תקשורת לוויינים: הגבול האחרון

מערכות תקשורת לוויינים מסחריות עונות לכל המפרטים הנועדים ליישומי אמינות גבוהה; הן פועלות בסביבה קשה ובטמפרטורות קיצוניות. גם אם הן אינן קריטיות –למשימה, מספקי שרותי הטלקום וחברות השידור סומכים עליהן שיספקו שירותים מכניסי רווחים. עד לאחרונה, השימוש באנטנות מסתגלות (adaptive) לא היה מעשי, אולם כעת אפשר להשתמש בהן במערכות תקשורת אלו, אם אפשר למלא את דרישת סנכרון ערוצים מרובים.

מערכות בעלות אנטנה מסתגלת מאפשרות למפעילי הרשתות להגדיל את יכולות הרשת האלחוטית. אנטנות מסתגלות יכולות לאתר ולעקוב ביעילות אחר אותות מרובים כדי למזער בצורה דינמית את ההפרעות ולמרב את קליטת האות הרצויים, בהציען בכך את הכוח של יעילות ספקטרלית מוגדלת, טווח כיסוי מורחב וקצב גבוה יותר של שימוש חוזר בתדרים. אולם, יתרונות ביצועים אלה גורמים למורכבות מוגברת, וכתוצאה, מקמ”שים בעלי אנטנה מסתגלת הם יותר מורכבים מאשר ארכיטקטורות מקובלות. עבור כל אחד מאלמנטי מערך האנטנה דרושים ערוצי מקמ”ש נפרדים, וחייב להיות סנכרון מדויק בזמן-אמת בין הערוצים.

סוגי אנטנות

אנטנות ניתנות לסיווג לפי המבנה הפיזיקלי, עקומת הקרינה או תדר הפעולה שלהן, אך הן כולן מתוכננות במטרה לשדר ולקלוט גלים אלקטרו-מגנטיים.  המשימה של האנטנה היא להמיר אנרגיה אלקטרו-מגנטית לזרם חשמלי -ולהיפך- ביעילות המרבית האפשרית. מבחינה זו, האנטנה היא מבנה-מעבר בין החלל החופשי וקו התמסורת של מערכת מקמ”ש. מאז תחילת השימוש בהן במאה ה-19 המאוחרת, הן עברו שיפורים רבים בתכנון המכני והחשמלי שלהן, בשעה שמדענים ומהנדסים התאמצו להגדיל את היעילות, התחום הדינמי והיכולת. ליעילות בה מחולקת ונאספת האנרגיה אל תוך ומהחלל הסובב השפעה עמוקה על השימוש בספקטרום, העלות של השקת רשתות חדשות ואיכות השירות המסופק על-ידי רשתות אלה.

טכניקות רבות ממומשות תוך שימוש באנטנות מרובות הפועלות יחד לשם שיפור הכיסוי והיכולת של רשת נתונה. שוני (diversity) היא טכניקה המשפרת את קליטת גלי הרדיו על-ידי ניצול העובדה שאותות המשתנים עם הזמן (דעיכה – (fadingהם לא זהים במיקומים שונים. במילים אחרות, דעיכת אות אחד עשויה להיות שונה עבור שני מקומות המרוחקות בלא יותר מאשר אורך גל יחיד. כדי לנצל זאת, שתי אנטנות, המופרדות על-ידי מרחק מסוים, משמשות לקליטת אות יחיד. מבין שני האותות, האות בעל רמת האות הגבוהה ביותר בזמן כלשהו, נשלח אוטומטית אל המקלט. השוני משמש תכופות לקליטת אותות.

אנטנות ערוכות לעתים קרובות למערך מרובה-אלמנטים. מערך זה בנוי מאלמנטים אחדים המחוברים ביניהם וערוכים במבנה מסודר כדי ליצור אנטנה יחידה. מטרת המערך היא ליצור עקומות קרינה בעלות אפיונים רצויים מסוימים שלא ניתן להשיג בעזרת אלמנט בודד. עקומת הקרינה הכוללת משתנה כאשר אלמנטי אנטנה אחדים משולבים במערך, תופעה המכונה גורם המערך. המוצאים של פתחים (apertures) מרובים ניתנים גם לשילוב באופן קוהרנטי כדי ליצור את האות שיש לפענח בתת-המערכת של המקלט. פותחו גם טכנולוגיות אנטנה יותר מתוחכמות המאפשרות לאנטנה לשנות במהירות את עקומת הקרינה שלה כתגובה לשינויים בכיוון ההגעה של האות הנקלט. אנטנות אלה, והטכנולוגיה התומכת בהן, נקראות אנטנות מסתגלות או חכמות.

ארכיטקטורה של
אנטנה חכמה

אנטנות חכמות או מסתגלות מרחיבות את מושג השוני אף יותר. מערכת אנטנה מסתגלת טיפוסית מוצגת באיור 1. מערכת כזו משלבת מערך אנטנות עם יכולת עיבוד אות דיגיטלי לשדר ולקלוט בצורה מסתגלת, רגישה למרחב. אנטנה מסתגלת יכולה לשנות את עקומת הקרינה שלה בזמן-אמת כדי להבטיח שהאונה הראשית מופנית לכיוון האות החזק ביותר. טכניקה דומה ניתן לשמש כדי לכוון אפס בכיוון של אות בלתי רצוי, מפריע. ביסודם, אלמנטים אחדים יכולים לשמש באותו כיוון כדי להגביר אותות חלשים רצויים ולבטל הפרעות בלתי-רצויות. בדומה, המערכת יכולה לשלב אותות ולשדר אותם חזרה באותו כיוון, כאשר טכניקות אלו מכונות יצירת אלומה (beam-forming). התוצאה היא שניתן לסכם ביחד את התחום הדינמי של אלמנטים בודדים תוך יכולת להבדיל בין אותות רצויים ובלתי-רצויים. יתרונות אלה מעניקים למערכות אנטנות מסתגלות אטרקטיביות בהשוואה למערכות המקובלות. למעשה, אימוץ טכניקות האנטנות המסתגלות עתיד לחוות השפעה משמעותית על השימוש היעיל בספקטרום, מזעור עלות יצירת רשתות אלחוטיות חדשות וייטוב איכות השירות.
אולם ביצועים משופרים דורשים מחיר במורכבות הגדלה של המקמ”ש. זאת בשל העובדה שמערכת מסתגלת דורשת שרשרות מקמ”ש נפרדות עבור כל אחד מאלמנטי המערך. שרשרות המקמ”ש הבודדות חייבות לעבור סנכרון מדויק כך שהקשר במופע בין האותות המשודרים והנקלטים נשמר: פרק זה יתמקד בתת-מערכות קליטה בלבד. מערכות קליטה חדישות משתמשות ב-ADCs מאוד מהירים, עם קצבי דגימות של 1 גיגה-הרץ או יותר. תדרי דגימה גבוהים רצויים משום שרוחב הפס של Nyquist קשור ישירות לתדר הדגימה של ה-ADC בעזרת הקשר הפשוט NyquistBW=FS/2 כאשר FS היא מהירות הדגימה של ה-ADC.

הגדלת העברת המידע

הרחבת רוחב-הפס של Nyquist מאפשרת מעשית יותר נושאי מידע בכל ערוץ ADC במקמ”ש, ומעלה בכך את תפוקת המערכת. אחד האתגרים הכרוכים בסנכרון מקמ”ש רב-ערוצי הוא שה-ADCs בעלי קצב-דגימה מאוד גבוה מספקים קצבי נתונים מאוד גבוהים. ל-ADCs שעון מוצא הנועל את נתוני המוצא לתוך FPGA או ASIC. אולם יחס המופע בין שעוני המוצא של ה-ADC במקמ”ש רב-ערוצי הוא בלתי-ידוע. המכשול העומד בפני מתכנני המערכות הוא לסנכרן את הנתונים מה-ADCs הרבים העובדים במאות מגה-ביטים או בגיגה-ביטים בשנייה. ברמת המערכת, אין לרוב כל ניסיון לסנכרן את ה-ADCs בעצמם, אלא מממשים מעגלים דיגיטליים נוספים כדי לסנכרן מחדש את הנתונים הדיגיטליים בתוך ה-FPGA או ה-ASIC אחרי ה-ADCs. בנוסף למורכבות מעגלים דיגיטליים נוספים אלה, המעבדים את מוצאי הנתונים המהירים של ה-ADCs, דרושים מעגלי תקורה נוספים כדי לקבוע את הקשר בין מופעי ה-ADCs. לכן, החיסרון של סנכרון ברמת מערכת הוא הצורך במעגלים מהירים נוספים כדי לעבד את מוצאי ה-ADC, בתוספת המורכבות של מעגלי התקורה הדרושים כדי לקבוע את הקשר הממשי בין הממירים המרובים.
ממיר חדש בעל טכנולוגיה חדשנית, כדוגמת ה-ADC10D1000 יכול להתגבר על האתגר הקשה של סנכרון ערוצים מרובים במערכת אנטנה מסתגלת. התקן זה מצטרף למגוון ה-ADCs המהירים ביותר, המאושרים ליישומי חלל, של National Semiconductor. מיוצר בתהליך CMOS טהור של 0.18 מיקרו-מטר, הוא מאושר ל-TID (total irradiated dose) של 100krad והוא מחוסן בפני נעילה של אירוע בודד של יותר מ-120MeV/mg/cm2. התכנון מספק ENOB (effective number of bits) 9.0 הגבוה עם אות מבוא של 248 מגה-הרץ וקצב דגימות של 1 גיגה-הרץ תוך הפקת קצב שגיאת-קוד של 10-18. המוצר מזווד במארז של 376 פינים מערך-שריג עמודה קראמית הרמטית.

סנכרון מקלטים
רב-ערוציים

לדגם זה שני מאפיינים לסנכרון ADCs מרובים בתוך מערכת: AutoSync ו-DCLK Reset (איור 2). ה-DCLK Reset פועל שונה, אך במהות מבצע אותה הפעולה כמו ה-AutoSync. אולם הוא יותר קשה למימוש ברמת הכרטיס כאשר מנסים לסנכרן יותר משני ADCs. AutoSync הוא מאפיין בעל פטנט אשר מסנכרן ברציפות את מוצאי ממירים מרובים כאלה בתוך מערכת. הוא פועל כך שלא דרוש פולס סנכרון ושכל שיבוש שיכול להתעורר במהלך הסנכרון מתוקן תוך מחזור שעון DCLK אחד. ה-ADCs שליט/עבד (master/slave) ניתנים לסידור כעץ בינארי כך שכל שיבוש יסולק במהרה מהמערכת.

מאפיין זה מגדיר אחד ה-ADCs כשליט ואת היתר במערכת כעבדים. מערכת לדוגמה, בעלת התקן שליט אחד ושני עבדים מוצג באיור 3. ה-ADC המעוצב כשליט מכיל שני שעוני ייחוס –RCLK1 ו-RCLK2  המנוצלים על-ידי עבד 1 ועבד 2. לשם פשטות, מוצג רק DCLK אחד. למעשה, ישנם שעונים DCLK1  ו-DCLKQ אך הם נמצאים תמיד במופע בגין תכנון השבב הפנימי. עבור מערכות יותר מתוחכמות, בעלות מספר גבוה יותר של ממירי נתונים, כל ADC בשרשרת משמש בתורו להפקת שני שעוני ייחוס, כך ששעוני הייחוס מתפקדים כעץ בינארי (איור 3).

סנכרון מרוכב

ביישומים בהם ישנם ADCs שליטים ועבדים מרובים במערכת, ניתן להשתמש ב- AutoSync לסנכרון התקני העבד כדי להגיע לשליט המתאים, וניתן להשתמש באיפוס ה-DCLK לסנכרון ה-ADCs השליטים אחד עם השני. על-מנת לסנכרן את מוצאי ה-DCLK והנתונים של ADCs מרובים, ה-DCLKs צריכים לשנות מצב באותה העת, וגם להיות כולם במופע. ה-DCLK של כל ADC מופק מה-CLK אחרי כמיסות מסוימת, בתוספת tOD (זמן השהיית נתוני המוצא) פחות tAD (זמן השהיית הפתח). לכן, כדי שה-DCLKs ישנו מצב באותו הזמן, אות ה-CLK חייב להגיע לכל ADC בו-זמנית. תכונת כיוונון ה-tAD ניתנת לשימוש כדי לבטל כל הפרש בנתיב ה-CLK לכל ADC. אולם, שימוש בתכונה זו ישפיע גם כאשר ה-DCLK מופק במוצא. אם ההתקן נמצא במוד הפענוח (demultiplexer) קיימים ארבעה שלבים בהם כל DCLK יכול להיווצר, מאחר ש ה-CLK המקובל הוא 1 גיגה-הרץ וה-DCLK הוא 250 מגה-הרץ במקרה זה. אות ה-RCLK שולט על מופע ה-DCLK, כך שכל DCLK עבד נמצא באותו מופע כמו ה-DCLK השליט.

קיימים ארבעה שלבים להשלמת התהליך: ראשון, עצב – דרך ה-SPI-  את ADC1 כהתקן השליט ועצב את כל שאר ה-ADCs כהתקני עבד. לאחר מכן, הזן את שעוני הייחוס של כל ה-ADCs אשר שעוני הייחוס שלהם מזינים ADCs אחרים; כברירת מחדל הם מכובים כדי לחסוך בהספק. בשלב הבא, עבור כל ADC עבד, כוון את תזמון ה-RCLK_IN ללכידה מלאה. לבסוף, עבור כל ADC עבד, בחר באחד מארבעת מופעי ה-DCLK כך שמופע ה-DCLK תואם את זה של ה-ADC השליט. המשתמשים יכולים לבחור את המופע אשר מכוון את  שני  ה-DCLKs דרך ה-SPI.