ניצול והרחבת טכנולוגיית נתחי האותות, לצורך התאמה וחיזוי מראש של יישומים מתפתחים בתקשורת אלחוטית

מאת: ריצ’רד אוברדורף, Agilent Technologies

יישומי התקשורת האלחוטית ממשיכים להתרחב ולהתפתח בקצב שמאתגר בעקביות את משאבי הבדיקה של המהנדסים, אשר למעשה מאפשרים לתהליך כולו לקרות. השינויים המהירים החלים בציוד משתמשי הקצה ובתקני התעשייה מציבים אף הם אתגרים אימתניים בפני יצרני הצב”ד. כדי לתמוך באימות הייצור והתכנון, המכשור נדרש לעמוד בקצב של ההתפתחויות האחרונות וכדי שניתן יהיה לספק כלים יעילים למהנדסי המחקר והפיתוח, יצרניות ציוד הבדיקה נדרשות לצפות מראש את הסטנדרטים החדישים ביותר.

נתחי הספקטרום ונתחי האותות מהווים את הדוגמאות הטובות ביותר למהות המורכבת של התפתחות מהירה זו, שכל היבטיה המגוונים קשורים אלה באלה. הדגמים החדישים ביותר ממחישים את יתרונות המינוף וההרחבה של הטכנולוגיה בכל הנוגע להתמודדות עם שינויים, תוך שהם מונעים את ההוצאות ואת ההפרעות הכרוכות בהחלפה מתמדת של מרכיבים בסיסיים הכלולים בערכת הכלים של מהנדס ה-RF.
נתחי האותות המודרניים מקבילים למערכות מודרניות של תקשורת אלחוטית.
באופן כללי, אותן טכנולוגיות שהניעו את ההתפתחות האלחוטית במהלך 30 השנים האחרונות הן אלה שקידמו גם את ציוד הבדיקה האלחוטי. ברור, כי השיפורים שחלו בטווח התדרים של המוליכים למחצה ובביצועים הגולמיים – נצילות הספק, רמת רעש וכד’ – היו חיוניים. עם זאת, ההתפתחויות המשמעותיות ביותר היו כרוכות בשינויים ארכיטקטוניים כבירים, הקשורים בטכנולוגיות הדיגיטליות: ממירים אנלוגיים לדיגיטליים ודיגיטליים לאנלוגיים (ADCs ו-DACs) וכן חומרה ותוכנה רבות עוצמה של עיבוד אותות דיגיטלי (DSP). כל אלה קשורים בהתקדמות המתמשכת של המוליכים למחצה הדיגיטליים, המתוארת בחוק מור.
עבור ניתוח אותות RF ומיקרוגל, התוצאה הייתה מעבר מנתחי ספקטרום מסוג swept לנתחי אותות ולהרחבות כגון נתחי אותות וקטוריים ונתחי ספקטרום בזמן אמת. המפתח למעבר טמון בהחלפת העיבוד האנלוגי של תדר הביניים (IF) בעיבוד IF דיגיטלי (איור 1).
המעבר מנתח ספקטרום לנתח אותות טומן בחובו מגוון רחב יותר של אנליזות ויכולות גמישות יותר מאשר אלה שסופקו באמצעות הנתחים המסורתיים מסוג swept. דגימה דיגיטלית מסוג Complex-valued in-phase וכן quadrature () של אות ה-IF הסופי מספקת ייצוג מלא של רוחב פס ה-IF השלם ומאפשרת ל-DSP לבצע את כל סוגי הניתוח.
נתחי ה-RF/מיקרוגל הראשונים שעשו שימוש בטכנולוגיית IF דיגיטלית מלאה סיפקו שילוב חלק ויעיל של גישות ה-swept וה-FFT של ניתוח הספקטרום. בנוסף, הם כללו פלט נתוני I/Q בסיסי לצורך הזנה לתוכנות חיצוניות של ניתוח אותות וקטוריים (VSA). תוכנה זו מרחיבה את יכולות נתח האותות, לצורך טיפול במדידות מתקדמות כגון דה-מודולציה אנלוגית ודיגיטלית מתקדמת, לכידה מבוססת זמן ופלייבק לצורך פוסט-עיבוד.
ארכיטקטורת ה-IF הדיגיטלית המשולבת בנתחי אותות אף מסייעת למהנדסים להתמודד עם מהירותם של האותות האלחוטיים, שהולכת וגדלה בצורה דרמטית. טכניקות Spread-spectrum (פיזור ספקטרום) כגון דילוג תדר (frequency hopping) וריבוב חלוקת תדרים אורתוגונלי (OFDM) הופכים נפוצים יותר ויותר בשימוש משולב עם טכניקות פולסים או burst, על מנת לאפשר שיתוף של ערוצי תדרים או פסי תדר שלמים. רק ארכיטקטורת IF דיגיטלית יכולה לאפשר את ביצוע המדידות הנדרשות לצורך תכנון, פתרון בעיות וייצור של מערכות אלה.
FPGAs וארכיטקטורה מודולארית מספקים מסלול מתפתח לקראת ניתוח בזמן אמת.
במקרה של מערכות אלחוטיות, רוחבי הפס הגדולים יותר שדרושים לאפנון זכו למענה על-ידי נתחי אותות מודרניים, אשר עושים שימוש בהתקני ADC שהופכים מהירים יותר ויותר, מקטעי IF דיגיטליים רחבים יותר וכן DSP מהיר יותר. שיפורים נלווים אלה מבוססים בחלקם על טכנולוגיות אנלוגיות ודיגיטליות זהות, אשר אפשרו בנוסף לנתחי האותות לכלול יכולות ניתוח בזמן אמת.
נתחי זמן אמת זמינים בשוק ככלים ייעודיים זה מספר שנים, ומספקים תוצאות של ספקטרום ההספק (סקלאריות, לא וקטוריות), המחושבות בקצב מהיר דיו, שמאפשר להבטיח כי כל דגימות ה-ADC שבמקטע ה-IF יעובדו לצורך ייצור או עדכון של התצוגה. במונחים כלליים, המשמעות היא כי אין כל “פספוס” של אותות בטווח המדידה (דהיינו, רוחב פס ה-IF הסופי). כיוון שזרם ספקטרום גבוה מהירות זה, אשר נמדד בדרך כלל במאות אלפים לשנייה, הנו מהיר מכדי שניתן יהיה להציגו בתצוגות נפרדות, בנתחי זמן האמת יושמו תצוגות ספקטראליות חלופיות.
תצוגת צפיפות הצבע או ההיסטוגרמה היא אולי התרומה הייחודית ביותר של נתחי זמן האמת, ומספקת תובנות מיידיות לגבי תדר המופע של תופעות ספקטראליות (איור 2).
הארכיטקטורה הבסיסית של כמה מנתחי האותות המודרניים תואמת לניתוח ספקטרום בזמן אמת, ואילו נתחי האותות מסדרת Agilent X-Series תוכננו עם הגמישות והמשאבים הפנימיים הדרושים לצורך מינוף תאימות זו. במקרה של נתחים אלה, עיבוד האותות מבוצע באמצעות שילוב של מעגלים משולבים תלויי יישום (ASICs) ומערכי שערים הניתנים לתכנות בשטח (FPGAs), שניתנים להגדרה מחדש באופן מיידי.
כל עוד ה-DSP ומשאבים נוספים כגון הזיכרון מספיקים, תוכנות וקושחות מכשירים חדשות יכולות לאפשר את שדרוגם של נתחי אותות קיימים ליכולת זמן אמת עבור ניתוח ספקטרום ופונקציות נוספות. תצוגות זמן אמת כגון צפיפות, ספקטרוגרמה ו-power-versus-time זמינות בנוסף לכל הפונקציות הקיימות של נתח האותות.
גישה מבוססת שדרוגים זו מתאפיינת במספר יתרונות מבחינת המהנדסים, במיוחד אם נשווה אותה לרכישתו של נתח ספקטרום ייעודי בזמן אמת:
עלויות מופחתות בעת השוואת השדרוגים לרכישת ציוד נפרד.
התקנות פשוטות יותר של מערכות הבדיקה והחיבורים, בזכות הפחתת מספר הנתחים הדרושים.
הדרכה ותכנות יעילים יותר, בגין שימוש במכשיר יחיד, ממשק משתמש יחיד וקבוצת פקודות אחת.
הארכיטקטורה המודולארית המאפיינת כמה מנתחי האותות המודרניים יכולה להיות שימושית גם בתהליך ההתפתחות של טכנולוגיות אלחוטיות מן הדור הבא. מאפייני נתחים כגון רוחב פס IF ועוצמת עיבוד ניתנים להרחבה בעת הצורך כתמיכה בתקנים החדשים, עם הגידול ברוחב הפס והמורכבות.

עיבוד בזמן אמת להפעלת מדידה
עוצמת העיבוד המאפיינת את הניתוח בזמן אמת יכולה לשמש לייצור “טריגרים” של מדידה במקום תצוגות מדידה. במצב זה, ספקטרומים בודדים רציפים של אותות – לעתים אפילו מאות או אלפים בשנייה – מושווים למסכות והגבלות ספטקראליות, לרבות תנאים לוגיים כגון כניסה או יציאה של מסיכה. יכולת זו של הפעלת
frequency-mask (מסכת תדרים) מספקת שילוב של רגישות תדר ואמפליטודה שנותנת מענה מעולה לאתגרי הבדיקה של אותות אלחוטיים מורכבים המשתנים עם הזמן. כיוון שאין “פספוס” של אף פיסת מידע בתחום התדרים הנבחר, מצב זה מאפשר לכידה מהימנה של דפוסי התנהגות נדירים ומורכבים של אותות שאינם נלכדים באמצעות גישות triggering אחרות.
במקרה של יישומים אלחוטיים רבים, תחומי התדרים כוללים אותות מרובים, שעשויים להיות בעלי מאפיינים שונים מאוד. טריגר ה-frequency-mask מספק דרך שמאפשרת לנטר ביעילות את טווח התדרים הרלוונטי, תוך מיקוד המדידות באות מסוים אחד מתוך רבים (איור 3).
הפעלת מסכת התדרים יכולה לשמש גם לניטור חוסר יציבות באותות או לזיהוי התנהגויות שגויות בעת מיתוג או דילוג תדרים/אמפליטודה. הלכידה והזיהוי של ליקויים מעין אלה יכולים להיות מסובכים, והם עלולים להיות בעייתיים במיוחד בסביבות הספקטראליות הצפופות של ימינו.

שילוב הפעלה בזמן אמת וניתוח אותות וקטוריים
המינוף וההרחבה של נתחי האותות הנה עוצמתית במיוחד כאשר ההפעלה בזמן אמת משולבת עם ניתוח אותות וקטוריים. מדידות ספקטרום ההספק, אפילו במצב זמן אמת, סיפקה בעבר תצוגה מוגבלת של transients, אותות באפנון וקטורי וסביבות מורכבות של אותות. פתרון בעיות ומיטוב של אותות או מערכות מצריכים ניתוח עמוק וגמיש יותר, כגון זה שבוצע בשנים האחרונות באמצעות תוכנת 89600 VSA של Agilent, אשר פועלת על מגוון פלטפורמות מדידה.
בתוכנת ה-VSA, הפעלת מסכת התדרים יכולים לשמש להפעלת מדידות שונות מכל סוג, לרבות תצורות שכוללת השהיות פרה-טריגר ופוסט-טריגר. יכולת ההשהיה השלילית, או פרה-טריגר, הנה שימושית במיוחד משום שהיא מספקת ניתוח של נתונים שנלכדו לפני אירוע ההפעלה וכך יכולה לספק מידע אודות הגורם לטריגר.
באופן כללי, שילוב ההפעלה של מסכת התדרים ושל ניתוח האותות הווקטוריים הנו יעיל במיוחד כאשר הטריגר גורם לפעולה של לכידה מבוססת זמן, במקום למדידה בודדת. במהלך לכידת הזמן, נתונים בעלי רוחב פס מלא מוזרמים לזיכרון ללא פערים ונשמרים לצורך פוסט-עיבוד גמיש או פלייבק. אחד היתרונות העיקריים של לכידה ופלייבק הוא זמינותם של בלוקים גדולים של דגימות רציפות עבור מגוון סוגים של ניתוח, וכן העובדה שניתן לשנות את הגדרות הניתוח מבלי שתידרש לכידה מחדש של האות.
לכידה של תיעוד נטול פערים עם טריגר בזמן אמת מאפשרת בנוסף ביצוע מדידות מפתח עבור אירועי transient ספציפיים, כגון ביצועי דה-מודולציה במהלך הפרעות. יכולת טריגר/תיעוד מספקת בנוסף את יכולת העיבוד החוזר של הנתונים, שעשויה להפיק מדידות מדויקות יותר עבור אותות שמשכם קצר. הסיבה: תוכנת ה-VSA מסוגלת להחיל ולהחיל מחדש גדלים וסוגים שונים של חלונות, והדבר מספק ייצוג משופר של אותות ה-transient.
יכולות אלה מאפשרות ללכוד בצורה אמינה אירועים נדירים, לנתח אותם לעומק ולאחר מכן לשמור אותם או להעבירם לכלים ולתהליכים שונים כגון תוכנת תכנון/הדמיה או מחוללי אותות RF/מיקרוגל, שיכולים לחזור ולהציג אותות נדירים.

סיכום
נתחי האותות מתפתחים במקביל למערכות המודרניות של תקשורת אלחוטית, ומפיקים תועלת מחידושים טכנולוגיים זהים. הפלטפורמות של נתחי האותות המודרניים, שמיועדות לספק גמישות ומצויות בהתפתחות מתמדת, ניתנות לעדכון באמצעות היכולות והמדידות החדשות, שהנן חיוניות לתכנון פרודוקטיבי של תקשורת אלחוטית.