PXIe-5668R נתח אות עתיר ביצועים ורחב סרט ל-26.5GHz

לנתח האותות הוקטורי (VSA) מדגם PXIe-5668R של חברת נשיונל אינסטרומנטס רוחב סרט של 765Mhz ויכולת לבצע מדידות באופן מהיר ביותר וברמה גבוהה ביותר.

הוא מיועד לתחום המיקרוגל, ועונה על הדרישות המאתגרות של יישומים כגון תקשורת רדיו, אפיון RFIC, בדיקות מכ”ם, ניטור ספקטרום ו-SIGINT. הנתח
PXIe-5668R המתואר באיור 1 מציע שילוב ייחודי של ביצועי מדידות RF, מהירות מדידה וגמישות. הוא נחשב למצטיין מסוגו מבחינת התחום הדינמי, והוא מהווה פתרון אידיאלי עבור מדידות מאתגרות בתהליכי פיתוח אפליקציות ובשלבי מו”פ. תצורת PXI של הנתח מקנה ל-PXIe-5668R יכולות ביצוע מדידות באופן מהיר. זוהי תכונה הנדרשת בקווי בדיקה בשלב הייצור, בהם יש צורך לבדוק כמויות גדולות של מוצרים. בנוסף הנתח הזה כולל רכיב מיתכנת מסוג Xilinx Kintex-7 FPGA, אותו ניתן לתכנת בעזרת LabVIEW ועל ידי כך להתאים את התנהגות המכשיר לבדיקות ייעודיות על ידי הוספת סוגי דרבון ושגרות עיבוד אות.
ביצועי מדידות RF
ה-PXIe-5668R הוא נתח אות בתצורת PXI, המבוסס על המרת פורייה מהירה
(FFT) והוא מתאים הן לביצוע אנליזות של תחום התדרים הגבוה והן לניתוח אותות וקטוריים. הצירוף של רעש מופע נמוך, רצפת רעש נמוכה, ויכולת לכידת אותות מסדר שני ושלישי מספק תחום דינמי מצוין עבור יישומים החל ממדידות של יחס זליגה מערוץ סמוך (ACLR) ועד למדידות של הרמוניות ואותות דרבן (spurs). טבלה 1 מדגימה את הביצועים האופייניים של PXIe-5668R בתדרים מרכזיים 1Ghz ו-20GHz.
ה-PXIe-5668R משיג באופן מיידי רוחב פס רחב בעזרת שימוש בדיגיטייזר הדוגם בקצב של 2GS/s. כפי שניתן לראות בטבלה 1, המכשיר ניחן ברוחב סרט מיידי של 320Mhz מתחת לתדר מרכזי של 3.5Ghz, ועד לרוחב סרט מיידי של 765MHz בתחום תדירויות מרכזיות מ-3.6Ghz ועד ל-26.5Ghz.
תחום דינמי
ל-PXIe-5668R תחום דינמי המקנה לו ביצועים מעולים ויכולת מדידה מדויקות של פרמטרים רבים, החל מעיוותי ערב אפנון
(IMD), הספק ערוץ סמוך (ACP) ועד למדידות עוצמת וקטור שגיאה (EVM). באיור 2 ו-3 טבלאות התחום הדינמי מראות את הרעש ואת הלינאריות כפונקציה של עוצמת הערבל.
כדאי לשים לב שעוצמת הערבל המיטבית
(באיור 2) עבור רוב המדידות היא -36dBm וזאת כאשר המכשיר מספק תחום דינמי נקי מרעשי דרבן (SFDR) של כ-117dB ברוחב פס של 1Hz. ב-2GHz (איור 3)
ה-PXIe-5668R משיג ביצועים דומים עם עוצמת אות ערבל של 37dBm. בעוצמה זו המכשיר משיג 115dB של SFDR ברוחב פס של 1Hz.
הצירוף של לינאריות מעולה ורצפת רעש הוא קריטי לביצוע מדידות IMD ו-ACP. למעשה, הנתון המבטא בצורה הטובה ביותר את היכולת של המכשיר לבצע מדידות אלה הוא לכידת אותות מסדר שלישי (TOI). מאפייני ה-TOI של ה-PXIe-5668R עולים על
+23dBm בתדר 1GHz וניחות של 0dB. כפי שניתן לראות מאיור 4, הנתח מספק ביצוע TOI נומינלי של +25dBm בתדר 1GHz, כלומר ביצוע בפועל העולה על נתוני המכשיר הנקובים במפרט ב-2dB.
למרות שמפרט המכשיר ל-TOI מוגדר עבור ניחות של 0dB, (כך מקובל), נתח אות ה-RF יכול למדוד TOI גם כאשר הוא פועל בביצועים העולים על הנקוב במפרט. באופן מעשי, ניתן לשפר את לינאריות המדידה של ה-PXIe- 5668R על ידי בחירת ניחות פנימי עד ל-75dB.
בנוסף למדידות IMD, ה-PXIe-5668R מתאים באופן אידיאלי לביצוע מדידות ACP ו-ACLR וזאת בגלל התחום הדינמי הגדול שיש לו. איור 5 מדגים מדידת ACLR של אות WCDMA, ובו ניתן לראות שרצפת ה-ACLR נמצאת בערך ב-85dB.
בנוסף לביצוע מדידות UMTS ACLR, אפשר להשתמש בתוכנת הכלים הסטנדרטית של NI לתקשורת אלחוטית בשילוב עם ה-PXIe-5668R על מנת למדוד התקנים הפועלים בטכנולוגיות כגון
GSM/EDGE ,UMTS/HSPA+ ,LTE/LTE Advanced ,Bluetooth ו-802.11a/b/g/n/p/ac..

רוחב פס גדול ומיידי
ה-PXIe-5668R תומך ברוחב פס מיידי של 320MHz או 765MHz, תלוי בתחום התדרים. היכולת למדוד פס מאוד רחב בהרכשה יחידה שימושית ביישומים שונים, ממדידות במערכות תקשורת ועד למדידות פולסי מכ”ם. כאשר מודדים אותות רחבי סרט עם מערכי ניתוב (metrics) כגון EVM, רוחב הפס המיידי של נתח אות ה-RF חייב להיות גדול מזה של האות הנמדד. למשל, בטכנולוגיות תקשורת אלחוטית IEEE 802.11ac התקן דורש רוחב פס מיידי של 160MHz לצורך ביצוע מדידת EVM. בנוסף דרישות מסיכת הספקטרום עבור אות של 160MHz לפי תקן 802.11ac כוללות גבולות שהם בטווח של 240MHz מהתדר המרכזי ורוחב סרט כולל ברוחב 480MHz. ה-PXIe-5668R, עם רוחב סרט מיידי של 765MHz, יכול לבצע מדידה כזו בהרכשה אחת.
גם מדידות מתקפי מכ”ם דורשות רוחב פס מיידי גדול מאוד. במדידת דופק מכ”ם אופייני, מאפייני מישור תדרים של האות מופיעים כפונקציית סינכרון המכיל הן את האונה המרכזית ובאופן תיאורטי אינסוף אונות צד, כפי שניתן לראות באיור 6.
מדידות אותות מכ”ם, כגון מדידת זמן עליה של הדופק, דרוש VSA על מנת ללכוד את האונה המרכזית ומספר רב של אונות צד. חוק כללי למדידת זמן עליה של דופק של X ננו שניות הוא שרוחב הפס המיידי של מכשיר המדידה חייב להיות 3/X. לדוגמא, על מנת למדוד זמן עליית דופק של 5ns רוחב הפס המיידי, נחוץ מכשיר עם רוחב פס מיידי של 3/5ns כלומר 600MHz. באיור 7 רואים שרוחב הפס של נתח האות PXIe-5668R מאפשר מדידה מדוייקת ביותר של זמני עלית דופק- במקרה זה זמן עליה של 8ns.

גמישות
תכונה חשובה נוספת שבה מצטיין נתח האות PXIe-5668R היא גמישותו. הוא ניתן לתכנות ולהגדרה בהתאם לצרכי המשתמש. המכשיר מוגדר כמטרה מיתכנתת ב-LabVIEW FPGA והודות לכך אפשר להטמיע במכשיר עצמו אלגוריתמים שונים לעיבוד אות. למשל, תוך שימוש בקוד לדוגמא הכלול ב-LabVIEW ניתן להגדיר את המכשיר כך שיתפקד כנתח ספקטרום בזמן אמת (RTSA). באיור 8 ניתן לראות כיצד ניתן בעזרת מכשיר ש”הושתלה” בו “אישיות” של RTSA מקבלים נתח ספקטרום בעל רוחב סרט גדול מאוד בזמן אמת, המבצע את המדידה ללא מרווחים ברשומות מרחב הזמן.
הארכיטקטורה המודולרית של המכשיר מאפשרת להוסיף מודולים של ממיר תדר ודיגיטייזר התומכים בתצורת מקלט רב ערוצי. ה-PXIe-5668R VSA מאפשר להשתמש באות המתנד המקומי ובאותות התזמון הפנימיים שלו לצורך תפעול מודולים מרובים תוך שמירה על אחידות מופע בין כל ערוצי ה-RF. לאחידות המופע בין הערוצים במקלט מרובה ערוצים חשיבות רבה ביישומים כגון מציאת כיוון ועד לעיצוב אלומה ובדיקות התקני MIMO. איור 9 מראה דוגמא של תצורת נתח אות RF בעל שני ערוצים.
שימוש בתצורה המתוארת באיור 9 מאפשרת להשיג סינכרון הדוק בין הערוצים בעת מדידות יישומים מרובי ערוצים.

ארכיטקטורה
ה-PXIe-5668R משתמש בשני נתיבי אות נפרדים על מנת להשיג רוחב סרט מיידי גדול יחד עם ביצועי RF הטובים מסוגם. בנתיב תחום התדרים הנמוך, שמתחת ל-3.6GHz, המכשיר משתמש בתכנון בעל שלוש דרגות סופר-הטרודיין וקדם מגבר אופציונלי. בנתיב התדרים הגבוהים, שמעל 3.6GHz, המכשיר מתבסס על תכנון בעל שתי דרגות עם מסנן (yttrium-iron-garnet) מתכוונן (YTF) לצורך בחירה ראשונית.
בפס התדרים שמתחת ל-3.6GHz ניחן ה-PXIe-5668R במספר רב של תכונות התורמות לשיפור המדידות. באיור 10 מופיעה דיאגרמת מלבנים פשוטה ובה ניתן לראות איך אפשר לשלב קדם מגבר עם שבח של 30dB על מנת להקטין את רצפת הרעש הפנימי של המכשיר בעת מדידת אותות נמוכי עוצמה.
איור 10 מראה שני מסננים מעבירי גבוהים לפני הערבל הראשון. אפשר לשלב אותם עם מסננים חוסמי פס בעלי תדרי קיטוע של 1350 ו-2200 מגהרץ על מנת לדכא את התדר היסודי של ערוצי מערכות תקשורת סלולריות נפוצות שהוא סביב 1GHz. שילוב המסננים מגדיל את דיוק המכשיר בעת מדידת אותות נמוכים של ההרמוניה השניה והשלישית, אותות המופיעים בערך סביב 2GHz ו-3GHz בהתאמה. בפס הגבוה, שמעל 3.6GHz, ה-YTF מתפקד כקדם בורר לפעולה בתחום התדרים שמ-3.6GHz ועד ל-26.5GHz, שהוא תחום ברירת המחדל עבור מדידות ספקטרום. לצורך ביצוע ניתוח אות וקטורי בעל רוחב סרט מאוד רחב ניתן לנטרל את ה-YTF על מנת לנצל את מלוא רוחב הסרט של המכשיר שהוא 765MHz.

מבנה IF גמיש
בצירוף עם דיגיטייזר בעל קצב דגימה של 2GS/s, לממיר של ה-VSA יש מבנה IF גמיש המאפשר הן ניתוח ספקטרום בתחום הגבוה והן ניתוח אות וקטורי רחב סרט. למשל, אפשר לשלב מסנן אנלוגי בעל רוחב סרט צר של 300kHz לצורך ביצוע קל של מדידות הדורשות תחום דינמי גדול ביותר, כגון מדידת עיוותי ערב אפנון דו צלילי (IMD) או ACLR. לצורך ניתוח אות וקטורי ניתן להפסיק את סינון ה-IF לגמרי, כדי לאפשר קבלת רוחב פס של 320MHz או 765MHz, בהתאם לתדירות המרכזית.
יחידת הקצה הקדמי של הדיגיטייזר של ה-PXIe-5624R מותאמת באופן מיטבי לארכיטקטורת מקלט סופר-הטרודיין. היא מאופיינת בממיר ספרתי מנמיך תדר DDC המשולב בה, הממיר תדרי If לנתוני IQ. כתוצאה מכך ניתן להשתמש ב-PXIe-5624R הן כחלק מה-PXIe-5668R VSA או כנתח IF עצמאי.

סיכום
ה-PXIe-5668R הוא נתח אות וקטורי עתיר ביצועים ל-26.5GHz והוא אידיאלי לתחום רחב של יישומים. השילוב של ביצועים אנלוגיים מעולים עם פס רחב מאוד
וגמישות אולטימטיבית מעצימות את היכולת להתמודד ולבצע מדידות מאתגרות החל ממדידות ACLR ועד למדידות בתחום
המכ”ם וניטור ספקטרום.