מחוללי האותות החדשים פורצים את גבולות הביצועים

מאת: בנג’מין זרלינגו, Agilent Technologies

טכנולוגיית ה-RF מתקדמת בקצב מסחרר, בין אם מדובר בתקשורת אלחוטית, תעשיית החלל והתעופה/הגנה או יישומי רשת אלחוטיים במהירות הולכת וגוברת. הביצועים והיכולת של ציוד הבדיקה מתקדמים בקצב דומה. יש אם כך אירוניה בעובדה שאחד הפיתוחים המדהימים ביותר בסדרה חדשה של מחוללי אותות RF הוא טכנולוגיה שמספקת אותות פגומים באופן מדויק. אך עובדה זו בדיוק היא מה שהופכת את מחוללי האותות החדשים מסדרת X-Series של Agilent לייחודיים כל כך. מכשירים חדשים אלה, הזמינים בדגמים אנלוגיים ווקטורים החל בסדרת ה-MXG-B החדשה ועד ל-EXG החסכוני – מעניקים גם אותות מושלמים וגם אותות לא מושלמים באופן מדויק.
מרחיבים את גבולות הביצועים
הפיתוח של טכנולוגיות RF חדשות תלוי בציוד הבדיקה שמרחיב את גבולות הביצועים. דוגמה עיקרית לכך הוא ה-MXG-B, שמציב עכשיו סטנדרטים חדשים ברעש פאזה, תחום דינאמי, טוהר האות, רוחב פס אפנון ועוצמת שידור.
ה-MXG-B משתמש בארכיטקטורה חדשה של סינתיסייזר עם שלוש לולאות שממנף את ASIC מסוג fractional-N מתוצרת Agilent עצמה כדי להשיג רעש פאזה ברמה מובילה בתעשייה. כפי שניתן לראות בתרשים 1, קיימות מספר רמות אפשרות של ביצועי רעש פאזה כדי למטב את המחיר/ביצועים ליישומים שונים.
לדוגמא בתדר של 1GHz ו-off set של 20kHz, ליחידת MXG הסטנדרטית יש רעש פאזה של -134dBc/Hz. בעת השימוש באפשרויות UNX/UNY, רעש הפאזה משתפר ל- -146dBc/Hz.
ארכיטקטורת הסינתיסייזר מפיקה יתרונות דומים במונחים של רעש עצמי, שמוקטן ל- -163dBc/Hz ב-1GHz עבור MXG-B ו-EXG החסכוני החדש. כל המפרטים האלה משופרים ב-10dB או יותר לעומת מחוללי האותות הקודמים של Agilent מדגם ESG. מדידות אחרות של טוהר האותות שופרו גם הן. ‏ACPR, לדוגמה מגיע עד -73dBc עבור W-CDMA .
ניקיון אותות זה מושג באופן מרשים ללא הפסד בגמישות דילוג התדר. מהירות המעבר בכל מחוללי האותות מסדרת X מצוינת כעת כטובה יותר מ-.
עם ניקיון האותות של מחוללי האותות מסדרת X החדשה משולבת הזמינות שלהם לספק עוצמה גבוהה ומדויקת. ביישומים כגון בדיקת מגבר, חובה לספק אותות נקיים ברמות עוצמה גבוהות כדי למדוד תופעות אי-לינאריות כגון הרמוניות, אינטרמודולציות ודחיסה. כדי לסייע למהנדסים להימנע מהוצאות ואי-נוחות של מגברים חיצוניים, MXG-B מציין רמות מובילות בתעשייה של +24dBm ל-3GHz וכן +19dBm ל-5GHz. שילוב זה של הספק גבוה וניקיון מתאפשר בזכות מנחתים אלקטרוניים של Agilent עם דיודות PIN בהפסד נמוך, שמציעים גם אורך חיים ארוך ואמינות מוגברת בסביבות ייצור שבהן משנים עוצמה פעמים רבות מאוד.

סטנדרט חדש לאפנון מדוייק ופס רחב
קצבי נתונים בתקשורת הניידת וברשתות אלחוטיות ממשיכים לעלות במהירות, ואיתם גם רוחבי פס רחבים של אפנונים. התקן IEEE 802.11ac הוא דוגמה עיקרית, המבטיחה מהירויות בקצבי ג’יגה-ביט באמצעות השימוש באפנון OFDM 256QAM ברוחב פס עד 160MHz. ה-B‏-MXG משתמש במעגלי מאפנן מתקדמים ובטכניקות כיול חדשניות כדי להתגבר על בעיות ב-I/Q ובתגובת התדרים שבדרך כלל מחריפות ככל שרוחב הפס עולה. התוצאה היא אות מאופנן שמסיר כל ספק לגבי איכות המקור או סדר הגודל של שגיאת האפנון של מערכת.
הרצון להעביר את הטכנולוגיה לדרגה הבאה פוסל את השימוש בשבבי ASIC סטנדרטיים. אפנן ה-IQ בדגמי הווקטורים של MXG-B ו-EXG מוכיחים עובדה זו. הוא פותח ומיוצר על ידי Agilent, וממוקם בליבו של מערך האפנון שמספק את ה-ACPR הטוב בעולם ברוחבי פס עד 160MHz באופן פנימי, ועד 300MHz ממקורות חיצוניים. אפנון זה הופך ללינארי באמצעות מקור כיול פנימי ואלגוריתם שמספק גורמי תיקון וקטורים בזמן אמת. התוצאה היא גודל וקטור שגיאה (EVM) של 802.11ac OFDM 256QAM של 0.4% (טיפוסי) ברוחב סרט של 160MHz ב-MXG-B ו-80MHz ב-EXG.
כיולי ערוצים מובנים מספקים גם הם תיקון וקטורים מלא מהאפנן באמצעות פלט RF. כך מובטח תחום דינמי גבוה ושטיחות של 0.2dB ברוחב פס של 160MHz של MXG ורוחב פס של 120MHz של EXG. בנוסף לכך, אין כל צורך בהתערבות של המשתמש (למשל, כוונון IQ ידני).
רוחב פס רחב של אפנון ותחום דינמי גבוה מספקים למשתמש יתרונות גם כאשר האותות צרים יותר. האופי הצפוף של הסביבה הספקטרלית כיום פירושו שמקלטים חייבים להתמודד עם בעיות כגון הפרעות ערוצים סמוכים וסוגים מרובים של חסימות. בטלפון חכם מודרני, לדוגמה, יכולים לפעול שלושה מקלטים-משדרים בו-זמנית, ולעתים הם פועלים בקרבת מכשירים דומים ומורכבים. מאפנן רוחב הפס הרחב של סדרת X יכול להפיק אות בדיקה שמורכב ממקטע ספקטרלי מלא, לרבות האות הרצוי וכן ערוצים סמוכים או חלופיים כגורמים מפריעים פוטנציאליים, וייתכן אף אותות מלאכותיים או ארעיים.

מחוללי אותות EXG

מחוללי אותות MXG-B

יצירת אותות רחבים בזמן אמת וזיכרון Arb עמוק במקור יחיד
גם לגישה של יצירת אותות בזמן אמת וגם לגישה של זיכרון הפעלה מסוג arb יש יתרונות ביצירת אותות מאופננים; חלק מהיישומים מתמלאים בצורה טובה יותר על ידי גישה אחת לעומת האחרת. דגמי הווקטורים MXG ו-EXG משלבים מחוללי אותות בסיס אלה ביחידה אחת, ומבטיחים שהגישה הטובה ביותר זמינה תמיד למשתמש.
מחולל אות הבסיס בזמן אמת תומך במספר גדול של יישומים בתקשורת סלולרית, רשתות אלחוטיות, שידור שמע/וידאו וניווט (כגון GPS ו-GLONASS). מחולל זמן אמת כולל גם סוגי אפנון בסיסיים, לרבות מערכים מורכבים עד 1024QAM.
יצירת אות בזמן אמת מאפשרת יצירה של תרחישי אותות מורכבים עם משכי זמן ארוכים מאוד. בניווט לווייני, MXG-B ו-EXG יכולים ליצור אותות המייצגים עד 32 לווייני GPS/GLONASS בקו הראייה, לרבות שליטה בזמן אמת בנראות הלווייניים ועוצמתם עד משך של 24 שעות ללא חזרה.
ישנן מערכות תקשורת שונות שאת ביצועיהן בודקים ע”י יצרת חוג סגור עם ה MXG-B. כך מבוצעת הבדיקה ב-real time והיא משקפת את הפעולה האמיתית של המערכת. תצורה לדוגמה מופיעה בתרשים 2.
בבדיקות כגון LTE HARQ, מחוללי האותות מסדרת X יכולים לקבל אותות משוב ברמת TTL ולהגדיר מחדש את אות השידור תוך שמירה על הקישור. כך מתאפשרת בדיקה מציאותית יותר של הפלט בערוצים פגומים.
המצב האחר בסדרת X הוא זיכרון arb עמוק ביותר. שידור חוזר מזיכרון arb עמוק היא דרך גמישה ליצירת סוגי אותות רבים ושונים ב-RF. האותות לזיכרון arb מיוצרים בדרך כלל בתוכנות ה-Signal Studio של Agilent, שמתאימה לתקנים אלחוטיים, תקני וידאו ותקני ניווט רבים כגון LTE, W-CDMA, HSPA, 802.11, DVB-T/H, GPS וכן GLONASS. ‏MXG ו-EXG מספקים עד 1 GSample ו-512 MSamples של זיכרון בהתאמה. זיכרון עמוק זה יכול במקרים מסוימים, להציע חלופה ליצירת אותות בזמן אמת.

תרשים 1: רעש הפאזה של-MXG-B נמוך במיוחד. קיימות רמות שונות של ביצועי רעש פאזה כאפשרויות.

תרשים 2. אותות משוב (TTL) שולטים ב EXG או MXG-B לצורך בדיקת לולאה סגורה.

אותות לא מושלמים באופן מדויק: רעש פאזה מותאם אישית
עיבוד אותות וקטור בזמן אמת יכול לשנות או לעוות מראש אותות כדי לפצות על בעיות במערכות או בערוץ, אך ניתן להשתמש בו גם כדי לפגום באופן סלקטיבי באותות. אף שהמטרה בדרך כלל ביצירת אותות היא לספק אותות נקיים, לעיתים יש צורך גם לשדר אותות עם עיוותים ידועים מראש.
רעש הפאזה הנמוך במידה ניכרת ב-MXG-B לא מהווה תמיד יתרון. מערכות בעולם האמתי חייבות להתמודד עם רעש פאזה הן באותות סינוס (CW) והן באותות מאופננים. לפיכך, היכולת של מחולל אותות לפעול כתחליף מתכוונן ומדויק יכולה לקצר את זמן הפיתוח (ואת ההוצאות הנובעות מהם).
ב-MXG-B, של עיבוד אותות בזמן אמת מתאים אישית את רמות רעש הפאזה הן של CW והן של אותות מאופננים. כחידוש חשוב ניתן להתאים את רעש הפאזה לרמות שונות בקיזוזים שונים, לרבות האזור הקרוב, בינוני ורחוק של עקומת רעש הפאזה.
דגמים רבים של MXG-B ו-EXG כוללים גם מחוללים בביצועים מתונים וגם מחוללים בביצועים גבוהים עם יכולות אנלוגיות ויכולות וקטורים, וכיסוי תדרים שונים כדי להתאים לצרכי היישומים. הגמישות ומבנה תוכנת היישומים הגמיש מאפשרים לקבוע מחדש את מטרת מחוללי האותות כך שימשיכו להיות פרודוקטיביים לאורך זמן רב יותר.
לאחר שהוא במקומו, מחולל האותות האידיאלי מבצע את עבודתו לנצח עם מינימום תשומת לב. המנחתים בהפסד נמוך ומסוג solid-state של EXG/MXG מצבעים שינויים רבים מספור באמפליטודה מבלי להישחק, ותורמים למחזור כיול מכשירים של שלוש שנים. זמני השבתה מצטמצמים באמצעות דיאגנוסטיקה עצמית, החלפת מכלולים ועיצוב חומרה חדשני שאינו דורש כיול או כוונון לאחר תיקונים.

סיכום
ייתכן שטכנולוגיית RF מתקדמת בקצב מסחרר, אך הביצועים והיכולות של מחוללי אותות מסדרת X החדשה בהחלט עומדים בקצב שלה. על ידי הרחבת גבולות הביצועים, פונקציונליות ועלות, הם מספקים כעת למהנדסים בחירות טובות יותר הן בתכנון והן בייצור.