técnicas de diseño para minimizar el jitter, de metodologías de evaluación y medida del jitter en sistemas de comunicación, PLL, sistemas de control, buses y distribución de reloj. Para qué: Para conseguir perfiles de jitter realistas y arbitrarios que ayuden en la comprensión del fenómeno Resultados: Herramientas de creación de jitter. Resolución mejor que 0.5 pS.

Ejemplo: Generación TV Permite la generación de cualquier sistema de video: PAL, NTSC, HD, Componentes Analógicos. Es posible la creación de señales a medida o no estándares. Hace fácil la enseñanza de medidas de TV al permitir la creación de señales con anomalías. Especialmente potente en el caso de secuenciación.