יסודות שלמות האות

בעולם של עליה הן בתחום התדרים והן במורכבות התכנון הספרתי, ריבוי המשתנים עלול להשפיע על שלמות האות. עבור תדרי שעון של מאות מגה הרץ ומעלה, כל פרט וחוליה בתכנון הוא חשוב כדי למזער בעיות כנ”ל, לכן יש להתחשב במכלול הבטי התכנון, כולל:
אפיקי חלוקת השעון
תכנון אפיקי האות
מקטעים
שולי הרעש
עכבות והעמסות
השפעות קוויי תמסורת
זרמי החזר באפיקי האות
סיומות
הפרדת צימודים
אפיקי חלוקת הספקים
מטרת מהנדס התכנון הינה הקטנת בעיות אלה מלכתחילה ו/או תיקונן, היה ותופענה.
בכדי להצליח בכך, המתכננים חייבים הן לחקור את המקורות הבסיסים הגורמים לירידה באיכות האות, הלא הן הנושאים הספרתיים והאנלוגיים.
נושאי תכנון הקשורים לתזמון ספרתי
ראשית, הבה נתייחס לבעיות הנגרמות על ידי התזמון הספרתי. מהנדס המעורב בתכנון ספרתי מתפתח, סביר שיתקל בבעיות שלמות האות בצורתו הספרתית, כאשר האותות הבינריים על נתיב האות או במוצא ההתקן יוצרים ערכים שגויים.
השגיאות עלולות להופיע בבחינת צורות הגל (מדידות תזמון), בבדיקות עם נתח לוגי (לדוגמה מסדרת TLA של Tektronix) אך הן עלולות להופיע ברמת הפרוטוקול. די בסיבית שגויה אחת, בכדי לגרום להשפעה דרמתית על פקודה או על זרימת הנתונים.
סטיות אות ספרתי עלולות לנבוע מגורמים בסיסיים שונים.
סטיות הנובעות מנושאים הקשורים לתזמון שכיחים ביותר וביניהם:

תחרות אפיק – המתרחשת כאשר שני התקני דחיפה מנסים להשתמש באותם קווי אפיק בו-זמנית. במשטר עבודה תקין, אחד ההתקנים חייב להימצא במצב של עכבה גבוהה ולא להפריע לשני בזמן שליחת נתונים. באם ההתקן בעל העכבה הגבוהה אינו משנה מצב בזמן הנכון, שני ההתקנים מתחרים על שליחת הנתונים על קווי האפיק. אף התקן אינו מנצח והאפיק עלול להגיע למצב של משרעת מתח אקראית, שעשויה שלא להגיע למתח הסף. מצב זה יוצר, לדוגמה, רמה לוגית 0 במקרה שהייה צריך להיות 1.
בישום בעל אפיק אות מהיר המצב מסובך אך יותר, בשל זמן התמסורת בין התקני הדחיפה המתחרים והקולט.

מצב יציב למחצה – זהו מצב נתונים בלתי מוגדר, או בלתי יציב הנובע מהפרת תזמון, כגון בעיית התייצבות-שימור. כתוצאה מכך, האות במוצא עלול לאחר או להופיע ברמה לא חוקית כגון אות חלש, שיבוש, או אפילו רמה לוגית שגויה.

מצב בלתי מוגדר – זה עשוי להתרחש כאשר השתנות המצבים במבואות מרובים של התקן לוגי אינם מסודרים בצורה תקינה בזמן. מצב זה עלול להיגרם ע”י שינויים או שגיאות השהיה באותות במבואת אלה.

התערבות בין-סמלית – זה קורה כאשר סמל אחד מתערבב עם סמלים עוקבים, וגורם לעיוות האות. זה נגרם ע”י ריצוד ורעש בשל הפסדים והחזרות בתדרים גבוהים. לנתחים הלוגיים יש את הכלים החזקים והמתאימים שיעזרו למשתמש לאסוף ולנתח אותות ספרתיים בתבניות רבות.
הנתחים הלוגיים המתקדמים העכשוויים, מסוגלים ללכוד נתונים מאלפי נקודות בדיקה בו-זמנית ואז להציג רצף של דפקים ספרתיים ומיקומם בזמן אחד ביחס לשני. עם סוגים אלה של נתחים, איסוף נתונים ספרתיים שגרתי, שגיאות משרעת והפרעות עשויים להיחשב כרמות לוגיות תקינות, אפילו אם הם מכילים נתונים שגויים. אפשרי לראות נתונים שגויים בצופן הקסדצימלי, לדוגמה, אך התצוגה לא תציין מדוע השגיאה מתרחשת. עשוי להיות מאוד מסובך למצוא את הגורם לשגיאה לוגית באם אין אמצעי לחקור ליתר עומק את התנהגות האות.

הפרת היערכות-שימור – הפרות אלה מתרבות ככל שהמערכות הספרתיות נדחפות למהירויות גבוהות יותר. התקן מתוזמן, כגון דלגלג מסוג D, דורש כי הנתונים יהיו יציבים במבואו לפרק זמן מוגדר, לפני שדופק השעון מגיע. זה ידוע כזמן “היערכות”. בדומה, נתוני המבוא חייבים להיות יציבים לפרק זמן מוגדר, לאחר השפה המובילה של דופק השעון. זה ידוע כזמן “שימור”.
הפרה של דרישות היערכות ו/או השימור עשויה לגרום לגלישות בלתי צפויות במוצא, או עשויות לגרום לאי שינוי מצב כלל. זמני היערכות-שימור קטנים, ככל שמהירות ההתקנים גדלה, ולכן מקשים על איתור התקלות של יחסי התזמון.

בידוד הסטיות האנלוגיות
הבה נשקול כעת את בידוד הסטיות האנלוגיות. הרבה בעיות ספרתיות ניתנות לאיתור קל בהרבה, ע”י חקירה מעמיקה של התנהגות האות וצפייה בייצוג האנלוגי של האות הספרתי הפגום. למרות כי הבעיה עשויה להיראות כדופק ספרתי המופיע במיקום לא נכון, הסיבה לבעיה הינה לעיתים קרובות בשל אופייניים אנלוגיים, העשויים להפוך לשגיאות ספרתיות כאשר אותות בעלי משרעת נמוכה מפורשים כמצבים לוגיים שגויים, או כאשר זמני עלייה איטיים גורמים להסטה בזמן של דופקים.
באם ניתן לצפות ברצף דופקים ספרתיים, בו זמנית עם צפייה אנלוגית של אותם דופקים, זהו צעד ראשון באיתור בעיות מהסוג הנ”ל.
משקפי תנודות משמשים בדרך כלל לזיהוי שורש הסיבה לבעיות איכות ושלמות האות, ע”י ניתוח המאפיינים האנלוגיים של האות. הם מתאימים להצגת פרטי צורות הגלים, קצוות הדופקים ורעש ולגילוי והצגה של מעברים ארעיים. בעזרת יכולות רבי-עוצמה של פיטור וניתוח, משקף תנודות יכול לאתר חריגים אנלוגיים ולעזור למהנדס התכנון לאתר את בעיות ההתקן אשר גורמות לשגיאות.
עבור התקן עם מספר מועט של קוים ספרתיים, משקף תנודות לאותות מעורבים (לדוגמה סדרת MSO70000 של Tektronix) מספק יכולות מדידה של אותות הן אנלוגיים והן ספרתיים. יכולות אלה מאפשרות ניתוח בו-זמני של שני המישורים, האנלוגי והספרתי, במכשיר אחד.
עם הערוצים האנלוגיים והספרתיים של ה-MSO מתאפשר ניטור בו-זמני של הרבה נקודות במערכת המתוכננת. זה מאפשר למהנדס התכנון ראייה מערכתית של המערכת המתוכננת, תוך איתור שגיאות. האם גלישה באות אחד קורה בו זמנית עם קצה העלייה של אות אחר, המצביע על בעיה של ערב-אות ? הבנת ההקשר בו אירוע התרחש, עשויה להיות בעלת ערך רב בניפוי מערכות ספרתיות.
MSO בעלי ביצועים מתקדמים מאפשרים פיטורים מתוחכמים, אשר ניתן להשתמש בהם בערוצים הספרתיים של ה-MSO , ועל ידי כך לעזור בהערכת איכות הפיטורים האנלוגיים. ה- MSO מחפש ובודק ראשית תבנית ספרתית, לפני הפעלת הפטר האנלוגי וע”י כך לוכד אך ורק את שינויי האות החשובים והמשמעותיים.
עבור אותות מהירים מאוד, אפילו בחון בעל קיבול נמוך עשוי להעמיס בצורה משמעותית את האות וע”י כך להשפיע בצורה ניכרת על המדידות. MSO בעלי ביצועים מתקדמים מציעים מאפיין ייחודי לטיפול בבעיה הזאת – ריבוב אנלוגי.
זה מאפשר למהנדס התכנון לצפות באות הקשור לכל אחד מהבחונים הספרתיים בצורה אנלוגית וספרתית – בו-זמנית. שיטה זאת ממזערת את העמסת הבחון , כיוון שרק בחון אחד מחובר, יתרון משמעותי באותות מהירים.
ב-MSO, התפקודיות של נתח לוגי משולבת ומאוחדת עם משקף תנודות, ויוצר כלי רב-עוצמה לאיתור בעיות הקשורות לשלמות ואיכות האות. כאשר בוחרים משקף תנודות, קיימים כמה שיקולי ביצועים עיקריים, המשפיעים על איכות המדידות של שלמות האות. שיקולים אלה כוללים רוחב סרט, זמני עליה, קצב דגימה, לכידת צורות גלים, יכולת אחסון וגמישות הפיטור, בנוסף ל:

בעיות משרעת – בעיות אלה כוללות פעמום, נפילות במשרעת בתחילת הדופקים ודופקים חלשים שלא מגיעים למלוא המשרעת

סטיות קצה – סטיות אלה עשוית לנבוע מבעיות בעריכת המעגל המודפס או מסיומת לא תקינה, או אפילו מבעית איכות של המוליכים למחצה. הסטיות עשוית לגרום לקדם-הפעלה, עיגול קצה מוביל, עליית יתר וזמני עליה איטיים.

החזרים – החזרים נגרמים ע”י בעיות של סיומות ועריכת המעגל המודפס, כאשר אות המוצא נותר חזרה אל מקורו ומתנגש עם הדופקים העוקבים.

ניתור הארקה – ניתור הארקה נגרם ע”י צריכת זרם מוגברת ( ו/או התנגדויות בקווי ההחזר של ספקי הכח והארקה ) ועשוי לגרום לתזוזה ברמת יחוס הארקה של המעגל, ברגעי צריכה מוגברת.

ערב אות – ערב אות עשוי להתרחש כאשר קווי אות ארוכים קרובים יתר על המידה והאותות מתערבבים דרך הקיבול וההשראות ההדדית. בנוסף, הזרמים הגבוהים הקורים בזמני עליה וירידה מהירים, גורמים להגברת האנרגיה המגנטית המוקרנת.

ריצוד – ריצוד מוגדר כשינוי במיקום הקצה ממחזור למחזור. כמה מהסיבות העיקריות לקיום ריצוד הן רעש, ערב אות ואי-יציבות התזמון. ריצוד עשוי להשפיע על דיוק התזמון והסנכרון בכל המערכת הספרתית.

בחירת הכלים
הרבה משקפי תנודות ספרתיים מודרניים מציעם כלים המסוגלים לזרז שחזור מורכב של שעון, פיטור וסילום ולאחר מכן לבצע מדידות כמותיות על הנתונים.
כלים חדשים אלה, תוכנתיים וחומרתיים, משלבים כעת מדידות דיאגרמת עין כמאפיין סטנדרטי, בלחיצת כפתור אחת.
דיאגרמת עין הינו כלי חזותי לצפייה בשלמות ואיכות כללית של האות על אפיק מתוזמן. זהו כלי התאמה הכרחי עבור הרבה אפיקים עכשוויים, באיחוד עבור הסוגים טוריים, אך כל קו אות ניתן לצפייה כדיאגרמת עין. דיאגרמת עין נבנית ע”י ריבוד עקבות צורות הגלים, עבור מרווחי יחידה מרובים. דיאגרמות העין מציגות נתונים טוריים ביחס לשעון, אשר שוחזר מתוך הנתונים ע”י שימוש בכלים חומרתיים או תוכנתיים.

הדיאגרמה מציגה את כל המעברים האפשריים (חיוביים ושליליים) וגם מצב הנתונים, בחלון אחד.
בתצורה אידיאלית, כל עקבה חדשה תסתדר ותחפוף בצורה מושלמת עם כל הקודמות. ברם, במציאות, הגורמים המשפיעים על שלמות האות גורמים לעקבה המורכבת להיטשטש ולהימרח ככל שהיא נצברת, כאשר הריצוד גורם לטשטוש האופקי ולו הרעש גורם לאנכי.
כיוון שדיאגרמת עין מציגה את כל המעברים הלוגיים במבט אחד, היא יכולה להוות הערכה מהירה על מצב האות. היא יכולה גם לגלות בעיות אנלוגיות כגון זמני עליה איטיים, התערבות בין-סמלית ורמות הנחתה.
יש מהנדסים המתחילים את האומדן שלהם בבחינת דיאגרמת עין ורק לאחר מכן עוברים לאיתור כל הסטיות.
קיימות חבילות תוכנה המקלות בהרבה על ניתוח הריצוד ופירוקו, כגון:
DPOJET ניתוח ריצוד ותזמון עבור משקפי תנודות זמן-אמת של Tektronix, סדרת ;DPO/MSO 70 K
DPOJET הינו כלי מאוד מקובל לניפוי שגיאות בתכנון של מערכות תקשורת ולמציאת מקורות של גורמי ריצוד/תזמון. DPOJET מאמץ תפיסה גמישה של מדידת ריצוד המתאימה לניפוי עם מגוון של שיטות לשחזור שעון.
80SJNB ניתוח ריצוד, תזמון ורעש עבור משקפי תנודות דוגמים; בשימוש עם DSA8300 Tektronix
משקף תנודות דוגם , תוכנת הניתוח 80SJNB מבצעת ניתוח מבוסס תזמון ורעש לקבלת ביצועי דיאגרמת עין בשלושה ממדים, להערכה מעמיקה ומדויקת של אותות עד ומעבר ל-
JMAP מיפוי ריצוד וניתוח פירוק עבור BERTScope מסדרת BSA. שלא כמו BERT מסורתי, BERTScope של Tektronix משתמש בניתוח הייחודי של JMAP לקביעת פירוק הריצוד למרכיביו האקראיים והסיבתיים, להבנה מעמיקה יותר של שגיאות בתבניות ארוכות.

חקירת מישור התדר
עבור אירועים “חמקמקים” או “מעודנים” כמו החלקת-מופע, מיקרופונות, התייצבות לולאת נעולת-מופע, וכו’, עשוי להיות צורך בשימוש בכלי בעל יכולות משופרות של הפרדת תדר.
משימות מדידה נפוצות כוללות:
בחינת אותות מוסתרים על ידי רעש
גילוי אותות שעון תקינים המוסתרים בתוך אותות ספקטרום פזור
איתור וניתוח אותות חולפים ודינמיים
לכידת שידורי פרץ, שיבושים ותופעות מעבר במיתוג
אפיון זמני התייצבות, היסחפות תדר מיקרופונות
אותות שעון צעד-תדר
בדיקת ואבחון תופעות חולפות של הפרעות אלקטרומגנטיות
אפיון סכמות של אפנונים משתנים-בזמן
בידוד השפעות גומלין תוכנה-וחומרה
נתחי ספקטרום סוחפים מסורתיים ונתחי אותות וקטוריים מספקים תצלומי בזק של האות בתחום התדר או בתחום האפנון. אבל לעתים קרובות מידע זה אינו מספיק בכדי לתאר בביטחון את האופי הדינמי של אותות מודרניים. נתחי אותות זמן-אמת (כגון סדרת RSA5000 של Tektronix) מתגברים על כמה ממגבלות אלה על ידי דגימת של עד 400,000 ניתוחי ספקטרום לשנייה, לוכדים תופעות ארעיות ברוחב של 2-3μs, מפעילים פטרים מורכבים ומציגים את האות הנלכד במישורים מרובים, ובכך מאפשרים זיהוי ובידוד של אותות ארעיים המשפיעים על שלמות אות.

שלב קריטי בתכנון הספרתי
מדידות שלמות האות הפכו שלב קריטי בתהליך פיתוח מערכות ספרתיות. ממטלות מהנדס התכנון בידוד ומניעה של מרבית הגורמים לירידה באיכות ושלמות האות, בכל מקום במערכת.
יש צורך בכלי מדידה רב-עוצמה ומקיף ככל האפשר – כלי שיש לו תכונות רוחב הפס וחיסכון בזמן, כדי לטפל כראוי בסטיות אות במהירות גבוהה. כלים אלה כוללים משקפי תנודות דוגמים, משקפי תנודות מעורבים, נתחים לוגיים, נתחי ספקטרום זמן-אמת, פתרונות מדידת החזר במישור הזמן, מחוללי אותות, בחונים באיכות גבוהה ותוכנת ניתוח.
פתרונות מדידה חדשניים, כגון בחונים דחוסים בעלי צפיפות גבוהה, תוכנה ייחודית ליישומי ריצוד, וצפייה בצורת גל ע”י מערכת משולבת נתח לוגי/משקף תנודות הופיעו לאחרונה ועוזרים למתכננים להתמודד עם בעיות המשפיעות על שלמות אות. באמצעות כלים רבי עוצמה אלה, המהנדס יכול לאתר במהירות תקלות ולעקוב עד למקור היווצרותן. עד לאחרונה, בעיות סמויות של שלמות האות היו לעתים קרובות הגורם לעיכובים בלוח הזמנים וגרמו לבעיות אמינות של מוצרים ספרתיים חדשים. מעתה יש למתכנן פתרונות מדידה על מנת להתגבר אפילו על האתגרים הקשים ביותר של שלמות אות.

על המחבר
Dean Miles הוא מנהל שיווק טכני בכיר ב-Tektronix ואחראי תיק מוצרי Tektronix בעלי ביצועים גבוהים. דין מילא תפקידים שונים ב-Tektronix במהלך יותר מ-20 שנות עבודתו בחברה, כולל מנהל פיתוח עסקי גלובלי עבור טכנולוגיות Tektronix RF, מנהל שיווק טכני EMEA ומנהל פיתוח עסקי עבור היחידה העסקית האופטית של Tektronix. דין הציג את הטכנולוגיות של Tektronix בלמעלה מ-8 מדינות ברחבי העולם, כתב יותר מ-50 מאמרים טכניים ונפגש עם יותר מ-10,000 מהנדסים.

הכתבה באדיבות אריאל פיידרוב, מנהל פיתוח עסקי בטקטרוניקס ישראל.