מונח לפניכם הגיליון האחרון של New-Tech MicroWave Magazine לשנת 2011.

את הגיליון נפתח בכתבתו של ד"ר אלברט סבן, חבר בכיר ב- IEEE על אנטנות RFID רחבות פס קומפקטיות.

תעשיית ה RFID נמצאת בשנים האחרונות בצמיחה מתמשכת, בכתבה סוקר ד"ר סבן את שיקולי התכנון, תוצאות חישוביות ותוצאות נמדדות של מספר אנטנות.

מאמר נוסף של פרופ' עלי לוין, מאמר הוקרה לזכרו של דר' ג'אד בלס ז"ל, אחד ממהנדסי האנטנות המבריקים שפעלו בישראל,

והמציא לפני 50 שנה בדיוק את מטריצת בלס הידועה לאנטנה מרובת אלומות.

בחודש נובמבר נערך כנס COMCAS 2011, סקירה של הכנס בכתבתו של רוני ליפשיץ.

מגוון כתבות מאמרים וחדשות נוספים ככל שהותיר המקום.

בברכת קריאה נעימה,

תומר גור-אריה,

עורך ראשי

מאת: אמילי פין, MIT

חוקרים במעבדת לינקולן ב-MIT פיתחו טכנולוגיית מכ”ם חדשה שמספקת וידיאו בזמן אמת של מה שקורה מאחורי קירות מוצקים.
היכולת לראות דרך קירות היא כבר לא בגדר מדע בדיוני, הודות לטכנולוגיית מכ”ם חדשה שפותחה במעבדת לינקולן ב-MIT.
בני אדם ובעלי חיים אחרים רואים באמצעות גלים של אור נראה שמוחזר מעצמים ולאחר מכן פוגע ברשתיות שבעיניים שלנו, ובאופן דומה מאוד מכ”ם “רואה” באמצעות שליחת גלי רדיו שמוחזרים ממטרות וחוזרים למקלטים של המכ”ם. אבל בדיוק כפי שאור לא יכול לעבור דרך עצמים מוצקים בכמויות גדולות מספיק כדי שהעין תבחין בו, קשה לבנות מכ”ם שיכול לחדור קירות מספיק טוב כדי להראות מה קורה מאחוריהם. עכשיו חוקרים ממעבדת לינקולן בנו מערכת שיכולה לראות דרך קירות ממרחק מסוים, ולספק תמונה מיידית של הפעילות בצד האחר.
המכשיר של החוקרים הוא מערך לא מתבלט של אנטנות המסודרות בשתי שורות – שמונה רכיבי קליטה למעלה, 13 רכיבי שידור למטה – וציוד מחשוב, והכל מורכב על קרון נייד. אבל יש לו השלכות רבות עוצמה על פעילות צבאית, במיוחד “במצבים של לחימה עירונית”, אומר גרגורי צ’ארבאט, חוקר במעבדת לינקולן וראש הפרויקט.
גלים דרך קירות
קירות, בהגדרה, הם מוצקים, וזה בוודאי נכון לגבי קירות הבטון בעובי עשרה ועשרים ס”מ שעליהם החוקרים ניסו את המערכת שלהם.
בהתחלה המכ”ם שלהם פועל כמו כל מכ”ם אחר: משדרים פולטים גלים בתדר מסוים בכיוון המטרה. אבל במקרה הזה, בכל פעם שהגלים פוגעים בקיר, הבטון מונע מיותר מ-99% מהם לעבור. וזה רק חצי מהקרב: אחרי שהגלים מוחזרים מהמטרה, הם חייבים לעבור בחזרה דרך הקיר כדי להגיע למקלטים של המכ”ם – ושוב 99% לא מצליחים. עד שהוא פוגע במקלטים, האות כבר הופחת לבערך 0.0025 אחוז מהחוזק המקורי שלו.
אבל לדברי צ’ארבאט, הפסד האות בגלל הקיר הוא אפילו לא האתגר העיקרי. “מגברים [של אותות] הם זולים”, הוא אומר. מה שהיה קשה להשיג במערכות מכ”ם דרך הקיר הם המהירות, כושר ההפרדה והטווח הנחוצים כדי שיהיו שימושיות בזמן אמת. “אם אתה נמצא במצב של לחימה בסיכון גבוה, אתה לא רוצה תמונה אחת כל 20 דקות, ואתה לא רוצה לעמוד ליד בניין שאולי מסוכן”, אומר צ’ארבאט.
אפשר להשתמש במערכת של הצוות ממעבדת לינקולן בטווח של עד כ-18 מטר מהקיר. (הדגמות בוצעו במרחק של 6 מטר, שלדברי צ’ארבאט זה ריאלי במצבים של לחימה עירונית). והמערכת נותנת תמונה בזמן אמת של תנועה מאחורי הקיר בצורת וידיאו בקצב של 10.8 מסגרות בשנייה.

סינון תדרים
אחד הדברים שצריך לשקול במכ”ם דרך הקיר, אומר צ’ארבאט, הוא באיזה אורך גל להשתמש. אורכי גל ארוכים יותר יכולים לעבור טוב יותר דרך הקיר ובחזרה, ואז האות חזק יותר, אולם, הם מחייבים בהתאם ציוד מכ”ם גדול יותר כדי להפריד בין המטרות האנושיות הפרטניות. החוקרים התפשרו על גלים בתחום S, שאורך הגל שלהם דומה לאינטרנט אלחוטי – כלומר, קצר למדי. זה אומר יותר הפסד אות – לכן הצורך במגברים – אבל מאפשר לצמצם את האורך של מכשיר המכ”ם עצמו לכשניים וחצי מטר. “זה, לדעתנו, מצב אופטימלי כי אנחנו חושבים שמכ”ם יורכב על רכב מסוג כלשהו”, אומר צ’ארבאט.
גם כאשר פותרים את בעיית חוזק האות באמצעות מגברים, הקיר – בין אם הוא מבטון, לבנים או חומר מוצק אחר – יופיע תמיד כנקודה מאוד בהירה, הכי בהירה. כדי להתגבר על הבעיה הזאת, החוקרים משתמשים במסנן גבישי אנלוגי, שמנצל הפרשי תדר בין הגלים המאופננים שמוחזרים מהקיר והגלים שמגיעים מהמטרה. “כך שאם הקיר במרחק של, נאמר, 6 מטר, הוא מופיע כגל סינוס בתדר 20 קה”צ. אם אתה, מאחורי הקיר, נמצא במרחק של 9 מטר, תופיע כגל סינוס בתדר 30 קה”צ”, אומר צ’ארבאט. אפשר להגדיר את המסנן כך שיאפשר רק לגלים בתחום של 30 קה”צ לעבור אל המקלטים, ולמעשה למחוק את הקיר מהתמונה כך שהוא לא משתלט על המקלט.
“זאת מערכת בעלת יכולת רבה בעיקר בגלל יכולת הדימות בזמן אמת שלה”, אומר רוברט ברקהולדר, פרופסור מחקר במחלקה להנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטת המדינה של אוהיו, שלא היה מעורב בעבודה הזאת. “יש לה גם כושר הפרדה טוב מאוד, הודות לעיבוד דיגיטלי ואלגוריתמים מתקדמים לעיבוד תמונה. היא קצת גדולה מכדי שאדם יוכל לקחת אותה בשטח”, הוא אומר, אבל מסכים שיהיה מתאים ושימושי להרכיב אותה על משאית.

ניטור תנועה
בהדגמה שנערכה לאחרונה, צ’ארבאט ועמיתיו, עוזר המחקר במעבדת לינקולן ג’ון פיבודי והחוקר לשעבר במעבדת לינקולן טיילר רלסון, הראו איך המכ”ם הצליח לדמות שני אנשים נעים מאחורי קירות בטון ובלוקים, וגם אדם המסובב מוט מתכת במרחב חופשי. הפרויקט זכה בתואר המאמר הטוב ביותר בכנס שנערך לאחרונה, סימפוזיון המכ”ם 2010 של שלוש זרועות הצבא.
משום שהתהליך משתמש בשיטה של הפחתה – משווים כל תמונה חדשה עם הקודמת ורואים מה השתנה – המכ”ם יכול לגלות רק מטרות נעות, לא עצמים דוממים כמו ריהוט. למרות זאת, אפילו אדם המנסה לעמוד בשקט זז קצת, והמערכת יכולה לזהות את התנועות הקטנות האלה כדי להציג את המיקום שלו.
המערכת ממירה את האותות שהיא מקבלת לווידיאו דיגיטלי. כעת בני אדם נראים בתור “כתמים” שנעים על המסך כשנקודת המבט היא מלמעלה, כאילו הצופה עומד על הקיר ומסתכל למטה על הזירה מאחור. החוקרים עובדים עכשיו על אלגוריתמים שיהפכו אוטומטית כתם לסמל נקי כדי להפוך את המערכת ליותר ידידותית למשתמש הקצה. “כדי להבין את הכתמים צריך הרבה הכשרה נוספת”, אומר צ’ארבאט.
אחרי שכלול נוסף, יוכלו להשתמש במכ”ם בתוך ארה”ב צוותי היענות חירום ואחרים, אבל החוקרים אומרים שהם פיתחו את הטכנולוגיה בעיקר מתוך מחשבה על יישומים צבאיים. אומר צ’ארבאט: “זה נועד ללוחם בלחימה עירונית… אותם המצבים שמאוד לחוצים ויהיה נהדר לדעת מה מאחורי הקיר הזה”.
מקור: המכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס (MIT).
נלקח מאתר

http://www.rfglobalnet.com

החל משנת 2018 יותקנו בכלי-הרכב באירופה מערכות מכ”ם ממונעות הפועלות ברוחב פס של 79GHz. המירוץ אל השוק העצום הממתין בפתח, החל כבר עכשיו

מאת: רוני ליפשיץ

אחד מהתחומים הצומחים בשוק האלקטרוניקה הממונעת הוא תחום מערכות העזר לנהג (Advanced Driver Assistance Systems). מדובר במערך פתרונות אלקטרוניים שנועדו לשפר את בטיחות הנהיגה באמצעות מגוון רב של חיישנים: מערכות מכ”ם ממונעות, מצלמות, תקשורת אל מרכזי מידע מקוונים, חיישני תאוצה, חיישני בלימה ועוד.
הפתרונות הללו אינם חדשים ומוכרים בתעשייה לפחות 10 שנים. אולם עד לאחרונה היו מערכות אלה יקרות מאוד והותקנו במכוניות יוקרה בלבד. אלא ששנת 2011 היא שנת המפנה: לפני כחצי שנה העריכה חברת המחקר ABI Research שבשנת 2011 הגיע שוק מערכות ה-ADAS להיקף של 10 מיליארד דולר. אלא שזו רק ההתחלה: עד לשנת 2016 יסתכם השוק העולמי ביותר מ-130 מיליארד דולר.
השוק לא עוצר באדום
הגורמים המרכזיים להתפתחות המהירה הם ירידת מחירי החיישנים למיניהם, ממצלמות ועד למערכות מכ”ם ממונעות, והוספת פונקציונליות חדשה לחיישנים הקיימים. כך למשל, מערכות מכ”ם ממונעות משמשות היום לא רק להתראה בפני סכנת התנגשויות, אלא גם למתן חיווי על התרחשויות בנקודות ראייה מתות מבחינת הנהג (Blind Spot Detection) ואפילו על האפשרות שרכב מסוכן עומד להיכנס אל נקודה מתה כזו.
לאחרונה החלו היצרנים לשלב מספר טכנולוגיות במערכות המכ”ם הממונעות, ולספק מערכות הכוללות גם התראת לייזר (LIDAR) והתראה אולטרא-סונית בפתרון מאוחד. אלא שהתפתחויות נוספות בשוק מבטיחות שהתחום החדש ימשיך לצמוח: הרגולטורים בשוקי היעד הגדולים מתחילים לדרוש מערכות התראה מתוחכמות גם במכוניות סדרתיות זולות.
לאחרונה קבע האיחוד האירופי שמכוניות מסחריות צריכות להיות מצויידות במערכות הצגת אופק האירועים בנקודות מתות, התראת סטייה מנתיב הנסיעה ומערכת בלימת חירום אוטומטית. בארצות הברית קבע לאחרונה משרד התחבורה שעל כל המכוניות החדשות שייצאו בשנה הבאה לשוק צריכות להופיע מדבקות גלויות לעין המפרטות איזה מערכות ADAS מותקנות בהן.
המגמות הללו גרמו לחברת ABI Research לעדכן בחודש שעבר את התחזית, ולהעריך שעד לשנת 2020 יגיע שוק ה-ADAS העולמי להיקף של יותר מ-460 מיליארד דולר.

זריקת עידוד לתעשיית האלקטרוניקה
המערכות האקטיביות מעניינות במיוחד את יצרני האלקטרוניקה, שכן הן פותחות בפניהן שוק חדש ועתיר טכנולוגיה בתחום הגלים המילימטריים. מדובר במערכות התראה המשדרות אותות בתדרים של עשרות GHz, בכל ארבעת הכיוונים מסביב לרכב. מערכת המכ”ם קולטת את האותות, מפענחת אותן ומספקת לנהג התראות על המתרחש סביבו בזווית של 360°.
חברת פריסקייל הכריזה על סדרה חדשה של טרנזיסטורי SiGe:C המיועדים לשימוש במערכות מהסוג הזה. הם פועלים בתדר תנודה מקסימלי של 300GHz, אולם מיועדים בעיקר לשימוש ברשתות תקשורת אלחוטיות פנימיות (WLAN) הפועלות בתדרים של 60GHz, ובמערכות מכ”ם ממונעות הפועלות בתדרים של 77GHz.
חברת פריסקייל מעריכה שמדובר במערך של מכשירי מכ”ם מסוגים שונים: מערכות מכ”ם לנסיעת שיוט צפויות לפעול ברוחב פס של 77GHz ומספקות התראות בטווח של כ-200 מטרים. מערכות מכ”ם להתראה לפני התנגשויות מספקות התראה של 30 מטר ויפעלו בתדרי 77GHz, 24GHz או 76/81GHz. מערכות לאיתור אובייקטים בנקודות מתות (BSD) מספקות התראות ממרחק של 20 מטרים ופועלות לרוב בתדרי 24GHz ולעתים בשילוב (Fusion) עם חיישן תמונה (מצלמה).

טכנולוגיות סיליקון
ערכת הרכיבים של פריסקייל מיוצרת בטכנולוגיית BiCMOS בגיאומטריה של 0.18 מיקרון, המאפשרת לשלב בין המהירות של רכיבים בי-פולאריים לבין רמת האינטגרציה של רכיבי CMOS. היא כוללת רכיב מקלט ורכיב משדר הפועלים במתח של 3.3 וולט ובתדר פנימי של 38.25GHz, שהוא כמחצית מרוחב הפס של המכ”ם המיועד.
חברת אינפיניאון פיתחה מערך שלם של רכיבים בטכנולוגיית ייצור הסיליקון SiGe, אשר נועדו לספק את רוב אבני הבניין למערכות מכ”ם ממונעות. מדובר במשפחת רכיבים בשם Radar System IC, או בקיצור RASIC. הם מיועדים לעבודה בתדרי 76-77GHz ולספק את כל אבני הבניין של מערכת המכ”ם: מקמ”ש, מתנד, מהוד ועוד.
לפני כחמישה חודשים חשפה חברת Analog Devices את הרכיב AD8283, המממש פרונט-אנד אנלוגי מלא למערכת מכ”ם בכלי-רכב. הרכיב כולל 6 ערוצי כניסה כדי לקלוט אותות מכ”ם מרובים ומספק בנוסף למעגלים האנלוגיים גם ממיר ADC ברזולוציה של 12 סיביות המבצע 80 מיליון דגימות בשנייה (80MSPS). מעניין לציין שהחברה נערכת ככל הנראה לספק ערכת רכיבים מלאה למערכות מכ”ם ממונעות, שכן היא דיווחה למפתחים שהרכיב החדש מתואם לרכיב ה-  ׁ(phase locked loop) מדגם ADF4158, וביחד ניתן לממש באמצעותם מערך מכ”ם כמעט מושלם.

היכונו ל-2018
אלה רק דוגמאות. המגמה החשובה בתחום היא מעבר אל תדרים חדשים. רוב מערכות המכ”ם הממונעות כיום פועלות ברוחב פס של 24GHz, אולם המגמה היא לעבור לתדרי 70-80GHz, במטרה לשפר את הרזולוציה של המידע. לפני שלושה חודשים האריך האיחוד האירופי את רשיון השימוש במערכות 24GHz עד לשנת 2018, על-מנת לתת ליצרנים אפשרות להיערך ולצייד את המכוניות במערכות מכ”ם החדשות ברוחב פס של 79GHz. האיחוד הסביר שהסיבה העיקרית להחלטה היא שמערכות אלה לא יהיו בשלות ליישום מסחרי רחב היקף לפני שנת 2013.
האיחוד האירופי הוא כיום גוף הרגולציה הפעיל ביותר בתחום התקנת מערכות מכ”ם ממונעות. כיום איגוד התקינה האירופי מנסה להשיג תקנים סטנדרטיים שיהיו זהים או לפחות תואמים בכל העולם. הדבר חשוב לתעשיית ייצור ופיתוח מערכות המכ”ם, אולם לא פחות מכך לתעשיית הרכב האירופית. חלק מהמאמצים הללו יוצגו בעוד שנה במסגרת שבוע המיקרוגל האירופי (EuRAD 2012) שייערך באמסטרדם באוקטובר 2012.
מכל מקום, הממציאים בשוק לא ממתינים לשנת 2018. לאחרונה פרסם צוות חוקרים מאוניברסיטת וינדזור באונטריו, קנדה, שהוא הצליח לפתח מערכת מכ”ם מיניאטורית שלמה על-גבי רכיב MEMS. המכ”ם מיועד לעבוד ברוחב פס של 77GHz, ולשדר אותות ממוקדים באמצעות אנטנת רוטמן (Rotman Lens). החוקרים מאמינים שמדובר במכ”ם הזול ביותר בעולם, שמחירו הכולל נמוך מכ-120 דולר ליחידה.

ג’ון הנסון,  Agilent Technologies

מטרת ביצוע סימולציית אותות RF היא ליצור סביבת בדיקה אובייקטיבית שתניב תוצאות מדידה מדוייקות וניתנות לשחזור מדויק. לכן ציוד הבדיקה הנבחר משפיע על גורם אי ודאות המדידה של היחידה הנבדקת (DUT = Device Under Test) חייבים למזער את גורם אי הודאות. צעד מרכזי בתהליך זה הוא אופטימיזציה של איכות האות המשמש לעירור הבדיקה. הנושא הופך להיות קריטי יותר ככל שרוחב הפס של אות הבדיקה נדרש להיות רחב יותר כדי לתמוך בדרישות לביצועים הולכות וגוברות כגון קצבי נתונים גבוהים יותר במערכות תקשורת או רזולוציה טובה יותר במגוון מערכות מכ”ם.
ישנם מספר סוגים שונים של שגיאות בהן נתקלים בעת יצירת אותות בדיקה מאופננים וקטורית רחבי פס. כאן נתמקד בפתרון נושאים סביב לנתיב  IQ modulation. (ראה איור מס’ 1) של אותות baseband waveforms על גל נושא RF או מיקרוגל שמפיק תוצרי non-linear intermodulation של אותות בדיקה multi-tone.

איור מס' 1. תרשים של ייצור אות וקטורי באמצעות IQ modulator

איור מס' 2. I and Q mismatch of baseband path

קיימים פתרונות כדי לנטרל את הפגמים כדי להפיק ולבדוק את האיכות הגבוהה ביותר של אות עירור באמצעות  signal conditioning וטכניקות predistortion וכמו כן התאמות של ניתוב אות  baseband. טכניקות אלו יכולות להיות מיושמות בייצור של גלים וקטוריים על ידי ביצוע שינויים בקובץ ה-  IQ waveform file שנטען לתוך הזיכרון של ה-  arbitrary waveform generator  או באמצעות החלת שינויים אדפטיבית בזמן אמת.
עיכוב ו- SKEW בנתיב IQ
Images יכולות להופיע במערכות המשתמשות במאפנני IQ והן ניכרות בבירור באותות שאינם סימטריים ביחס לתדירות גל ה- carrier .IQ images אלה מופיעות כאשר יש Delay במסלול הבלתי שווה בין אותות I) in phase)  ו- Q) quadrature)  הנכנסים ל- IQ modulator. אם קיים עיכוב זמן (time delay) בין שני האותות, אפקטיבית הם כבר לא בתצורת ריבוע (quadrature) ומופיעות Images. גם כאשר תגובת המשרעת והפאזה של מסלולי ה- I וה- Q אינם מתואמים ו/או אפנן ה- IQ בעצמו גורם להטיית פאזה כך שה- I וה- Q אינם בדיוק בתצורת ריבוע (ראה איור מס’ 2) ייווצרו Images.
ניתן לשפר  IQ images עם התאמות קלות כדי ליישר את עיכוב הנתיב (path delay)  בין אותות IQ ועל ידי ביצוע התאמות פאזה ל- IQ modulator ל- GAIN ולהטיית הפאזה. עם זאת, לא ניתן להסיר לחלוטין  IQ images באמצעות שיטות אלה בלבד. זו היא תוצאה של תלות חזקה באי-תיאום לתגובת משרעת ופאזה במסלולי אותות IQ. שתי טכניקות predistortion נפוצות יכולות לשמש גם כדי לטפל ב-  IQ images. הניסיונות הראשונים לאפיין את מסלולי אותות IQ ולתאם את תגובת המשרעת ופאזה באמצעות Predistortion Waveform השני מייצר אות ביטול המוטה ב-180  מעלות יחסית לתוצר ה-image.
שיפור איכות האות כתוצאה מכך שימושית עבור יישומים רבים, כולל צמצום חוסר הוודאות ב- multitone ובמדידות עיוותים של  Noise Power Ratio , שיפור ביצועי  Adjacent Channel Power Ratio  עבור ייצור אותות multicarrier וצמצום שגיאת ה-  Error Vector Magnitude  באותות בדיקה מאופננים דיגיטלית.

איור מס' 3. השפעת predistortion על אות RF. (שיפור של 54dB בצמצום Images בתחום של 100MHz)

איור מס' 4. Reduction of non-linear distortion (dB reduction in IMD products over 20MHz bandwidth)

במישור התדר  IQ images, מזוהות באופן ייחודי על ידי פרופיל משרעת בצורת  “עטלף כנף”  (“bat wing”)  מן התדר המרכזי אל הקצוות של תחום רוחב פס אפנון ה- RF, ראה איור מס’ 3. רוב מחוללי האותות הוקטוריים (vector signal generators)  מאפשרים למשתמש למזער את ה- IQ path delay and phase skew ידנית, אולם גישה זו דורשת התאמות ומדידות והתהליך יכול לקחת זמן רב.  כדי לפתור בעיה זו, כמה מחוללי אות מבצעים את ההתאמה באופן אוטומטי כחלק משגרת כיול ה- IQ שלהם. התאמות אלה יכולות בדרך כלל לשפר את הבבואה על ידי דחייה של  10-20.
טכניקות Predistortion יכולות לחסל כמעט את ה- IQ images  (ראה איור מס’ 3). עבור אותו אות ניתן להשיג שיפור של image rejection של מעל 50dB  על ידי שימוש באלגוריתם predistortion waveform שיוצר אות בתדר המבטל את ה- IQ image. בשל תלות בזמן, טמפרטורה, תדר והספק, נדרשים תיקונים מעת לעת לקובץ waveform IQ. מספר הפעמים תלוי ביציבות המכשיר ובסביבת ההפעלה שלו.

איור מס' 5. Agilent E8267D PSG wideband IQ modulator bandwidth

איור מס' 6. Equalization of signal amplitude over an 80 MHz bandwidth

עיוות שאינו ליניארי  (Non-Linear Distortion)
כתוצאה ממעבר אות ברכיבים הופכי פאזה ורכיבים בעלי פונקציות מעבר לא-לינאריות, נוצרים עיוותי  Intermodulation Distortion  והרמוניות. IMD הינו ייחודי לעיוותים לא-לינאריים הנגרמים כתוצאה מאפנון פנימי בלתי רצוי בין מספר מרכיבי תדר שמרכיבים את האות. IMD והרמוניות הם הסיבה העיקרית להרחבת הספקטרום in band ו- out band באות עירור הבדיקות. הוא מקטין את ביצועי מערכת המדידות ועשוי להפריע גם לערוצים שכנים.

לא ניתן לתקן עיוות לא-לינארי באמצעות טכניקות Equalization פשוטות הישימות רק לתופעות בתחום הליניארי. ניתן לטפל בעיוות זה אם הוא דטרמיניסטי בטבעו וזה המקרה עם אותות Multitone. כלי תוכנה לפיתוח אותות עירור מסוג Multitone ו- NPR מכילות אלגוריתמים מתקדמים כדי לחסל את ה- IMD  באופן אוטומטי. טכניקה זו יוצרת צליל ביטול predistortion בתדר ה-  IMD מכיוון שהוא נמצא ב- 180 מעלות מחוץ לפאזה של תוצר העיוות. גישה זו משתמשת ב- Spectrum Analyzer  למדוד את ה- IMD של אות העירור המקורי בבדיקה. בהתבסס על המדידות הללו נוצר אות, Waveform Predistorted המשמש להסרת תוצרי ה- IMD  In-Band, כמו גם את ה-Out-Of-Band. זה גורם ליצירת אות עירור של עיוות באיכות גבוהה בו ניתן להשתמש בנוחות ובקלות באמצעות מחולל אותות וקטורי יחיד. גישה זו יכולה גם להסיר IMD הנגרם על ידי התקנים נוספים בהגדרת הבדיקה, כולל מגברים הידועים  בהשפעה שלילית על הביצועים בבדיקה. הדוגמה שמוצגת באיור 5 מראה שיפור מרשים ובר השגה בביצועי עיוות באמצעות שיטות predistortion . מצד שני, ניתן לטפל בהרמוניות בדרך כלל באמצעות מסננים חיצוניים.
כאשר רוחב הפס של AWGs ממשיך לגדול, ניתן לטפל באופן דומה ביותר בעיוותי out-of-band שאינו ליניארי. רמה זו של ביצועים מפחיתה באופן משמעותי את אי וודאות המדידה שנגרמו בשל ההשפעות של עיוות אות הבדיקה בתחום הלא לינארי.

בתמונה: תיקון שגיאות אותות ניתנים לפתרון באמצעות מספר טכניקות הנטענות לזיכרון ה- Agilent M8190A, AWG המוצג בתמונה.

Group Delay
עבור מערכות תקשורת פס רחב, Group Delay הפך לתופעה חשובה יותר. Group Delay הוא מדד של זמן מעבר האות דרך המערכת בתלות בתדר. זמן המעבר משתנה עבור רכיבי תלויי תדר שונים המרכיבים את האות עקב ברירה סלקטיבית של התדרים שמרכיבים את נתיב המערכת.
ה- Group Delay מחושב על ידי בידול תגובת המערכת לפאזה של האות יחסית לתדר. במילים אחרות, זהו שיעור שלילי של שינוי פאזה יחסית לתדירות ניתן להמיר את החלק הליניארי של תגובת הפאזה לערך קבוע (המייצג את הזמן הממוצע של מעבר האות) לבין סטיות פאזה ליניארי נתפסים כסטיות Group Delay קבוע. Group Delay משתנה על פני רוחב פס גורם לתגובת הפאזה הלינארית וגורם לעיוות האות, כגון הפרעה של  Inter Symbol Interference  ועלייה של  Error Vector Magnitude.
ה- Group Delay הינו רק דרך הסתכלות נוספת על עיוות פאזה לינארי. ניתן להפעיל predistortion על האות שאחראי על פונקציית התמסורת במסלול האות כדי לתקן Group Delay.

RF Amplitude Flatness
עם העלייה ברוחב הפס של האות ה- Output Power Flatness, משפיע על רמת דיוק העוצמה. תנודות maximum power flatness של האות על פני טווח התדר שלו במחולל האות יכול להשפיע על Amplitude Flatness של מחוללי אות RF wideband . מעגל בקרת עוצמה אוטומטית (ALC)  מווסת את רמות העוצמה רק בתוך רוחב פס מסוים על עקומת העוצמה. לכן, בעוד שהעוצמה הממוצעת היא עדיין מדויקת עבור אותות פס רחב ביותר, נפגע דיוק העוצמה בשולי תחום התדר עקב אדווה במחולל האותות.
באופן אידיאלי משרעת ה- RF תהיה שטוחה על פני כל רוחב הפס של האות ללא תלות בתדר גל הנושא. למרבה הצער, RF amplitude flatness  משתנה בהתאם לתדר המרכזי. למרות שבמחוללי אותות רבים ייתכן דיוק ברמה של 0.5 או פחות, אין זה אומר כי רוחב הפס הוא שטוח על פני טווח תדר שלם.
לתגובת התדר של אפנן IQ תפקיד משמעותי ב- amplitude flatness גם כן. ל- Wide band IQ modulators יש תנודות משמעותיות בתגובה. במקרה זה האפנן מאופיין על פני תחום של 2 סביב נושא של 12 ומראה שינוי של 3dB.
כמו שגיאת פאזה, גם שגיאת amplitude flatness ניתן לשפר באמצעות  predistortion. זה דורש אפיון של amplitude response של מסלול האות וליישם pre-emphasis  על צורת הגל, כדי לפצות על תנודות משרעת. בגלל amplitude response של הגנרטור תלוייה בתדר גל הנושא, יהיה צורך במקדמי predistortion חדשים ליישום עבור תדרי גל נושא שונים. תגובת amplitude flatness חשובה עבור יישומים רבים, כולל wideband וייצור אות multicarrier ובבדיקות Multitone Distortion.
כדי להמחיש זאת, ניתן לבחון את RF amplitude flatness  לפני ואחרי המדידות predistortion עבור 32-tone test signal. האות תופס 80MHz של רוחב פס RF. כדי להדגיש את RF amplitude flatness בסולם של 0.5dB. לפני predistortion שינוי האמפליטודה הגרוע ביותר בין אותות היה 2.4dB. לאחר predistortion, כל האותות היו בתוך משרעת יחסית של 0.1dB.  רמת הדיוק הזו חיונית כדי למזער את אי וודאות במדידה של רכיב שאינו ליניארי. במקום לבצע כוונון ידני של האמפליטודה של כל אות, ניתן להחיל מקדמי predistortion עבור IQ waveform חדש. המקדמים predistortion נגזרים מנתוני המדידה של האות המקורי.

Leonard Dickstein Giga-tronics Incorporated

מבוא
לאות אידיאלי אין רעש מופע, הרמוניות או רכיבי תדר כוזבים (spurious) הקשורים אליו. למרבה הצער, אות אידיאלי לא קיים בעולם הממשי, וגורמים אלה פוגעים במידה מסוימת בטוהר הספקטראלי של כל האותות בעולם הממשי. מחוללי  אותות מיקרוגל איכותיים מתוכננים למרב את הטוהר הספקטראלי, עם רמות נמוכות מאוד של רעש מופע, הרמוניות ואותות כוזבים (spurs), תוך שמירה על הגמישות בשימוש כללי. רמות ביצועי הטוהר הספקטראלי הן אחד ההבדלים המהותיים בין מחוללי אותות בעלי איכות גבוהה, בינוניים וברמה נמוכה (רמת-כניסה). מאמר זה דן בגורמים המשפיעים על מפרטי הטוהר הספקטראלי כדי לסייע לקורא לערוך השוואות מושכלת יותר של ביצועי מחוללי אותות במיקרוגל המיועדים ליישומי בדיקה ומדידה.

רעש מופע
רעש מופע מתייחס לשינויים המהירים, האקראיים, במופע האות, והוא מבוטא בד”כ כערך המנורמל לרוחב פס של 1 הרץ ובתדר היסט (offset) נתון מרוחק מתדר האות וביחס לאמפליטודת האות. ניתן לבטאו כמספר (כגון -100 dBc/Hz ב-10 גיגה-הרץ והיסט של 10 קילו-הרץ), אך הוא מוצג גם כגרף של רעש המופע כנגד תדר ההיסט עבור תדר אות אחד או יותר. בעוד הצפיפות הספקטראלית היא דו-צדדית מסביב לתדר האות או הנושא, כפי שניתן לראות בתצוגה של נתח ספקטרום, רעש המופע של מחוללי אותות במיקרוגל מוצג לרוב כגרף של צד אחד בלבד, ומכונה רעש מופע בפס-צד יחיד  (single side-band – SSB). ראה איור 1.
הציר האנכי הוא יחס רעש המופע לתדר הנושא ב-dBc/Hz כאשר ערך נמוך יותר הוא עדיף. הציר האופקי הוא ההיסט מתדר הנושא בהרצים כאשר היסטים במרחק מ-1 הרץ ל-100 הרץ מהנושא מכונים “קרובים” (close-in) והיסטים במרחק מ-100 קילו-הרץ עד 10 מגה-הרץ מהנושא מכונים “רחוקים” (far-out). רעש מופע קרוב לנושא מהווה בעיה ביישומים בהם האות מנוצל כמתנד מקומי ועלול להגביל את רגישות המקלט או כאשר האות משמש כשעון ועלול להגביל את ביצועי ה-bit error rate . רעש מופע מרוחק מהנושא מהווה בעיה במערכות תקשורת רחבות-פס בתור מעלה את רצפת הרעש ומגביל את יכולת המערכת לשחזר אותות חלשים. רעש מופע קרוב הוא קריטי לעתים קרובות ביישומי חלל והגנה דוגמת מכ”ם בעל רזולוציה גבוהה, בעוד רעש המופע הרחוק הוא קריטי לעתים קרובות בתקשורת אלחוטית דיגיטלית רחבת-פס.
כאשר משווים ביצועי רעש מופע של מחולל אותות מיקרוגל, חשוב להבין שמפרטי דף הנתונים עשויים להטעות כאשר משווים רק את ערכי רעש המופע. לדוגמה, איור 2 מציג השוואה של נתונים מדודים עבור שלושה מחוללי-אותות מיקרוגל איכותיים מתחרים, הלקוחים באותו תדר נושא.
שים לב שביצועי שלושת המסנתזים השונים חופפים ואף אחד מהם איננו טוב יותר משמעותית בשום מקום. כל שלושת המוצרים מציגים ביצועי רעש מופע טובים מאוד. חשוב לציין שבעוד ההיסט של 10 קילו-הרץ מהנושא משמש לרוב לצורכי השוואה, לא יהיה בכך הבדל קריטי עבור יישומים רבים, בין אם רעש המופע הקרוב או הרחוק שולט. יצרן מחוללי-אותות עשוי למטב את ביצועי רעש המופע שלהם לצורכי מפרט מרשים בהיסט של 10 קילו-הרץ, תוך פגיעה בביצועים הן באזור הקרוב והן ברחוק, כמו ב”מסנתז 2” בדוגמה. אם כי שלוש החברות בדוגמה עשויות להצהיר על רעש מופע הנמוך ביותר בנקודה מסוימת, יותר משמעותי הוא להביא בחשבון את כל התחום וכיצד הוא עונה לתרחישי הבדיקה המיוחדים שלכם.
לעתים אפשר לגלות יצרן המכריז על רעש מופע של מסנתז תדרים בהיסט של 100 קילו-הרץ ולא בהיסט של 10 קילו-הרץ, וזאת רק כדי להציג את ביצועי רעש המופע שלהם כטובים יותר, או שהם מציגים רעש מופע מבלי לפרט את תדר הנושא או את ההיסט, דבר שהוא מעורפל ובעל ערך מפוקפק.
כמתואר באיור 1 בעזרת חמשת הגרפים עבור חמשת תדרי הנושא השונים, רעש המופע ברוב מחוללי האותות מיקרוגל עולה כאשר תדר הנושא עולה. דבר זה מוסבר על-ידי העובדה שכמעט כל מחוללי האותות מיקרוגל החדישים משתמשים בהכפלת תדר כדי ליצור את תחומי התדרים הגבוהים יותר, ורעש המופע עולה כמו 20 log N כאשר N הוא גורם ההכפלה. המשמעות היא שמחולל אותות המכפיל פחות מאחר כדי להגיע לתדר הסופי הזהה יציג קרוב לוודאי רעש מופע נמוך יותר בתדרים גבוהים יותר. חשוב לציין שבעוד 10 גיגה-הרץ (עם היסט של 10 קילו-הרץ) משמש לרוב להשוואה בין מחוללי אותות מיקרוגל, ביצועים טובים יותר ב-10 גיגה-הרץ לא מחייבים בהכרח ביצועים טובים יותר ב-40 או 50 גיגה-הרץ, בשל ההבדל האפשרי בין גורמי ההכפלה.
רוב מחוללי האותות מיקרוגל המשמשים ליישומי בדיקה ומדידה מתוכננים על-בסיס של מתנדי מיקרוגל מבוססי YIG, ולא מבוססי VCO. קיימות מספר סיבות לעובדה זו וביצועי רעש המופע הוא אחת מהסיבות העיקריות. ראשית, למתנדי YIG יש תחום כיוונון מאוד רחב. זה אומר שגורמי ההכפלה יכולים להיות נמוכים יותר, ולגרום לרעש מופע נמוך יותר בתדרים גבוהים יותר. שנית, רעש המופע של מתנדים מבוססי-YIG פוחתים מהר יותר באזורים מרוחקים מהנושא מאשר ב-VCOs, כך שרעש המופע האינטגרלי הכולל במתנדים מבוססי-YIG נוטה להיות נמוך יותר.
רעש מופע הוא פונקציה של המתנד הפנימי ושל כל ייחוס לתדר חיצוני המשמש לכך. מחוללי אותות מיקרוגל שונים משתמשים ברוחבי-פס לולאה בשעה שהם נעולים לייחוס בתדר חיצוני. רוחב-פס צר במבוא ייחוס התדר החיצוני עשוי לסייע למזער את השפעות רעש המופע הנגרם מאות ייחוס בעל תדר חיצוני רועש. חברות אחדות משתמשות ברוחב-פס גדול יותר כדי לאפשר עקיבה יציבה יותר של מחוללי אותות מרובים, אולם בכך הם רגישים יותר לרעש מופע מהייחוס בתדר חיצוני. חברות אחרות מתגברות על מגבלה זו על-ידי יצירת יכולת לעיקוב מופע תוך שימוש במתנד פנימי של 100 מגה-הרץ בעל רוחב-פס לולאה רחב תוך שמירה על רוחב-פס צר במבוא הייחוס לתדר חיצוני של 10 מגה-הרץ.
לעתים, בדף הנתונים של מחולל אותות מיקרוגל, תמצא שעקומות רעש המופע מסופקות עבור רעש המופע המוחלט (ביצועי רעש המופע של מחולל האותות) ורעש מופע שיורי (ביצועי רעש המופע כאשר תרומת ייחוס התדר הפנימי מבוטלת). מידע על רעש המופע השיורי שימושי רק כאשר משתמשים בתדר חיצוני לייחוס, והוא מתווסף על רעש המופע של ייחוס התדר החיצוני. מידע על רעש המופע השיורי דרוש בשל רגישות המסנתז הספציפית לרעש המופע של ייחוס התדר החיצוני, והעובדה שביצועי רעש המופע שלו עשויים להיות מופחתים על-ידי שימוש באות ייחוס של תדר חיצוני רועש. בד”כ ההבדלים בין המוחלט והשיורי מתבטאים רק באזור רעש המופע הקרוב.

איור 1

איור 2

הרמוניות ותדרים כוזבים
כאשר משווים ביצועי הרמוניות ותדרים כוזבים יש לזכור שכל מסנתזי התדר יוצרים הרמוניות ואותות  כוזבים (spurious). בהתאם ליישום שלך, ההרמוניות והתדרים הכוזבים הללו עשויים להוות בעיה או לאו. חשוב לציין שיישומים שונים עשויים להיות רגישים לתדרים כוזבים באמפליטודות ותדרים שונים, ובשעה שמסנתז אחד עשוי להכיל תדר כוזב אחד ביישום ספציפי אחד בעוד מסנתז אחר איננו מכיל זאת, ההיפך עשוי להיות נכון ביישום שונה או אף באותו היישום בתדרים שונים. לא יהיה נכון להכליל שכל אחד ממחוללי אותות המיקרוגל הם בקביעות טובים יותר או פחות, כאשר מדובר בביצועי הרמוניים ותדרים כוזבים.
מחולל-אותות מיקרוגל עשוי לענות או לעלות על מפרטי האותות הכוזבים שלו ועדיין להציג אות כוזב בעייתי אם הוא במקרה נופל באזור רגיש ביישום ספציפי כלשהו. אך אם לזכור זאת, האמת היא ככל שמפרטי התדרים הכוזבים טובים יותר, פחות יהיה עליך להיתקל בסוגיה זו. מחוללי אותות מיקרוגל בעלי מפרטי תדרים כוזבים גרועים אינם ככל הנראה שימושיים עבור יישומים מסוימים, כגון בדיקת מקלטי מכ”ם ו-ECM ומערכות ל”א בהן רמה גבוהה של תדרים כוזבים יופיעו בתור אותות או איומים כוזבים. במערכות תקשורת אלחוטית, רמות גבוהות של תדרים כוזבים עלולות להוות בעיה כאשר אלה נופלים בתוך הערוץ.
לעתים קרובות קשה להבין ביצועי תדרים כוזבים, מאחר שתוכן התדרים הכוזבים מופחת בד”כ מהגרפים של רעש מופע המוצגים במרבית דפי הנתונים. דבר זה לא נעשה בזדון, אלא כדי להפריד ולהבחין בין התופעות השונות. איורים 1 ו-2 מראים רעש מופע עם הכוזבים מבוטלים, ולמטרות השוואה של רעש המופע הדבר שימושי.

איור 3

איור 4

אם מביטים על איור 3 כעל תצוגת נתח ספקטרום, אפשר לזהות את התדרים הכוזבים כפסי צד מסביב לנושא. באיור 3, רעש המופע מוצג בצבע כחול, בעוד האותות הכוזבים מוצגים בצבע אדום. אם מפרט ביצועי הכוזבים היה -50 dBc או יותר טוב, אזי המכשיר בתדר זה ימלא אחר המפרט שלו. התדר הכוזב הגבוה ביותר מופיע במרחק של כ-120 הרץ מהנושא, כנראה בתוצאה מספק הכוח. אולם התדר הכוזב הגדול ביותר הקרוב נראה כמופיע ב-200 הרץ מחוץ לנושא, ועלול להיות מאוד קשה או בלתי אפשרי לקבוע מה מקורו.
איור 4 מראה סט של מדידות רעש מופע ב- 40 גיגה-הרץ. רעש המופע הוא די קבוע, אולם האותות הכוזבים משתנים. איור 4 מציג אחת התכונות המרגיזות ביותר של אותות כוזבים, כלומר את העובדה שאותות כוזבים משתנים כפונקציה של שינויים בייצור ושל הסביבה החיצונית, והם יכולים להשתנות גם לפי רמת הספק המוצא וקבועים אחרים. שינויים קלים באיטום האטם או בפרמטרי ההתקן ישפיעו על רמת האותות הכוזבים, ואותות כוזבים רבים הם תוצאה של הפרעות אלקטרו-מגנטיות חיצוניות, הן בהולכה והן בקרינה. גורמים דוגמת פעילות אפיק O/I כבדה עשויים גם להשפיע, מאחר שהרעש עשוי לחדור מאפיק ה-O/I לתוך החומרה האנלוגית והמיקרוגל, כך שמזעור תקשורת הבקרה מרחוק במהלך בדיקות רגישות הוא הפיתרון הטוב ביותר.
על אף שאותות כוזבים במחוללי אותות מיקרוגל אינם תמיד תלויים ברמת הספק המוצא, ההרמוניות כן תלויות בכך. כאשר משווים מפרטי הרמוניות, דאג לבדוק איזו רמה של הספק מוצא מתאימה למפרט. שים לב שעבור רוב מחוללי האותות מיקרוגל בעלי אופציה של הספק גבוה, רמות ההרמוניות עולות, לעתים משמעותית, עם הוספת אופציה. קיים נימוק חזק לשימוש במגברי הספק מיקרוגל חיצוניים לעומת אופציות בעלות הספק גבוה מאחר שהרמוניות מוגברות הן רק חיסרון אחד של האופציה של הספק גבוה במחולל האותות המיקרוגל. עיין בדך היישום AN-GT111A “Boosting RF Output Power -Signal Generator High Power Options versus External Power Amplifiers” לשם דיון מעמיק יותר על היתרונות של השימוש במגברי הספק מיקרוגל חיצוניים.

סיכום
טוהר ספקטראלי הוא אחד המפרטים החשובים ביותר שיש לבחון כאשר בוחרים מחולל אותות מיקרוגל ואחד ממערכי המפרטים הקשים ביותר להבנה מלאה. כאשר משווים ביצועי רעש מופע, חשוב לזכור שמפרטי דף הנתונים עשויים להטעות כאשר אתה משווה רק את הערכים המספריים, ועליך גם לעיין בעקומות רעש המופע ולשקול כיצד הם ינהגו ביישום הספציפי שלך. בנוסף, הרמוניות ואותות כוזבים הם בעייתיים, ובשעה שמחולל אותות מיקרוגל מסוים עשוי להציג אות כוזב בתרחיש מדידה מסוים בעוד מחולל אותות אחר איננו מציג זאת, ההיפך עשוי להיות נכון ביישום שונה או אף באותו יישום בקביעת פרמטרים אחרים. לבסוף, עליך להיות ער לכך שמפרטי ההרמוניות עשויים לפחות משמעותית עם הוספת אופציה של הספק מוצא גבוה, והשימוש במגברי הספק חיצוניים הוא לעתים קרובות פיתרון עדיף כאשר דרושות רמות הספק מוצא גבוהות.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת להט.

המפרטים החדשים של פורום ה- NFC וקבוצת GSMA מלמדים שלצד יישומי הארנק האלקטרוני העומדים בפתח, טכנולוגיית NFC לתקשורת קצרת טווח עשוייה לחולל שינוי גם בסוג השירותים שיהיו זמינים בטלפון הנייד

מאת: רוני ליפשיץ

שוק התשלומים הניידים הוא אחד מהשווקים בעלי תחזית צמיחה מהמהירים ביותר. בחודש שעבר פירסמה חברת המחקר האירית Reaserch and Markets סדרת תוצאות ממחקר מקיף שביצעה על שוק התשלומים הניידים. המחקר כלל ראיונות עם 50 אלף משתמשים בכל רחבי העולם, ובדק את יחסם לביצוע תשלומים באמצעות מכשירים ניידים בטכנולוגיות NFC, SMS, WAP ו-USSD.
התוצאות מאלפות: החברה מעריכה שבשנת 2015 יגיע היקף העיסקאות הניידות בארצות הברית ל-245 מיליארד דולר ובדרום מזרח אסיה יבוצעו עסקאות ניידות בהיקף של 254 מיליארד דולר. גם בחלוקה לארצות בולטות המדינות המפותחות והמתפתחות: שוק הרכישות הנייד ביפן יסתכם ב-103 מיליארד דולר, בצרפת הוא יגיע להיקף של 40 מיליארד דולר ובסין ל-35 מיליארד דולר בשנת 2015. מדובר בשוק צומח שהמוסדות הבנקאיים לוטשים אליו עיניים.

אינטל נכנסת לתמונה
על הרקע הזה ניתן להבין את הסכם שיתוף הפעולה שנחתם בנובמבר בין חברת אינטל לבין חברת מסטרקארד: שתי החברות הכריזו  על שיתוף פעולה אסטרטגי לאבטחת וקידום חוויית התשלומים של הצרכן בביצוע רכישות מקוונות. שיתוף הפעולה ישלב את מומחיותה של מסטרקארד בתחום המסחר ועיבוד התשלומים, ביחד עם הידע של אינטל בתחום הסיליקון והאבטחה מבוססת שבבים.
שתי החברות ישפרו את טכנולוגיית PayPass של מסטרקארד וטכנולוגיית Identity Protection Technology של אינטל. הטכנולוגיה מאפשרת לשלם על רכישות מקוונות באמצעות נגיעה פשוטה של כל אמצעי תשלום בעל יכולות PayPass, בין אם מדובר במכשיר סלולרי, בכרטיס חכם או במחזיק מפתחות בעל שבב.
חברת ויזה נוקטת באסטרטגיה אחרת. בחודש האחרון היא הכריזה על הקמת מערך הסמכה בשם Visa Developer Center. המערך נועד לסייע למתכנתים לפתח יישומי מסחר אלקטרוני ומסחר נייד, כאשר הם מקבלים את הייעוץ וההסמכה של החברה עצמה לפני שהמוצרים נכנסים לשוק. המטרה של ויזה היא לעודד מפתחים ויצרניות מכשירים לשלב במוצריהם את מערך התשלומים של חברת האשראי הגדולה. בין השאר, הוא יספק למתכנתים מידע, תקנים וסיוע בהפיכת המכשירים הניידים לנקודות ביצוע תשלומים מאושרות.

ספקיות התקשורת מתחייבות ל-NFC
המגמה הזו ברורה לכל. התוצאה היא שטכנולוגיית Near Field Communications, שפותחה בשנת 2002 על-ידי סוני ו-NXP כהרחבה של טכנולוגיית RFID, הופכת למוקד תשומת לב מרכזי של ספקיות שירותי התקשורת. בשנה האחרונה נוהרות כל יצרניות המכשירים וכל ספקיות שירותי התקשורת האלחוטיים לתחום המבטיח. במהלך כנס Mobile Asia Congress  שנערך בחודש נובמבר השנה בהונג-קונג, הכריזו 45 ספקיות תקשורת סלולרית מהגדולות בעולם על מחוייבותן להטמיע פתרונות ושירותי NFC המבוססים על כרטיסי SIM. בהן גם שתי הספקיות הסיניות  China Mobile ו- China Unicom, שרק הן לבדן מספקות שירותי תקשורת לכ-800 מיליון מנויים.
הספקיות האחרות כוללת ענקיות כמו AT&T, דויטשה טלקום, אורנג’, SK Telecom, SOFTBANK MOBILE, T-Mobile, Verizon Wireless ורבות אחרות. מנכ”ל חברת טלקום איטליה ויו”ר איגוד ה-GSMA, פרנקו ברנאבי, אמר שכיום מזוהה טכנולוגיית NFC עם תשלומים ניידים מקוונים, “אולם היא פותחת אפשרויות חדשות לשירותים כמו כירטוס נייד, שירותי בידור, גישה מאובטחת לבתי מלון או מכוניות, חלוקת קופונים ועוד”.

המירוץ להשלמת תקנים
חברת המחקר Strategy Analytics העריכה במהלך הכנס כי עד לשנת 2016 יימכרו בעולם כ-1.5 מיליארד מכשירי NFC ניידים המבוססים על כרטיסי SIM. חברת ABI Research העריכה שכ-85% מכל נקודות המכירה הממוחשבות שיימכרו בעולם ב-2016 יידעו לקבל תשלומים באמצעות אבזרי NFC.
אלא שכדי להתניע את העולם המסחרי החדש, יש צורך בסטנדרטיזציה ובתאימות מלאה בין כל המערכות ובין כל ספקי השירותים. זו אחת מהסיבות שה-GSMA הודיע על ועידת פסגה שבה ישתתפו כל חברות הארגון (200 יצרניות מכשירים וטכנולוגיה וכ-800 ספקיות שירותי תקשורת ניידים) אשר תתמקד ב”כסף מבוסס NFC”. הארוע יתקיים במילאנו באוקטובר 2012.
במקביל להודעה, פירסם הארגון את טיוטת מסמך הדרישות ממכשירי NFC וכיצד מתנהל תהליך ההתקשרות וביצוע העיסקה. המסמך קרוי: NFC Handset APIs & Requirements Version 2.0.
הוא מתאר את מערך הדרישות ממכשירי NFC, כפי שהוסכמו על-ידי כל חברי הארגון. כך למשל, במכשיר הנייד יהיה יישומון מבוסס ג’אווה שיופעל באמצעות ממשק המשתמש אשר בו יישמר המידע על זיהוי המשתמש והעיסקאות שביצע. היישומון יידע לדבר עם מערכות ההפעלה אנדרואיד ו-Windows Phone ותוכנת JavaME, אשר יפעילו מולו יישומון מקביל בהתאם לסוג השירות או העיסקה המתבצעים במכשיר.

שם הקוד: אבטחה
המפרט מקדיש תשומת לב רבה לדרישות ממערכת ההפעלה אנדרואיד, שכן מדובר במערכת הפעלה פתוחה שעדיין חסרים בה חלק מהמרכיבים הדרושים להפעלת מחזור שלם של עיסקה מאובטחת. כדי לוודא תאימות אבטחתית בין כל המערכות, המיפרט החדש דורש כי התקשורת בין המכשיר לבין נקודת המכירה תתבצע באמצעות פרוטוקול Application Protocol Data Unit.
אומנם המיפרט מתייחס בעיקר לדרישות תוכנה ואבטחה, אולם השוק המתעורר יתבסס על טכנולוגיית סיליקון. באמצע נובמבר חשפה חברת STMicroelectronics מודול אנטנות חדש לרכיבי ST21NFCA המאפשרים ליצור תקשורת נתונים קצרת טווח בין אבזר נייד לבין תחנת קבע. בניגוד לעניין המרכזי של ארגון ה-GSMA בעסקאות קנייה ורכישה, היא מייעדת את המוצר החדש ליישומי רפואה ניידת, שמירת מידע ביומטרי והעברת מידע בין מכשירים צרכניים שונים.
חברת סוני הכריזה בחודש שעבר על פלטפורמה מאובטחת חדשה אשר פותחה בשיתוף עם HID Global: קורא כרטיסים הכולל מערך בקרת גישה מאובטחת ומערך תקשורת NFC. הכרטיס מיועד לשילוב בתוך מחשבים ניידים וטלפונים סלולריים. המוצר פותח בעקבות ההכרזה על שיתוף פעולה אסטרטגי בין שתי החברות לפני שנה, והוגש לאישור פורום ה-NFC באמצעות תוכנית NFC Forum Certification Program.
רק לפני חודשיים פירסם הפורום את המיפרט מספר 16, שנועד לפשט ולהאיץ את תהליכי הפיתוח של מערכות מסחר ניידות. הפרוטוקול החדש קרוי NDEF Exchange Protocol ועוסק בתהליך השידור וקליטת המסרים בין שני מכשירי NFC. ניתן להגיע אל המיפרט החדש בכתובת: www.nfc-forum.org/specs.

מעבר לארנק האלקטרוני
המיפרט המעודכן מבטל את האבחנה הקודמת בין פעולה במתכונת reader-writer לפעולה במתכונת peer-to-peer , כדי להשיג תאימות ויכולת עבודה גלובלית של אבזרי NFC. הדבר נועד לפתוח את הדלת בפני יישומים חדשים שאינם קנייה ומכירה ישירים בלבד. בהם: העברה אוטומטית של נתונים אישיים בין הבעלים של שני אבזרים ניידים, לצורך שידור כרטיס ביקור והזנתו האוטומטית בתוך ספר הטלפונים של המקבל. יישום נוסף לדוגמא: “איסוף” פרסומות לסרטי קולנוע הנשמרים באבזר הנייד. כאשר המשתמש מגיע עם המכשיר הביתה, הוא יכול בהקלקה אחת להגיע לאתר האינטרנט של הסרט באמצעות שלט הכולל יכולות NFC.
פורום ה-NFC הוקם בשנת 2004 על-ידי קבוצה של 160 ספקיות שירותי תקשורת סלולרית, יצרניות שבבים ויצרניות טלפונים ניידים. הוא ממומן על-ידי כמה ענקיות בתחום, כמו מיקרוסופט, סוני, נוקיה, NEC, NXP, סמסונג ומסטרקרד. המטרה המוצהרת שלו היא להבטיח תאימות הדדית בין כל המערכות ולהרחיב את תחומי היישום של הטכנולוגיה.
הדבר מעורר עניין בקרב יצרנים רבים. חלק מהחברות כבר מדברות על ציוד מטבח מבוסס NFC, טלוויזיות NFC, וחברת ASSA ABLOY, יצרנית פתרונות הנעילה הגדולה בעולם, מפתחת מערכות גישה באמצעות טכנולוגיית NFC.
הדוגמאות האחרונות ממחישות את הפוטנציאל הטמון בטכנולוגיה החדשה: מלבד אספקת תשתית טכנולוגית עבור “הארנק האלקטרוני הנייד”, היא פותחת אפשרות לאספקת מגוון חדש ובלתי צפוי של שירותים חדשים.

מאת: Yan Vainter, Freescale

תקציר המאמר
מערכות סיוע מתקדמות לנהג (ADAS) מסתמכות באופן משמעותי על חיישני מכ”ם למען השגת האופטימום במונחים של עלות ואמינות. במאמר זה נציג בקצרה את העיקרון העומד מאחורי פעולתו של מכ”מ גל רציף באפנון תדר (FMCW), נביא סקירה של עיבוד האותות הבסיסי ונדון בערכים המהותיים שאותם מספק הפתרון המוצע על ידי Freescale. נראה את רמת הבשלות והאינטגרציה שאליהן מגיעות כיום המערכות הפועלות ב- 77 ג’יגה-הרץ ונבחן את המערכות המתקדמות ביותר.
מערכת מכ”ם אינה יכולה להיות מושלמת ללא מיקרו בקר מקומי שמספק קישוריות אמינה אל שאר המערכות האלקטרוניות והחשמליות של המכונית, ובאותה העת יש לו יכולת מספקת על מנת לבצע את העיבוד הראשוני של האותות הגולמיים בפס הבסיס של המכ”ם הפועל בריבוי ערוצים. בהמשך נסקור את הארכיטקטורות של המיקרו-בקרים הקיימות כיום עבור עיבוד אותות המכ”ם ולצורך מיזוג הנתונים.
לבסוף, נדון בדרישות העומדות בפני מערכות המשנה של חיישני המכ”ם מבחינת הבטיחות הפונקציונלית. דוגמאות טיפוסיות לאופן שבו הבטיחות הפונקציונלית של חיישני המכ”ם נתמכת על ידי המיקרו-בקרים של חברת Freescale יסכמו את המאמר.

1. הקדמה
מערכות מכ”ם שימשו בעשורים האחרונים בעיקר בתחומי התעופה והחלל ורובם היו מבנים גדולים ומסורבלים שהוצבו על גגות בתי מגדלים ענקיים. הפוטנציאל הגלום בהם עבור יישומים שמיועדים לכלי רכב הוכר די מוקדם, ועם הקצאת התדרים לשימוש בכלי רכב ובתחום פס הגלים המילימטריים, נראתה התדירות של 77 ג’יגה-הרץ מתאימה עוד יותר, מאחר שבתדירות זו, למולקולות המים יש בליעה מרבית של הגלים. הצפיפות הגבוהה, אשר על פי הצפוי אמורה הייתה להידרש מהתקני מכ”ם לכלי רכב, והטווחים הקצרים למדי (בהשוואה ליישומי תעופה וחלל) הצדיקו את בחירת התדר הזו. על אף שרוב התקני המכ”ם לטווחים קצרים עודם פועלים גם היום ב- 24 ג’יגה-הרץ, אין כל ודאות שפס תדירויות זה יהיה זמין לשימוש גלובלי בטווח הארוך.
טכנולוגיית המכ”ם רכשה לה מקום של כבוד במרחב היישומים המיועדים לכלי רכב כטכנולוגיית חיישנים עמידה עבור מערכות עזר לנהג. על מנת לקבל הבנה בסיסית באשר לאתגרים המעורבים בשימוש בטכנולוגיה זו, נציג בהמשך סקירה מפושטת של עקרונות הפעולה.
כמו כן, מופיע בהמשך תיאור של מערכת הפועלת בתדירות רדיו של 77 ג’יגה-הרץ, שנדרשת לשידור ולקליטה של גלי מכ”ם. החיישן מבצע גם עיבוד אותות בפס הבסיס בהיקף משמעותי, וגם בנושא זה נדון במאמר זה, ולבסוף נביא דיון קצר בנושא הבטיחות הפונקציונלית, שיש לה חשיבות מסוימת במערכות עזר מתקדמות לנהג.

טבלה 1: השוואה בין היכולות של הטכנולוגיות השונות עבור מערכות הפועלות ב- 77 ג'יגה–הרץ

איור 1: תרשים בלוקים של חיישן מכ”ם.

2. טכנולוגיה
מערכות המכ”ם בגלים מילימטריים הראשונות שפעלו בטכנולוגיה של מעגלים משולבים הסתמכו על התקנים של מוליכים למחצה – דור III – V. כיום רוב מערכות המכ”ם לכלי רכב עודן משתמשות בטכנולוגיה גליום-ארסן, כדי ליצור את מעגלי החזית הקומפקטיים לת”ר (RF). בינתיים, טכנולוגיית SiGe – ששימשו לראשונה את תעשיית הטלפונים הסלולריים שהייתה החלוצה להשתמש בהם – התפתחה להיות טכנולוגיה עם יכולות דומות, אך בת”ר ובעלות נמוכה באופן משמעותי. הצרכנים יכולים היו לראות מערכות עזר מתקדמות עבור נהגים, במחיר שווה לכל נפש. האפשרות הטכנולוגית השלישית הייתה תהליך CMOS מהיר בעל ביצועים גבוהים, שפועל בטכנולוגיית צומת, שהיא הרבה יותר מעבר לרמת 90 ננו-מטר. טבלה 1 מציגה מבט מקיף של הערכים החשובים יותר הקיימים בכל אחת מהטכנולוגיות. לטכנולוגיית גליום-ארסן יש בידוד מצע טוב כדי להשיג צפיפות גבוהה של מעגלים בכל שבב, אך הצפיפות של הלוגיקה שאותה אפשר לקבל (עבור מעגלי בקרה) נמוכה למרבה הצער. באותו זמן, חומר פרוסת גליום-ארסן עדיין נשאר יקר בהשוואה ליעילות הגבוהה שמושגת בטכנולוגיית הסיליקון המשמשת בזרם המרכזי.
קשה יותר לטפל בחומרים מדור III – V מאשר בחומרי סיליקון, והגודל של הפרוסה או המצע שלהם ברוב המקרים קטן יותר ממחצית הגודל של פרוסת סיליקון. בנוסף אפשר לצפות שעלותה של פרוסת גליום – ארסן שנכנסת למתקן עיבוד תהיה גבוהה פי עשרה עד פי עשרים מהעלות המיוחסת לפרוסת סיליקון, על אף שההפרש בעלויות מצטמצם במידת מה לאחר תהליך הייצור, האריזה והבדיקות.
ומצד שני, מערכת CMOS, שהיא פשוטה בצומתי הטכנולוגיה המתקדמים, מציעה צפיפות לוגיקה טובה מאוד ובעלות טובה מאוד, אבל מתחי הפריצה הנמוכים של טכנולוגיות אלו, שמתוכננות למחשוב בביצועים גבוהים, לא מתקרבים אפילו לרמות ההספק הנדרשות לצורך פעולה אמינה בטווח הבינוני או הרחוק של מגזר המוצרים המיועדים עבור כלי רכב.
האפשרות הטכנולוגית שאין בה החסרונות העיקריים, משתמשת בתהליך BiCMOS השמרני שהורחב באמצעות מודול עיבוד גלים מילימטריים. מודול עיבוד זה מספק מבנים של טרנזיסטורי HBT בחומר SiGe:C אשר מציע את היתרון הבסיסי הכרוך בניידות גבוהה יותר של אלקטרונים, ניידות שמתורגמת למהירויות פעולה גבוהות יותר. תהליך BiCMOS מספק נצילות מספקת להוספה של מבני בקרה, שהם כדאיים מבחינת עלות ומיועדים עבור לולאות נעולות פאזה (PLL) ועבור ממשקי בקרה ספרתיים, כמו למשל ממשק SPI. הערכים של מתח הפריצה ושל הגבר ההספק תומכים במעגל המשדר ברמות הספק של 13dBm, ובאותה העת, מספקים בידוד שהוא מספיק לשילוב של ערוצי מקלט מרובים בשבב יחיד.

טבלה 1: פרמטרים חשובים של מקלט בריבוי ערוצים (NFssb הוא ספרת הרעש של פס צד יחיד - Single Side Band)

טבלה 2: פרמטרים חשובים של לולאת PLL בריבוי ערוצים במשדר.

איור 2: ערכת ההערכה של לולאת PLL במשדר בתדירות של 77 גיגה–הרץ

3. הטופולגיה של המכ”ם והפרמטרים של המערכת
סוג האפנון המשמש ברוב מערכות המכ”ם עבור כלי רכב הוא שיטת גל רציף באפנון תדר
(FMWC). למעשה, זו מערכת פשוטה ביותר ואמינה מאוד, אשר משתמשת באות גל נושא רציף שהתדירות שלו משתנה על פי לוח זמנים המוגדר מראש, כמו למשל שיפוע בזמן. הטווח שבו מתרחש שינוי תדירות זה מגדיר את רוחב הפס של מערכת המכ”ם. באופן כללי, עבור מערכות מכ”ם הפועלות ב- 77 ג’יגה-הרץ, קיים חריץ תדירות של 1 ג’יגה-הרץ המוקצה סביב 76.5 ג’יגה-הרץ וחריץ תדירות של 4 ג’יגה-הרץ סביב 79 ג’יגה-הרץ. בדרך כלל טווח התדירות של 77 ג’יגה-הרץ תואם לחיישני מכ”ם לטווח רחוק, וטווח התדירויות של 79 ג’יגה-הרץ משויך למערכות מכ”ם לטווח קצר.
ברוב המקרים, המשדר כולל מתנד מקומי (LO), שאותו אפשר לכוון באופן רציף באמצעות לולאת PLL. קצב ההטיה (sweep rate) של התדירות הנגרמת כתוצאה מכך, הוא פרמטר חשוב של המערכת, כפי שנראה בהמשך.
איור 1, שלעיל, מציג את תרשים הבלוקים של חיישן המכ”ם בעל האינטגרציה הגבוהה. המתנד מבוקר המתח (VCO), שנמצא על שבב המשדר, יוצר את האות המשודר בתדירות של 77 ג’יגה-הרץ, אשר מוגבר במגבר ההספק (PA) ונשלח לאנטנת השידור. מתח הכיוון עבור מתנד VCO נוצר במעגל לולאת PLL, אשר גם היא משולבת בשבב המשדר. קצבי הטיה גבוהים של תדירות מהווים דרישה חשובה לצורך השגת דיוק גבוה של מהירות המטרה. על מנת להקטין את עלויות המערכת, קבוצת שבבי מערכת החזית בת”ר תומכת בחלוקה של המתנד המקומי למחצית תדירות השידור (בערך 38 גיגה-הרץ).  בטבלה 1 מופיעים כמה פרמטרים חשובים של המקלט. קיימת חשיבות גבוהה לעצם זה, שאר מערכת החיישן מטפלת בניתוח של רכיבי התדירות בתדר ביניים מיקרו-בקר. אנטנות קליטה מרובות מאפשרות לחיישן לקבוע את הכיוון של המטרות. מעיון באיור אפשר לראות שיש צורך להעריך ברוב המקרים רק את הרכיב הממשי של אות תדר הביניים. עם זאת, יש צורך לבדוק את הרכיבים המרוכבים של פאזת האות באמצעות טרספורם פורייה. קיום של בידוד גבוה של תדר ביניים לתדר ביניים (IF- to – IF), על מנת שלא להגביל את הארכיטקטורות של מכ”ם בריבוי ערוצים למקרה של צימוד פרזיטי של אותות. ובנוסף, די ברמות הספק נמוכות ביותר (10dBm – <) של כניסת המתנד המקומי, על מנת להשיג את הפרמטרים המוצגים בטווח הטמפרטורות של השבב, שהן בין -40OC לבין +125OC.
טבלה 2 מציגה את הפרמטרים החשובים של לולאת PLL במשדר. שילוב של הספק מוצא גבוה עם טווח רחב של בקרה דינמית קיים בשימוש ב- 4 ערוצי מוצא לכל היותר (בכל נקודת זמן מסוימת יכול להיות ערוץ אחד בלבד שפעיל). מהירות שיפוע מרבית של 7.8 מגה-הרץ לננו-שניות מאפשר יצירה של זמני “צרצור” (chirp) קצרים ביותר, אשר נדרשים עבור מערכות מכ”ם בעלות רזולוציה גבוהה.
גילוי האפנון של האות הנקלט מבוצע במקלט מסוג homodyne באמצעות ערבול של האות הנקלט עם התדירות של המתנד המקומי. תדירות תדר הביניים שנוצרת כוללת רכיבי תדירות שתואמים לעצמים מחזירים במרחקים שונים. כל ההמרה כלפי מטה אל פס הבסיס הקרוב של האותות בת”ר מבוצעת בשבב מקלט יחיד אשר קולט את התדירות של המתנד המקומי מהמשדר.
על מנת לחקור את היכולות של לולאת PL במשדר בתדירויות נמוכות השתמשו בערכת ההערכה (איור 2) המורכבת ממעגל הליבה של ת”ר של לולאת PLL  במשדר וממעגל עזר (ליצירה של מתחי אספקה ושל ממשק SPI), אשר מספק את מוצא המעגל המחלק בתדירות של 9.5 גיגה-הרץ בערך (אות המוצא של המשדר מחולק בשמונה). בקר מיקור של חברת Freescale ותוכנת Windows XP משמשים אף הם  – עובדה שמאפשרת ביצוע קל של בקרה על שבב לולאת PLL שבמשדר, באמצעות ממשק משתמש גרפי.
גילוי האפנון של האות הנקלט מבוצע במקלט מסוג homodyne באמצעות ערבול של האות הנקלט עם התדירות של המתנד המקומי. תדירות תדר הביניים שנוצרת כוללת רכיבי תדירות שתואמים לעצמים מחזירים במרחקים שונים. כל ההמרה כלפי מטה אל פס הבסיס הקרוב של האותות בת”ר מבוצעת בשבב מקלט יחיד אשר קולט את התדירות של המתנד המקומי מהמשדר.
על מנת לחקור את היכולות של לולאת PL במשדר בתדירויות נמוכות השתמשו בערכת ההערכה (איור 2) המורכבת ממעגל הליבה של ת”ר של לולאת PLL תבמשדר וממעגל עזר (ליצירה של מתחי אספקה ושל ממשק SPI), אשר מספק את מוצא המעגל המחלק בתדירות של 9.5 גיגה-הרץ בערך (אות המוצא של המשדר מחולק בשמונה). מיקרו-בקר של חברת Freescale ותוכנת Windows XP משמשים אף הם – עובדה שמאפשרת ביצוע קל של בקרה על שבב לולאת PLL שבמשדר, באמצעות ממשק משתמש גרפי.
שאר מערכת החיישן מטפלת בניתוח של רכיבי התדירות בתדר ביניים במיקרו-בקר. אנטנות קליטה מרובות מאפשרות לחיישן לקבוע את הכיוון של המטרות. מעיון באיור אפשר לראות שיש צורך להעריך ברוב המקרים רק את הרכיב הממשי של אות תדר הביניים. עם זאת, יש צורך לבדוק את הרכיבים המרוכבים של פאזת האות באמצעות התמרת פורייה.

איור 3: שיטת אפנון FMCW: תדירות השידור בשחור תדירות הקליטה באדום

איור 4: קונפיגורציות של אלומות אנטנה באמצעות 2 ערוצי קליטה (ימין) ו-16 ערוצי קליטה (שמאל).

4. עיבוד אותות המכ”ם
גילוי המטרות במערכות מכ”ם מסוג FMCW נעשה על ידי ניתוח של תדירויות הפעימות מכל מטרה אשר קיימות באות תדר הביניים. איור 3 מציג את העיקרון הבסיסי: אות השידור מראה קונפיגורציית אות בהטיית תדירות שבין התדירויות  (לדוגמה 77 ג’יגה-הרץ) לבין  (לדוגמה 76 ג’יגה-הרץ) עם זמן מחזור . האות המוחזר ממטרה אחת מוצג בצבע אדום והוא מראה השהיית זמן של  הנובע מהמרחק והזזת תדר של   הנובעת ממהירות דופלר של המטרה.
האות בתדר הביניים מכיל מידע בנוגע למרחק ולמהירות של המטרה (או המטרות), אך לרוע המזל, שניהם נכללים בתדירות פעימה יחידה . הזזת הדופלר של אשר נובעת מהמהירות הרדיאלית של המטרה, מובילה לרכיב תדירות, . המרחק הרדיאלי d נגזר משינוי תדירות הביניים , כאשר קצב האפנון נתון על ידי . אם האות בתדר הביניים מורכב משני הרכיבים  עובדה שמובילה לחוסר של חד משמעיות מבחינת משימת עיבוד האות.
יש דרכים רבות לפתרון חוסר חד משמעיות כזו. הדרך הפופולרית ביותר היא להשתמש בריבוי של לוחות זמנים לאפנון, כלומר, עלייה הדרגתית בתדירות (כפי שמוצג באיור 3), ולאחריה ירידה הדרגתית בתדירות. שיטה זו מאפשרת שימוש ברוחב פס מתון של תדר ביניים והיא משמשת במידה רבה בדור הנוכחי של מערכות מכ”ם לכלי רכב. עבור ורזולוצית טווח של מטר אחד וורזולוצית מהירות של 1 קמ”ש די בקצב הטיה מתון של 50 מגה-הרץ למילי-שנייה. טווחי גילוי של 200 מטר ומהירויות יחסיות של מינוס 180 קמ”ש עד פלוס 360 קמ”ש מגבילים את תדר הביניים לפחות מאשר 100 קילו-הרץ. עיבוד אותות בפס הבסיס יכול על כן להשתמש בממירים מאנלוגי לספרתי (ADC) הבנויים בתוך המיקרו-בקרים הקיימים לכלי רכב ולהגיע לרמות גבוהות של אינטגרציה.
שיטת טווח דופלר משכה לאחרונה תשומת לב מסוימת ביישומים לכלי רכב. טכניקה זו מספקת פתרון ישיר לבעיה של חוסר החד משמעיות בתדר הביניים, על ידי הפעלה של צרצורים מרובים בתוך מחזור שידור יחיד Tm ובכך היא מספקת רכיב בעל טווח גדול יותר בהרבה של תדירות הפעימה ומגבילה את רכיב הדופלר לפאזה של האות בתדר הביניים.
גילוי של הכיוון הזוויתי של המטרה דורש שימוש ביותר מאשר באנטנה אחת. כיוון ההגעה נקבע בפשטות באמצעות ניתוח גיאומטרי של הפרש הפאזה של הגלים הנקלטים מהמטרה. שיטה זו נקראת יצירת אלומה ספרתית (DBF) מאחר שאפשר לחשב את האלומות בכל כיוון באמצעות אורך החריר של האנטנה במערך. ביישומים לכלי רכב אורך החריר מוגבל בדרך כלל על ידי עיקבת האנטנה שמוגדרת על ידי יצרן הרכב.
המספר המינימלי של ערוצי קליטה עבור רזולוציה מיוחדת הוא 2. עם זאת, יידרשו יותר משתי אנטנות קליטה כדי להשיג תרשים סביר של אנטנה. איור 4 מציג את תרשימי האנטנה שווי הערך עבור קונפיגורציות של שתי אנטנות קליטה (ימין) ושל 16 אנטנות קליטה (שמאל). היתרון העיקרי של השימוש באנטנות רבות יותר הוא הדיכוי של אונות הצד.

איור 5: מערכת מכ”ם לדוגמה בשישה ערוצים מבוססת עיבוד טווח-דופלר

איור 6: יחידת הבטיחות הפונקציונלית של המיקרו-בקר MPC5643L

5. תכנון מערכת חיישני מכ”ם
איור 5 מציג מודול חיישני מכ”ם אופייני בכל 6 ערוצים מבוסס אלגוריתם טווח–דופלר. במערכת זו, קיימים אך מעט מאוד רכיבים שמאפשרים בכך קבלת ביצועים גבוהים, בעלות סבירה. כל פונקציות השידור בת”ר משולבות בשבב BiCMOS יחיד, כולל מתנד VCO, מחולל אות העלייה ההדרגתית (ramp) וממשק SPI, אל המיקרו-בקר המשמש לבקרה. אות שעון הבסיס של 50 מגה-הרץ הנוצר בגביש מספיק כדי ליצור אות שעון בסיס של 77 ג’יגה-הרץ לשידור. אות המוצא של המתנד המקומי מוזן ישירות אל תוך שבב המקלט לקבלת גילוי אפנון קוהרנטי. על מנת לשלוט בנושאי הפרעות EMC טוב יותר, נשלחת רק מחצית אחת של תדירות אות השעון על פני המעגל המודפס.
שבב המקלט מכיל את כל ששת ערוצי הקליטה בשבב BiCMOS יחיד והוא שולח שישה ערוצי תדירות ביניים אנלוגיים אל ממיר מאנלוגי לספרתי בשישה ערוצים, הפועל בתדר של 50 מגה-הרץ. ערוצי תדירות הביניים של החלק הממשי שעברו המרה לספרתי, עוברים עיבוד נוסף מיקרו-בקר בעל ביצועים גבוהים בדרגת איכות המיועדת לכלי רכב, ותקשורת FlexRay או CAN משמשת לשידור רשימות העצמים אל מעבד מיזוג הנתונים. אפשר לממש את פתרון החיישן המלא באמצעות ארבעה התקני סיליקון עיקריים.

6. דרישות הבטיחות הפונקציונלית
חיישני מכ”ם הופכים להיות חלק בלתי נפרד ממערכות בקרת שיוט מסתגלת (ACC), אשר בדרך כלל מספקות דרגה מסוימת של התערבות בתהליך הנהיגה. להיעדרן של תקלות שלא נתגלו יש חשיבות עליונה בפיתוח סוג זה של מערכות. תקן ISO26262 מגדיר את רמות שלמות הבטיחות עבור יישומים לכלי רכב (ASIL) ואת כמות השעתוק (replication) שיש להוסיף למערכות אלקטרוניות על מנת לעמוד בדרישות. כאשר חיישן המכ”ם הוא החיישן היחיד שקולט מידע לפנים, יש להשקיע מאמץ משמעותי כדי להשיג את דרוג רמת ASIL הדרושה במערכת החיישנים עצמה.
על מנת להקל על התכנון של מערכות עמידות ברמה גבוהה ביותר לתקלות שכאלו, המיקרו-בקר צריך לספק מידה משמעותית של יכולת שעתוק מובנית ולנטר התקנים. איור 5 מציג תרשים בלוקים של המיקרו-בקר החדש MPC5643L  שתוכנן עבור מימוש של מערכות בעלות יכולת של רמת ASIL-D. על מנת לממש את היתירות בדרך שהיא כדאית ביותר מבחינה כלכלית, רק הכמות המינימלית של לוגיקה משוכפלת במרחב שנקרא “מרחב השעתוק” (מוצג החלק העליון של איור 6) המורכב מהחלקים הבאים:
ליבות e200  כפולות,
ערוצי eDMA כפולים
בקר פסיקות יתיר (INTC), קוצבי זמן בתוכנה (SWT) וכיו”ב
יחידות יתירות לניהול זיכרון (MMU)
יחידת (Cross-Bar (XBAR ויחידת הגנה על הזיכרון (MPU)
יחידות בדיקת יתירות (RC) בממשק אל המרחב שאין בו יתירות
הזיכרונות אינם מהווים חלק ממרחב השעתוק מפני שאפשר להגן עליהם ביעילות רבה למדי מפני תקלות באמצעות קודי שגיאות (ECC).
החלקים האחרים של ההתקן מוגנים מפני תקלות משותפות בעזרת ריבוי מעגלים יתירים לניטור מתח, חיישני טמפרטורה יתירים, מעגלים יתירים לניטור אותות שעון, וכיו”ב. עבור התקנים היקפיים מסוימים, כמו למשל, ממירים מאנלוגי לספרתי (ADC), מערכת BIST בחומרה עם תמיכה מכוונת מסייעת ליצור פונקציונליות ללא תקלות, בכל פעם שנדרש. כל התקלות המתגלות נאספות על ידי יחידת איסוף תקלות (FCC), שמציינת את השגיאות לעולם החיצון בלי קשר לפעולת התוכנה ומאפשרת למערכת כולה להיכנס למצב בטוח.

7. סיכום המאמר
במאמר זה הוצגה העובדה שחיישני מכ”ם בריבוי ערוצים הפועלים בטכנולוגיית BiCMOS בחומר SiGE כדאיים מבחינה כלכלית, אף אם משתמשים בהתפתחויות המתקדמות ביותר של אלגוריתמי עיבוד עבור יצירת אלומה ספרתית. התקני ת”ר משולבים מאפשרים לממש משדר בעל הספק גבוה עם אפנון מהיר, ליניאריות מצוינת ורמות גבוהות של אינטגרציה.
משפחה מסוימת של התקני מיקרו-בקרים עבור מגזר השוק Chassis מספקת משאבי עיבוד אותות שמספיקים עבור ארכיטקטורות מקלטים מתקדמות. באופן מיוחד, עיצוב אלומות ספרתי בעלות נמוכה נעשה אפשרי באמצעות ספריות עיבוד אותות בביצועים גבוהים, ואפשר בקלות לממש תפיסת בטיחות משולבת באמצעות ארכיטקטורת Lock-Step בריבוי ליבות.

מאת:ג’ואל קירשמן, AWR, בני חדד, רדט ציוד ומערכות.

רקע
התפיסה העומדת מאחורי ה-  Software Design Radio מיושמת מזה מספר שנים. באופן תמציתי, ה- SDR הוא רדיו אשר חלק נרחב מהשכבה הפיזיקלית (PHY Layer) מוגדר באופן תוכנתי. השכבה הפיזיקלית היא השכבה שבה מיושם פרוטוקול התקשורת ברמות ה-  Base Band  וכן ה- IF/RF. כיום, ה- SDR מיושם בצורה הולכת וגדלה הן ביישומים אזרחיים והן בצבאיים.
היכולת ליישם תצורות גל שונות וכן פונקציות שידור/קליטה באופן תוכנתי, בהחלט רלוונטית ומושכת מבחינת הקטנת העלויות, מורכבות התכנון ועוד. מטרת ה- SDR הינה לייצר שרשרת רדיו אשר חלק גדול ממנה ימומש באופן תוכנתי. הבעייתיות והאתגרים בתכן SDR נובעים מכך שמדובר לרוב במערכות מורכבות הדורשות אנליזה מרמת הרכיב ועד לרמת המערכת, וכן אינטגרציה בין שתי הרמות, לשם השגת הביצועים הנדרשים. מאמר זה מתאר את תכונות ה- SDR בכללותן, אתגרי התכן שבו וכן מספר דוגמאות לדרך שבה כלי התכן המערכתי,  ה-   Visual System Simulator   של AWR, מאפשר פיתוח מקצה לקצה של ארכיטקטורת שרשרת ה- RF על פי עקרון ה- SDR.

SDR
ישנם מספר תהליכים המגדירים רדיו כ- SDR. טלפון סלולרי מודרני יכול להיחשב, למשל, כ- SDR משום שרוב (אם לא כל) תהליך העיבוד מבוצע ע”י רכיב העיבוד ה- DSP. ה- SDR מאפשר למקמ”ש יחיד להכיל בתוכו אותות מסוגים שונים, דבר המאפשר למוצרים להיות מתוקננים לסטנדרטים בינלאומיים שונים. ה- SDR נחשב לאטרקטיבי עבור היצרנים, ספקי תקשורת סלולריים ומשתמשים צבאיים משום שפלטפורמת חומרה יחידה, יכולה להכיל אותות מאופננים מסוגים שונים, תחומי סרט שונים, פונקציונליות שונה, ובכך לאפשר אפליקציות שונות ומגוונות.

איור 1: מבנה סכמתי של מערכת 16-QAM עם תוצאות ה- BER. תוצאות ההרצה (אדום) דומות מאד לאלו התיאורטיות (שחור).

איור 2א: תוצאות סימולציית BER של מערכת 16-QAM עם מגבר בעל OP1dB של 10dBm. מתקבל BER של 1e-6 עבור SNR של 22dB.איור 2ב: שינוי OP1dB של המגבר ל- 12dBm מאפשרים השגת BER של 1e-6 ב- SNR של 20dB.

ביצוע סימולציה על סביבת SDR
בכדי לתכנן ולנתח SDR, ישנו הכרח לבנות את התכנון כשרשרת החל משלב  ה- BB  על פי התקן הרלוונטי, כדוגמת 2G/3G, LTE, WiMAX. נובע מכך כי יש ליישם בלוקי קידוד ערוץ, שזירה (Interleaving) ועוד. ברגע שאות ה- BB מוגדר היטב, על כלי הסימולציה להיות ערוך לבחינה של השפעות שרשרת הרדיו על ביצועי ה- SDR, כגון מדידות EVM, BER, CCDF. בהינתן מידע זה, יכול המתכנן לבצע אנליזות לבחינת שיקולי שרשרת הרדיו, השפעות פרמטרים של רכיבים או מעגלים, אנליזות Yield, בחינת השפעת אותות מפריעים, השפעת אופיינו של הערוץ (Multipath) ועוד. כל זאת, בכדי לשערך בצורה מיטבית את אופיו של מערכת ה- SDR בעולם האמיתי.
מערכות SDR מכילות מגוון אותות מאופננים, המשתנים בסוגיהן ובמידת מורכבותן עבור אותה מערכת. אותות מורכבים, כגון 64-QAM, שימושיים כאשר התנאים (יכולות המערכת + תנאי הסביבה) מאפשרים זאת, ומספקים מעבר מידע בקצב גבוה יותר. כאשר התנאים אינם מאפשרים עבודה עם אפנון 64-QAM, תישקל אפשרות עבודה עם אפנון 16-QAM, למשל. אי לכך, עבור כל מערכת SDR בנפרד, יהיה חשוב לבצע הרצות סימולציה של BER/EVM עבור שני האפנונים השונים. קיימות מספר גישות המבצעות קירובים לחישוב ה-BER כפונקציה של סוג האפנון, אולם אין זה מספק די הצורך. אין זה מן הנמנע, ולעתים מחייב, לבצע הרצות במישור הזמן בכדי לקבל תמונה אמינה של ה- BER עבור שני האפנונים.
מדדי SDR קריטיים הדורשים סביבת סימולציה התומכת יחדיו בבלוקי DSP ו- RF הם בעיקר:
EVM, רעש הנוצר מקוונטיזציית ADC/DAC, BER, Carrier to Noise Interference (CNR), Spurious Free Dynamic Range (SFDR), Adjacent Channel Power Ratio (ACPR), Complementary Cumulative Distributed Function  (מדד המאפשר חישוב יחס Peak to Average, PAR), ספקטרום ועוד.

איור 3: תוצאות סימולציית BER של מערכת 16-QAM בתוספת רעש הפאזה.

איור 4: תוצאות סימולציית BER של המערכת עבור 64-QAM.

דוגמאות לסימולציה
בדוגמאות הבאות נעשה שימוש בכלי הסימולציה המערכתית של AWR, ה- VSS. ביצענו אנליזה הכוללת שינוי ערכי פרמטרים במספר רכיבי RF מסוימים ובחינה בהתאמה של פרמטרי מערכת עבור אותות מאופנני 16-QAM וכן 64-QAM. המטרה בדוגמא זו הינה להשתמש ב- VSS בכדי לקבוע מהי נקודת דחיסת (1dB (P1dB של המגבר וכן של רעש הפאזה של מקור תדר ה- LO. שני פרמטרים אלו, בין היתר, משפיעים באופן ישיר על ביצוע מערכת ה- SDR, כגון על ביצועי ה- BER. עבור דוגמא זו, תוצאות ה- BER המתוארים באיור 1 (בצבע אדום) תואמים לאופיין המתקבל באופן תיאורטי (בצבע שחור). בשלב הבא, מתווסף לשרשרת מגבר לא ליניארי, מיד לאחר בלוק המוסיף רעש לבן (AWGN). מגבר זה יסייע בבחירת נקודת הדחיסה הנדרשת להשגת דרישת BER של 1e-6 עבור SNR של 20dB.
נקודת (Third Order Intercept (IP3 של המגבר נבחרה שרירותית להיות ממוקמת, על פי המודל, ב- 10dB גבוהה יותר מנקודת P1dB, בעוד שהגבר המגבר נקבע על 10dB. תוצאות סימולציית ה- BER, המתוארות באיור 2א, מראות כי כאשר OP1dB = 10dBm, נדרש SNR של 22dB בכדי לקבל BER של 1e-6. אם נבחר OP1dB של 12dBm, אזי נשיג את תוצאת ה- BER הרצויה (איור 2ב).
בשלב הבא, נוסיף מסנן למערכת, ונמקם אותו מיד לאחר המגבר. אות ה- 16-QAM הינו בעל תצורת Root Raised Cosine  עם מקדם α=0.35 ובעל רוחב סרט של כ- 50KHz. התדר המרכזי של האות הינו 10MHz. המסנן שנבחר הינו בעל ניחות הקרוב ל- 0dB בתחום המעבר ובעל רוחב סרט של כ- 52KHz. בהיסט של 100KHz מן התדר המרכזי (היינו ב- 9.9MHz או ב- 10.1MHz) המסנן מנחית בכ- 50dB. תחת תנאים אלו, אות ה- 16-QAM מייצר BER העומד בדרישות ה- BER לעיל. עם זאת, כאשר אנו מוסיפים רעש פאזה ל- LO, ניתן לראות השפעה ממשית על ביצועי ה- BER (איור 3.)

איור 5: תוצאות סימולציית BER של המערכת עבור 64-QAM, כאשר רעש הפאזה מוסר.

איור 6: השוואת ה- CCDF של אות 16-QAM לעומת 64-QAM.

בחינת שינויי האפנון
כאמור לעיל, נדרש ממערכות SDR להיות מסוגלות לתמוך במגוון תצורות אפנון בקצבים שונים, המשתנים באופן תוכנתי בהתאם לתנאי המערכת כולה. מבני אפנון מורכבים יותר, כגון 64-QAM, ישימים כאשר מתקיימים תנאי מערכת נאותים, בכדי לספק אפשרות מעברי מידע מהירים יותר. בכדי לבחון אפשרות זו, נשנה את הבלוק המספק את האות המאופנן ל- 64-QAM, עם Pulse Shaping ורוחב סרט זהים. ה- VSS מתוכנן כך שהמקלט מזהה באופן מיידי את ההגדרות החדשות. איור 4 מתאר את תוצאות ה- BER עבור תצורת אפנון זו, עבור אותה ארכיטקטורת מקלט וכן עם רעש הפאזה, ומתקבל כי תחת תנאים אלו ניתן לעמוד ב- BER מינימאלי של 1e-3.
איור 5 מתאר את תוצאות ה- BER עם אות 64-QAM כאשר רעש הפאזה מוסר מן המערכת, ומתקבל כי עדיין לא ניתן להשיג BER של 1e-6 תחת התנאים הקיימים.
בכדי לפצות עבור הפרש זה, הועלה ה- OP1dB של המגבר ל- 14dBm, ותוצאת ה- BER המתקבלת עקב מהלך זה מוצג באיור 7.
כעת, יש ליישם מחדש את רעש הפאזה לתוך המערכת, בכדי לקבוע מהו רעש הפאזה המקסימאלי שיכול להיכנס למערכת דרך ה-LO, כך שנוכל לקבל BER של 1e-6.

איור 7: תוצאות סימולציית BER של המערכת עבור 64-QAM, כאשר נבחר OP1dB של 14dBm.

איור 8: תוצאות סימולציית BER של המערכת עבור 64-QAM, כאשר נבחר OP1dB של 14dBm, בתוספת רעש הפאזה שהוקטן ב- 9dB.

ניתן לתאר ב- VSS את עוצמת רעש הפאזה כפונקציה של ההיסט במספר צורות, כגון ברישום ווקטורי, וכן כטבלה בקובץ. עבור היסט של 10Hz יישמנו -31.6dBc/Hz ובאופן הדרגתי, כפונקציה של ההיסט מתדר ה- LO המרכזי, נבחר -141.8dBc/Hz עבור היסט של 1MHz. לאחר מספר הרצות בהם הורד רעש הפאזה ב- 9dB, התקבל כי ניתן להגיע ל- BER של 1e-6 עבור SNR של 28.5dB (איור 8).
איור 9 מתאר את תצורת ה- IQ עבור המקרה של SNR=30dB, ומאפשר להבחין ב- Jitter הנוצר עקב רעש הפאזה. יישום השיפור הנ”ל בביצועי רעש הפאזה של המערכת עבור אות 16-QAM הוביל לקבלת BER של 1e-6 עבור SNR=21dB.
חשיבות יכולת כלי הסימולציה להתמודדות עם שינויים מערכתיים כוללים (DSP וכן RF)
כלי סימולציה, כגון ה- VSS של חברת AWR, מאפשרים למתכנן המערכת וה- RF לתכנן ולהעריך את יכולות המערכת עבור תנאים שונים ומגוונים, כגון במקרים של מערכות SDR מתקדמות, המשלבות שרשראות RF מתקדמות ומגוון אותות מאופננים. מעבר למתואר לעיל, ישנם פרמטרים רבים ביותר היכולים להשפיע על ביצועי המערכת, כגון IQ Imbalance, אותות מפריעים (Interferences), מספר הביטים ב- ADC ועוד. מערכות מתקדמות, תקשורת אזרחית, צבאית, ראדאר ועוד, דורשות אנליזה בכל אחת מרמות התכנון בכדי להגיע לביצועי המערכת האופטימאליים. הפתרונות המוצעים על ידי כלי הסימולציה תואמים לטכנולוגיות המתקדמות ביותר ואף מסייעים לפיתוחן ולמימושן באופן ישיר.

איור 9: איור ה- IQ עבור 64-QAM במקרה של SNR=30dB.

ג’ואל קירשמן הוא מומחה יישום בקבוצת הפיתוח של תוכנת ה- VSS בחברת AWR, בה הוא עובד כ- 10 שנים. בעברו עבד בחברת Elanix בתפקיד דומה. ג’ואל הינו בעל תואר M.Sc בהנדסת חשמל מאוניברסיטת California State.
לפני שהתמחה בתחום ה- EDA, עבד מספר שנים בתכן רכיבים ומערכות דיגיטליות ליישומי חלל, תכן מערכות אלקטרוניות, RF וכן GPS.

מאת: אהרון שגיב

חברת (Mini-Circuits (RAVON הנמצאת בשוק ה- RF כבר למעלה מ-42 שנה  ידועה כחברה מובילה  בקנה מידה עולמי בפיתוח ויצור רכיבי RF.
(מיקסרים,מפצלים,מצמדים,מגברים, מתנדים, סינתיסייזרים, שנאים מנחתים, כבלים וכו’…)
החברה פיתחה לאחרונה סל מוצרים חדש בשם Portable Test Tools עם ממשק HID USB הכולל  (Graphical User Interface) ותוכנת מדידה ידידותית למשתמש. התוכנה מאפשרת למשתמש להיות  עצמאי לחלוטין ולבצע דרכן מדידות בסיסיות ללא צורך בתכנתים או תוכניות מדידה חיצוניות, ובמידת הצורך  החברה מציעה פתרונות תוכנה ע”פ דרישת הלקוח.

איור 1

איור 2

בנוסף הצב”ד הנ”ל יודע לעבוד עם תוכנות  בעזרת אותו צב”ד (אותו נפרט בהמשך) ניתן לבנות בקלות מערכים מאד פשוטים וקלים ליישום.
המערכים מהווים תחליף ל- Scalar Network Analyzer או כל מערך מדידה אחר אשר דורש שימוש במד הספק, מד תדר, מחולל תדר וכו’…
החיסכון הכספי מגיע ליחס של 1:10 ואף יותר, אם ניקח בחשבון את תוכנת המדידה הכלולות בצב”ד שמקלות הן בעלות והן במהירות הכשרת המשתמש.
הגודל הפיזי הקטן והמשקל הנמוך של המוצרים מאפשר למשתמש לנייד את הציוד בקלות ולהגמישו לשימושים שונים במידת הצורך.
לדוגמא:ביצוע מדידה בסיסית של Two Port Device כמו הגבר, ניחות, Return Loss של רכיב או מערכת, בדרך כלל נהוג לרכוש Network Analyzer שעלותו מאד גבוהה בגלל היותו מורכב ומכיל הרבה מאד פונקציות שרובן הינן תמיד שימושיות.
כתחליף ניתן בעזרת מחולל תדר, מצמד ומד הספק ניתן לבצע את אותם מדידות ולא לפגוע בדיוק המדידה. (ראה איור 1).
כמו כן התוכנה מאפשרת למשתמש לבצע את המדידות באופן פשוט כולל הדפסת הנתונים במספר מבנים Text, Excel , (ראה איור 2).
במידה והמשתמש לא זוכר את השלבים של הכיול או המדידה, התוכנה תעלה חלונות הסבר כולל סכמות  כיצד ניתן להתחבר למערך.
אפשרויות נוספות הינן מדידות של Three .Port Device
לדוגמא: מפצלים, מצמדים, או כל מוצר אחר המכיל Three Ports.
תוכנת המדידה שקיימת במד הספק מכילה מגוון רחב מאד של אפשרויות מדידה כפי שתואר מעלה.
אחת התוכנות שפיתחנו ע”פ דרישה הינה תוכנה למדידת מיקסר שבעזרתה ניתן לבצע כ-4 מדידות שונות כמו:
הפסדי המרה, 1dB Compression, בידודים כמו  ,
Mini-Circuits פיתחה יחידות בקרה דיגיטאליות עם ממשק USB או RS232  בעזרתם ניתן לשלוט על רובוטים, התראות, גלאים, גששים, מערכות אזעקה, ספקים וכו’…
הדגם USB-I/O-16D8R בנוי משני בתים בני 8 ביטים כל אחד הניתנים לקביעה, שניים כניסה או שניים יציאה או אחד כניסה והשני יציאה, ברמות לוגיות של  Volt\. אפשר להפעיל מספר ביטים כתקשורת SPI.
כמו כן מכילה היחידה 8 יח’ Dry contact relay שבעזרתם ניתן להעביר עד
ו-  24V/1A בהתאם להוראות מהמיקרו בקר. (תמונה 1)

תמונה 3

תמונה 4

דגם USB-I/O-8DVR  בנוי בית אחד בן 8 ביטים הניתן לקביעה, כניסה או יציאה, ברמות לוגיות של  5\3.3. וכניסה לוגית בלבד של בית אחד למתח  גבוה של עד Volt.
כמו כן מכיל הדגם  8 יח’ Dry contact relay  שבעזרתם ניתן להעביר עד   125V/0.5A ו-  24V/1A  בהתאם להוראות מהמיקרו בקר.
דגם USB-I/O-4D2R בנוי בית אחד בן 4 ביטים, כמו כן מכיל הדגם 2 יח’ Dry contact relay.
דגם נוסף הינו מיועד להמרת תקשורת מ- RS232 to SPI או מ- USB to SPI  (ראה תמונה 2)

ציוד המדידה הינו:
-Signal Generator דגם SSG-4000HP  תחום תדרים  250-4000 תחום דינאמי   +20 to
רמת הרמוניות של -40 מקסימום. רזולוצית תדר 5KHz והספק 0.5 (ראה תמונה 3).

Signal Generator – דגם SSG-4000LH  תחום תדרים 250-4000 תחום דינאמי
-60
רמת הרמוניות של -60 מקסימום. רזולוצית תדר  5KHz והספק 0.5
דגם SG-960 מיועד לרוחב סרט צר
900-960 הספק מוצא   -11
והרמוניות נמוכות מ- -60dBc דגמים נוספים בתדרים שונים נמצאים בחברה.
684-800MHZ &1052-1145MHz & 1747-1807MHz & 2356-2556MHz & 4152-4261MHz
-Frequency Counter מודל UFC-6000 תחום תדר 1-6000 תחום דינאמי   -28 .(ראה תמונה 4)

תמונה 5

תמונה 6

- 7 דגמים שונים אשר עובדים תחת אותה תוכנת מדידה ו- GUI הדגמים נבדלים בתחום התדרים וסוגי הסיגנלים הנמדדים.(ראה תמונה 5)
דגם PWR-6G – תחום התדר 1-6000  תחום דינאמי   -30.
דגם PWR-6GHS – תחום התדר 1-6000 תחום דינאמי   -30 אך מהיר יותר.
דגם PWR-8GHS – תחום התדר 1-8000 תחום דינאמי   -30.
דגם PWR-2GHS-75 – תחום התדר 1-2000 תחום דינאמי   -30, תאום 75 אום.
דגם PWR-2.5GHS-75 – תחום התדר
1-2500 תחום דינאמי   -30, תאום 75 אום.
דגם PWR-4GHS – תחום התדר – 9
4000 תחום דינאמי   -30.
דגם PWR-4RMS – תחום התדר 50-4000 תחום דינאמי   -30.
בדגם זה ניתן גם למדוד אותות מודולציה.

תמונה 7

מטריצת מיתוג – סידרה של דגמים עם ממשק USB המכילים ממסר SPDT מכאני עם התחייבות למיתוג של למעלה מ-100 מיליון מיתוגים. הספק כניסה 10Watt תחום תדרים 18 -DC
ניחות מעבר 0.2 ובידוד של למעלה 80.
בעזרת חיבורים חיצוניים של semi flex cable ניתן ליצור מבנים שונים כמו SP5T SP3T,SP4T ו- Transfer Switch.
או כל מבנה אחר בהתאם לדגם, ע”מ שהמשתמש יוכל להיות עצמאי ולא להיות תלוי בתכנת, אפשרנו דרך ה- GUI, לבצע את תכנות המיתוג באופן מאד פשוט ללא ידע מוקדם בתכנות.(ראה תמונה 6)

מנחת דיגיטאלי – סידרת מנחתים דיגיטאליים (RUDAT) עם ממשק USB ותחום דינאמי של 30-90  בתחום תדר 1-4000MHz (תמונה 7).
דגם 2000-90 – RUDAT מיועד לתחום  תדר 1-2000 תחום דינאמי   90dB בצעדים של 0.5
דגם 3000-60 – RUDAT מיועד לתחום תדר 1-3000 תחום דינאמי   60dB בצעדים של 0.5
דגם RUDAT-3000-50  מיועד לתחום תדר 1-3000 תחום דינאמי   50dB בצעדים של 0.5
דגם 0-40 400- RUDAT מיועד לתחום תדר 1-4000 תחום דינאמי   40dB בצעדים של 0.5
דגם  RUDAT-4000-30 מיועד לתחום תדר 1-4000 תחום דינאמי   30dB בצעדים של 0.5.
אהרון שגיב מחברת רבאון – Mini Circuits

מאת: פרופ’ עלי לוין, מכללת אפקה, ת”א

אחד ממהנדסי האנטנות המבריקים שפעלו בישראל, ד”ר ג’אד (יהודה) בלס ז”ל, שהמציא וחידש בעולם האנטנות בנושאים מגוונים, נולד בניו יורק בשנת 1925, עבד שנים רבות בארצות הברית ולאחר מכן עלה ארצה ופעל פה עד פטירתו בשנת 1985. מבין שלל המצאותיו, הידועה ביותר היא מטריצת בלס לאנטנה מרובת אלומות (פורסמה לראשונה בשנת 1961). מטריצה זו זוכה כיום להתעניינות רבה וליישומים מעשיים במערכות אלחוטיות חדשניות. מאמר זה מוקדש לזכרו.

1. קורות החיים של ג’אד בלס
Judd Blass  נולד בשנת 1925 בעיר ניו יורק וסיים את לימודי ההנדסה במכון הפוליטכני של ברוקלין בשנת 1944. בשנים 1944-1946 שירת בחיל הים האמריקאי בזירת האוקיינוס השקט. לאחר מכן רכש תואר שני ושלישי במכון הפוליטכני בשנים 1947 ו-1952. מקום עבודתו הראשון היה Microwave Research Institute  שם עסק בין השנים 1947-1950 במחקרים על רכיבי גלבו. בשנת 1950 הצטרף לחברת Raytheon Manufacturing Company שם פיתח אנטנות מכ”ם ותנורי מיקרוגל. בשנת 1952 התמנה למנהל הפרויקטים הראשי בחברת Dorner Margolin  שעיקר עיסוקה היה באנטנות מוטסות ומערכות איכון. בשנת 1954 הצטרף לחברת Maxson Corporation ועבד בה עד שנת 1960 בנושאי אנטנות ומערכי אנטנות, בין היתר שימש שם כמנהל מחלקת המיקרוגלים ופיתח מדי גובה חיוניים לתעופה האזרחית.
בגיל 35 הקים את החברה הראשונה שלו Blass Electronics Corporation שהיתה חברת בת של תאגיד אנגלהרד בניו ג’רסי ופיתח במסגרתה אנטנות ומערכות מכ”ם. התרומה הידועה ביותר שלו קופלה במאמר קצר ביותר משנת 1961 המכיל 3 עמודים בלבד ובו תאר את מטריצת בלס שהפכה לשם דבר בתחום האנטנות. באותה שנה יצא לאור מדריך האנטנות הקלאסי בעריכת Henry Jasik וד”ר ג’אד בלס תרם בו את הפרק השמיני העוסק באנטנות חריץ (כתובתו לצורך המאמר היתה Blass (Consultants Inc.
לאחר מלחמת ששת הימים החל לפעול בישראל והגיע לביקורי עבודה רבים. בשנת 1970 קבע כאן את מקום מושבו העיקרי ופעל במסגרת החברה שהקים Beam Systems Israel בנושאי אנטנות ורכיבי מיקרוגל. פירסם פטנטים נוספים על אנטנות רחבות סרט וכן על מערכות להדמיה מגנטית (MRI) עבור חברת אלסינט בחיפה. האנטנות הרבות שפיתח, יושמו והוטמעו במערכות תקשורת צבאיות ואזרחיות לרוב. ד”ר ג’אד בלס נפטר בשנת 1985 והניח אחריו אשה (לורל), שלושה בנים (יהונתן, אשר ויוסף) ושתי בנות (רחל  ואביגיל) וידידים רבים בתעשייה הישראלית.

איור 1. תנור מיקרוגל המוזן על ידי אוסף חריצים

איור 2. תנור מיקרוגל ביתי עם פיזור קרינה אחיד

איור 3. סכימה של מטריצת בלס לאנטנה מרובת אלומות

2. תנורי מיקרוגל
בשנת 1955 נרשם בארצות הברית פטנט מספר 2704802 על שם ג’אד בלס ולואיס של, שניהם מחברת Raytheon המתאר תנור מיקרוגל ליישומים ביתיים ותעשייתיים (איור 1). החידוש העיקרי בתנור זה היה העברת האנרגיה ממקור הגלים אל חלל תהודה סגור באמצעות אוסף חריצים (דומה לאנטנות חריצים slotted waveguide המקובלות במכ”מים מוטסים).  פטנט נוסף, מספר 2814708 נרשם על שם ג’אד בלס בשנת 1957 ובו מתואר מכשיר ביתי, קומפקטי יותר, לחימום מזון עם פיזור אחיד של הגלים בתוך חלל התהודה (איור 2).

איור 4. סכימה של מטריצת בטלר 8x8 לאנטנה מרובת אלומות

איור 5. מערך סוקר אלקטרוני הפועל על ידי החזרה מאוסף אלמנטים

איור 6. מערך סוקר אלקטרוני עם בקרת אלומה בתוך הזן

3. מטריצת בלס
בשנת 1961 פרסם ד”ר ג’אד בלס מאמר קצר בכנס IRE בארצות הברית בשם
Multidirectional Antenna, a new
Approach to Stacked Beams שבו תואר מערך אנטנות מרובה אלומות. מערך זה נודע לימים בשם מטריצת בלס והפך לאבן בנייה מרכזית במערכות מכ”ם ולוחמה אלקטרונית, ולימים גם בתקשורת אלחוטית מודרנית. מטריצת בלס מורכבת מאוסף של N אלמנטים קורנים המוזנים באופן טורי על ידי M קווי הזנה בעלי אורך שונה כמתואר באיור 3.  עיצוב האלומה נעשה על ידי גלים נעים Traveling Waves המחוברים במטריצה של מצמדים כיווניים. במטרה להבטיח את איכות הגלים הנעים, הדקי הכניסה מתואמים על ידי עומסים המונעים החזרות לתוך המטריצה.
הסחת האלומה מוסברת על ידי הפרשי הפאזה העוקבים בין המקרנים. המטריצה מייצרת בו זמנית M  אלומות שונות (בניגוד למערכים סוקרים או ממותגים שבהם ברגע נתון מיוצרת אלומה אחת בלבד). משורת N מקרנים המוזנים באותה פאזה מתקבל עקום קרינה כדלקמן:

כאשר
מקדמי העירור של האלמנטים
הוא מספר הגל
d     המרחק בין האלמנטים (בהנחה שהוא שווה לכולם)
אם קיימים הפרשי פאזה קבועים בין האלמנטים  הרי עקום הקרינה יסטה לכיוון  לפי:

כאשר

מטריצת בלס מצטיינת בכך שכיוון האלומות אינו משתנה בתלות בתדר ולכן היא רחבת סרט. החומרה הנדרשת למימוש המטריצה אינה מעטה, אך המבנה המערכתי שלה פשוט ונוח למימוש משטחי במבנה רב שכבות. בערך באותן שנים זמן פרסמו Butler and Lowe  מטריצה שונה, שבה החיבורים בין האלמנטים הקורנים לבין הדקי הכניסה (הדקי האלומות) נעשים על ידי אוסף של N X N מצמדים היברידיים וקווי השהייה כמודגם באיור 4. במשך שנים רבות התנהלה מעין “תחרות” בין מטריצת בלס לבין מטריצת בטלר [3] וכן למול העדשות המרחביות לעיצוב אלומה שפותחו באותה עת כגון עדשת רוטמן [4] ועדשת רוז [5].. היתרונות העיקריים של מטריצת בלס הם רוחב סרט גדול (קווי השהייה אמיתית ולא הסחת פאזה), גמישות במספר המקרנים ובמספר הדקי האלומות (מטריצת בטלר שימושית למעשה רק עבור מספר ריבועי של   N x N הדקים)  ויכולת נוחה לשלוט על מקדמי העירור ומכאן על עיצוב האלומה. החיסרון העיקרי במטריצת בלס הוא ההפסדים ברשת קווי ההזנה הנוצרים עקב בליעה בעומסים המתואמים. ד”ר J.C. Nolen פיתח מקרה פרטי של מטריצת בלס הידועה כמטריצת נולן ובה ההפסדים ברשת קווי ההזנה הם נמוכים [6]. בשנים האחרונות, כאשר התקשורת האלחוטית המודרנית משופעת בטכניקות לריבוב אלומות מרחבי spatial beam diversity באמצעות ריבוי אלמנטים קורנים  (Multi Input Multi Output), מבחינים ביתרון ניכר של מטריצת בלס והיא זוכה להתעניינות רבה וליישומים מוצלחים [7]-[10].

איור 7. אנטנת מכ”ם סוקר עם מזיזי פאזה ממותגים

איור 8 (א). אנטנת תיל עשויה ממקטעים עם רכיבי פריט

איור 8 (ב). אנטנת תיל עשויה ממקטעים עם רכיבי פריט

איור 9. אנטנת תיל עם מתאם אימפדנסים רחב סרט

4. אנטנות סוקרות
בשנות ה-60 התמחה ד”ר ג’אד בלס במערכי אנטנות ובמיוחד במערכי אנטנות סוקרים  Phased Arrays  ומרובי אלומות  Multibeam, כל זאת במסגרת  חברת Blass Antenna Electronics Corporation שהקים וניהל בניו יורק. המצאה חשובה של ד”ר ג’אד בלס הנוגעת לאנטנות סוקרות נרשמה כפטנט 3274601 בשנת 1966. בהמצאה זו “מאירים” אוסף של אלמנטים קורנים כפי שמאירים רפלקטור, אך מערך של עיצוב אלומה המחובר לאלמנטים הקורנים דואג לשלוט על הפאזות של האלמנטים ולפיכך על כיוון האלומה במרחב.
בהמשך נרשם פטנט נוסף מספר 3408653 שבו בוצעה בקרת האלומה בתוך האלמנט המזין הראשי (איור 6). בפטנט מקורי זה מופיעה סקיצה של משטח מחזיר המורכב ממספר רב של אלמנטים. לימים התפתח ענף שלם של אנטנות המבוססות על רעיון זה הידוע בשם Reflect Arrays  והמנוצלות בעיקר לתקשורת לווינים.
רעיונות נוספים שעסקו במכ”מים נרשמו כפטנט 3179935 משנת 1965 (סוג של מכ”ם מרובה אלומות) ופטנט 3262113 עם הפטר משנת 1966 (מכ”ם הפועל בתדר אקראי). מימוש אנטנת מכ”ם מעשית עם מזיזי פאזה ממותגים מתואר בפטנט 3316553 משנת 1967 (איור 7) ומערך אנטנות עם כושר הבחנה משופר נרשם כפטנט 3387301 עם סלייט בשנת 1968.

איור 10. סקיצה של אנטנה מודפסת מעל משטח אדמה BSI 46200 עם שלושה אלמנטים קורנים, המוזנת במרכזה על ידי זן אנכי וגרף מדוד של מקדם ההחזרה המראה רוחב סרט של 50%.

5.  אנטנות רחבות סרט
בשנות ה-70 עסק ד”ר ג’אד בלס, במסגרת חברת Beam Systems Israel שמקום מושבה היה הרצליה, בפיתוח אנטנות תיל (שוט) קצרות ודקות אך רחבות פס ויעילות. הוא הקפיד לתכנן אנטנות אסתטיות  וידידותיות למשתמש ולכן גם נהג להעסיק מעצבים. אנטנה תיל פשוטה אך מיוחדת מתוארת בפטנט 3950757 שרשם ד”ר ג’אד בלס בשנת 1976. באנטנת תיל זו, המורכבת ממספר מקטעים, הורכבה שרשרת סלילים פריטיים אשר מבטיחים אימפדנס קבוע בתחום תדרים רחב במיוחד (איור 8).
רעיון נוסף לאנטנת תיל רחבת סרט עם אורך קצר במיוחד, המתואמת על ידי סליל מחומר פריטי (איור 9) תואר בפטנט 4028704 משנת 1977 שגם הוא נרשם בבעלות החברה הישראלית Beam Systems Israel.
אנטנה שטוחה מיוחדת BSI 46200  הבנויה משלושה דיפולים רחבי סרט (נפתחים באופן הדרגתי מנקודת ההזנה) מעל משטח אדמה, עם הזנה טורית ביניהם מתוארת באיור 10. באנטנה זו המוזנת על ידי BALUN  הושג רוחב פס נדיר של 50% שאינו שכיח באנטנות מודפסות, עקב השימוש המושכל במצע אוויר עבה ובסיכום פאזות בין האלמנטים היוצר שלושה תדרי תהודה קרובים [13].

6.   מילות סיכום
ד”ר ג’אד בלס הגה, פיתח ובנה מגוון רחב של אנטנות, רכיבי רדיו, מערכות מכ”ם והדמייה רפואית. הוא מיעט לפרסם מאמרים והעדיף למצות את רעיונותיו באמצעות פטנטים. עבודתו הצטיינה בחדשנות רבה, אך היתה גם מעשית ושימושית.  התרומה הידועה ביותר שלו בנושא אנטנות מרובות אלומות (“מטריצת בלס”) זוכה לפריחה מחודשת בעשור האחרון במסגרת מערכות תקשורת אלחוטיות מרובות אנטנות (MIMO).
7.   מראי מקום
[1] J. Blass, “Multidirectional Antenna, a new Approach to Stacked Beams”, IRE International Conference Record, Vol.8 Part 1, pp. 48-50, 1960.
[2] J. Butler and R. Lowe, “Beam forming Matrix Simplifies Design of Electronically Scanned Antennas”, Electronic Design, pp.179-173, April 1961,
[3] P. S. Hall and S.T. Vetterlein, “A Review of RF Beam forming Techniques for Scanned and Multiple Beam Antennas”, IEE Proc. Vol. 137, pp. 293-303, October 1990.
[4] W. Rotman and R. Turner, “Wide Angle Microwave Lens for Line Source Applications”, IEEE Trans, Antennas and Propagation, Vol AP-11, November 1963, pp. 623-632.
[5] J. Ruze, “Wide Angle Metal Plate Optics”, Proc. IRE Vol. 38 pp. 53-69, 1950.
[6] J.C. Nolen, “Synthesis of Multiple Beam Networks for Arbitrary lluminations”, PhD Thesis, Bendix Corporation, Radio Division, Baltimore, April 1965.
[7] J. Litva and T.K.Y Lo, Digital Beamforming in Wireless Communications, ARTECH House, 1986.
[8] S. Mano et. al. “Application of Plannar Multibeam Antennas to Diversity Reception”, Electronics and Communications in Japan, Part 1, Vol. 79, pp., 104-112, 1996.
[9] S. Mosca, et. al. “A Novel Design Method for Blass Matrix Beam-Forming Networks”, IEEE Trans. Antennas and Propagation, AP-50, pp 225-232, February 2002.
[10] J.G. Fonseca, “An Investigation of Blass and Nolen Matrices”, CNES Technical Note 152, November 2007.
[11] J. Blass, “Slot Antennas”, chapter 8 in: H. Jasik (ed.) Antenna Engineering Handbook, McGraw Hill, 1961.
[12] J. Blass, “An Analysis of the Radiation from Circular Array of Directive Elements”, IEEE Trans, Antennas and Propagation, Vol. AP-22, November 1974, pp. 84-87.
[13] עלי לוין, רוחב פס ויעילות במערכים מודפסים, עבודת דוקטורט במחלקה לאלקטרוניקה, מכון ויצמן למדע רחובות, דצמבר 1986.

8.  פטנטים רשומים על שם ד”ר ג’אד בלס
US 2704802 (1955)
US 2814708 (1957)
CA 661557   (1963)
US 3179935 (1965)
US 3262113 (1966)
US 3274601 (1966)
US 3316553 (1967)
US 3387301 (1968)
US 3408653 (1968)
US 3950757 (1976)
US 4028704 (1977)
FR 2321780 (1977)
FR 2497000 (1982)
US 4613837 (1986)
US 4691163 (1987)
EP 0278201 (1988)
US 4847852 (1989)

פרופ’  עלי  לוין הוא מרצה בכיר לתקשורת ולאנטנות  באפקה, המכללה האקדמית להנדסה בתל אביב.  בעלים ומנהל בחברת שדות וגלים בע”מ, העוסקת בהנדסת אנטנות ובשכבה הפיזית של  מערכות אלחוטיות.
לתגובות: levineel@zahav.net.il