סקירה
מאמר זה מתאר את היכולות השונות של ממירים לספרתי (Digitizer) רחבי פס בתב”מ (תדר ביניים – IF) עם שבבי FPGA מובנים, בהקשר להזרמת מדיה (Streaming) של אותות בת”ר (RF). הנושאים הנדונים כוללים הזרמת אותות בפס הרחב, תיעוד אותות בתמסורת אותות (Burst) משתנה וניטור אותות בפס צר.
האתגר
לרבים מבין היישומים המשמשים בתחומים של בדיקות אימות ותיקוף, מעקב על פני ספקטרום רחב (Spectrum Surveillance), ניווט GNSS בעזרת ריבוי מקורות (Multiconstellation) ומקלטים מוגדרים בתוכנה, יש צורך בהרכשת אותות, עיבוד אותות בזמן אמת ותיעוד של אותות ת”ר. הטכנולוגיה המודרנית של הממירים מאנלוגי לספרתי (ADC) מאפשרת לממש מקלטים שדוגמים באופן ישיר ופועלים ב-2 ג’יגה הרץ או יותר. היא גם מפשטת את הארכיטקטורה של המקלטים, בעיקר במקרה של מערכות בריבוי ערוצים, שלהן נדרש סנכרון הדוק בין ערוצים. זה המקרה במערכות לאיתור כיוון המשמשות במעקב על פני ספקטרום רחב, במערכות מכ”ם פסיבי מעבר לאופק ובמדידות אנטנה.
מעבר לכך, הדרישה הגוברת לסריקת ספקטרום מהירה יותר ולסוגים חדשים של מכ”ם, מציבה צורך במקלטים עם רוחב פס רחב באופן רגעי ובעיבוד אותות בזמן אמת.
בדרך כלל, מערכות קיימות להזרמת מדיה באותות RF מופיעות בשתי צורות: הזרמה ללא הפסדים ברוחב פס גבוה, והזרמה ברוחב פס צר. המערכת מהסוג הראשון מתעדת את כל רוחבי הפס הקיימים, תכונה שביישומים מודרניים רומזת על העברת כמה ג’יגה ביית נתונים בשנייה עבור מערכות שדוגמות בקצב של 2 ג’יגה דגימות בשנייה או בקצב גבוה יותר. בדרך כלל, במערכות מכ”ם פעיל, משתמשים בהזרמת מדיה בפס הרחב.
ואולם, לעתים רוב המידע השימושי מתרכז סביב פס מסוים צר יותר. זה המקום שבו מופיעה מערכת הזרמת מדיה מהסוג השני. הזרמת מדיה בפס צר מאפשרת הפחתת נתונים ועיבוד אותות תוך כדי פעולה (Inline). למערכות כאלו יש צורך בהזרמת מדיה אל אותות תצוגה בהפרדה גבוהה (HDD) שנמצאים בפסים צרים באופן יחסי, עם כמה תדרים מרכזיים.
המקור של אותות הפס הצר לדוגמה, שהורכשו, הוזרמו ונותחו (או תועדו) על ידי יישומי מכ”ם פסיבי, יכול להיות משדרים לשידורי וידאו ספרתיים יבשתיים – [Digital Video Broadcasting-Terrestrial ] או משדרים שפועלים לפי תקן הוועדה למערכות טלוויזיה מתקדמות [Advanced Television Systems Committee ], שמאופיינים ברוחבי פס של 6 מגה הרץ עד 8 מגה הרץ, בתלות במדינה, והם נמצאים בטווחי התדרים VHF/UHF.
בדיקות של מקלטי ניווט מסוג GNSS מריבוי מקורות, הן דוגמאות נוספות להזרמת אותות בפס צר, כאשר הדרישה היא להשתמש הן באותות GPS L5/L2 ו-GLONASS מדור G1 ו-G2 . המשתמשים יכולים היו להתמקד באותות שרוחבם רק כמה מגה הרץ, שאפשר לרווח אותם אפילו למאות מגה הרץ זה מזה.
לאחר הרכשת אותות אלו בפס הרחב, למערכות הזרמת המדיה יש צורך בהמרה כלפי מטה שצריכה להתבצע בהמשך (הזזת תדרים), איזון (Equalization), דילול הדגימה (Decimation) וכיול. האות בפס הצר שנוצר, עובר דרך פונקציות פענוח אפנון, גילוי קידוד, סינון נוסף, הגברה ואחסון כאות לתצוגה בהגדרה גבוהה, או שהוא עובר דרך שילוב כלשהו של הפונקציות האלו.
ברמה גבוהה, אפשר לפצל את היישומים האופייניים של הזרמת מדיה וחלוקה לערוצים, כפי שמתואר באיור 2.
הזרמת מדיה בפס הרחב
על מנת להבין טוב יותר את האתגרים הקשורים בהעברת מדיה בפס הרחב, יש צורך להבין את המפרט הטכני של המקלט בתב”ם. מאמר זה מתמקד במודול PXIe-5624R. בדרך כלל, מקלטי תב”ם הם חלק של נתח אותות וקטורי שמורכב מערבל, מקלט תב”ם ומקורות של אותות עבור מתנד מקומי (LO). הארכיטקטורה של נתח אותות וקטורי לדוגמה מתוארת בהקדמה למאמר הטכני שעוסק ב-PXIe-5668R – נתח אותות בעל ביצועים גבוהים לפס הרחב 26.5 ג’יגה הרץ – PXIe-5668R-High-Performance 26.5 GHz Wideband Signal Analyzer .
תב”ם מאופיין בטווח התדירויות שבין 5 מגה הרץ ל- 2 ג’יגה הרץ, וברוחב פס אופייני של 800 מגה הרץ (לפרטים, עיין במפרט הטכני). לאחר הוספת אות רעש מוגבל ברוחב הפס (Dither), פעולה שעוזרת להקטין את תופעות הקוונטיזציה (כימות) של ממיר ADC ולשפר את הביצועים הספקטראליים, ממיר ADC דוגם את האות בקצב של עד 2 ג’יגה דגימות בשנייה, ברזולוציה של 12 סיביות. מערך FPGA שעל המעגל מעבד את הדגימות האלו ומעביר את הנתונים להתקנים אחרים (בקר PXI Express, RAID) דרך ממשק PCI Express Gen 2×8, אשר מאפשר את הזרמת הנתונים בקצבים תיאורטיים של עד 4 ג’יגה סיביות בשנייה. במקרה של הזרמת מדיה בפס הרחב, מערך FPGA מבצע רק המרה ספרתית אחת כלפי מטה (DDC) עבור כל הנתונים המתקבלים, בניגוד למספר המרות עצמאיות מטה, שמתבצעות במקרה של הפס הצר, כפי שמוזכר בהמשך במאמר זה.
דחיסת סיביות
כאשר אנו מדברים על הזרמת מדיה בפס הרחב, יש צורך לקחת בחשבון לא רק את רוחב הפס של אפיק
PCI Express הזמין באופן תיאורטי, אלא גם את המגבלות המעשיות שלו, (למשל הודעות בקרה שעוברות דרך אותו אפיק). המימוש הראשון והפשוט יותר של העברת נתונים דרך אפיק PCI Express יכול להיות העברה של דגימות בנות 16 סיביות, בזו אחר זו, גם אם הנתונים המגיעים מממיר ADC הם רק בני 12 סיביות. עם זאת גישה זו מובילה למגבלות תיאורטיות של 4 ג’יגה ביית בשנייה לכל קישור PSI Express, אשר קיים במודול PXIe-5624R (2 ביית/דגימה ב-2 ג’יגה סיביות בשנייה שווה ל- 4 ג’יגה ביית בשנייה), ובאופן מעשי לא יאפשר הזרמת מדיה רציפה. ואולם יש פתרון חכם יותר: דחיסת סיביות. באמצעות דחיסת סיביות, 4 דגימות של 12 סיביות נדחסות לתוך 3 מילים בנות 16 סיביות. התוצאה המתקבלת בשיטה זו מקטינה את קצב הנתונים מ- 4 ג’יגה ביית בשנייה ל- 3 ג’יגה ביית בשנייה, ומאפשרת הזרמת נתונים רציפה.
סנכרון בין מודולים
לעתים נוצר צורך בהזרמה רצופה מכמה מודולים מאותו סוג. מערכות ת”ר מסונכרנות אלו בריבוי ערוצים מאפשרות מימוש של יישומים מסוימים, כגון איתור כיוון. על ידי ניתוח הפרשי המופע של האותות המתקבלים בין ערוצים שונים, המערכת יכולה לקבוע את הכיוון של מקור האות.
במקרה כזה, הממירים לספרתי נעולים על אותו אות שעון לייחוס. כברירת מחדל, זה אות שעון בן 100 מגה הרץ שעל לוח האם בטכנולוגית PXI Express. לכן הסנכרון מאפשר להתחיל את ההרכשה בהתקנים מרובים באותו זמן – ליתר דיוק, תוך מרווחים ספורים של 10 פיקו-שנייה זה מזה. ואולם, חשוב ביותר שסטיית הלכסון (Skew) בין ממירים לספרתי תהיה זהה מסבב לסבב, כל עוד הטמפרטורה נשארת קבועה, כך שאת סטיית הלכסון, אפשר לשפר בכיול. מודול תזמון או כבלים חיצוניים אינם נדרשים להפעלת הסנכרון. בסנכרון זה משתמשים בשני קווי עירור (Trigger) שנמצאים על לוח האם של מערכת PXI Express.
מצב תמסורת אותות
במצב תמסורת אותות (Burst), הנתונים מוזרמים למארח רק לאחר הופעתו של אות עירור. את אות העירור אפשר לחבר ישירות למעגל הממיר לספרתי בתב”ם באמצעות מחבר PFI0 או לבצע עירור בתוכנה. במצב תמסורת אותות, יכולים המשתמשים להגדיר לוגיקה של מערך FPGA באופן שבו ניתן יהיה להגדיר את הפרמטרים הבאים:
משך התיעוד (Nx)
פרק זמן התיעוד (Mx)
מספר הרשומות לכל אות עירור
מספר הדגימות לפני העירור
תרחיש כזה, של תמסורת אותות, אפשר לממש באופן כזה שיאפשר משכי זמן והשהיות משתנים של התיעוד. את תיאורי התרחישים אפשר להגדיר במחשב המארח ולאחר מכן, להזרים אותם למערך FPGA. עם זאת, אות העירור יכול לגרום ליצירה של דגימות עם אי ודאות סביב 8 ננו-שניות, מפני שהדגימה של אות PFI0 מתבצעת ב- 125 מגה הרץ.
הזרמת מדיה בפס צר
לעתים יש צורך בהזרמת מדיה בפס צר ביישומים של תיקוף GNSS, ניטור בספקטרום, מכ”ם פסיבי ואיתור כיוון. במקרים אלו, המשתמשים מעונינים לא פעם בריבוי אותות בפס צר, באופן יחסי, שנמצאים ברכיב ספקטרום רחב ומוגדר, אשר מגיע לעתים מאנטנות מרובות בפיזור מרחבי.
הדרישה הקשוחה היא שהאותות יעברו הרכשה בו זמנית, והיא הופכת את השימוש בנתחי אותות וקטוריים סורקים (Swept) מסורתיים לבלתי אפשרי. הפתרון מול אתגר זה נקרא בורר ערוצים (Channelizer) – היישום שמבצע הרכשה של אות בפס הרחב הכולל את כל אותות הפס הצר הנדרשים, ולאחר מכן מפריד אותם בעזרת DDC במערך FPGA, ובכך מקטין באופן משמעותי את קצבי העברת הנתונים.
המרה ספרתית כלפי מטה
בשל המבנה המקבילי שלו, אפשר לממש אינסוף בלוקים לוגיים של DDC על מערך FPGA, לאפשר בכך ביצוע של ניתוח בו זמני של אותות פס צר מרובים. הדרגה הראשונה של ערוץ DDC משתמשת בערבל ספרתי ניצב
(Quadrature) שמעביר אות לפס הבסיס מכל תדירות שנמצאת בתוך הטווח של הממיר לספרתי. הדרגה הבאה מדללת (Decimate) (מקטינה את קצב הדגימה). מסנני תגובת FIR ספרתיים מעבירי נמוכים, ניתנים לתכנות, שמוצבים לפני כל דרגה של דילול (Decimation), מונעים הפרעה הכרוכה בקיפול תדרים (Aliasing) כאשר קצב הדגימות מוקטן. המשתמשים יכולים לאחזר את הנתונים שעברו דילול עם המופע ובניצב לו.
בנוסף, המשתמשים יכולים לבצע עיבוד אותות ספרתיים לצורך תיקון ספרתי של הפגמים האנלוגיים שבמערכת, למשל:
הגבר ספרתי – מבקר באופן ספרתי את המשרעת (אמפליטודה) של אות הרכיב שבמופע (I) ושל אות הרכיב הניצב (Q)
היסט ספרתי – מבקר באופן ספרתי את ההיסטים (Offset) של אות הרכיב שבמופע (I) ושל אות הרכיב הניצב (Q)
איזון – מסנן את נתוני הרכיבים I ו- Q כדי לאזן את התגובה האנלוגית של ההתקן.
שינויי I/Q – משנה את נתוני הרכיבים I ו- Q כדי לתקן או כדי להחיל שינויים ברכיבים I ו- Q, למשל עיוות איזון בהגבר, הפרעת לכסון ניצבת או היסט של מתח ישר.
התקן PXIe-5624R אחד עם Kintex–7 XC7K410T של Xilinix שמשולב בו, יכול להתאים לעד 12 ערוצי DDCעם קצבי I/Q של 37.5 מגה הרץ או עד 8 ערוצי DDC עם קצבי I/Q של 93.75 מגה הרץ (לפרטים צור קשר עם NI). את פסי המשנה (Subband) אפשר להזרים אל כונן RAID או לנתח אותם באופן מקוון במחשב המארח.
ערוצי DDC של ריבוי אנטנות באמצעות מקלטי תב”ם
כפי שמצוין לעיל, אפשר לסנכרן התקני PXIe-5624R מרובים לצורך הרכשה מאנטנות מרובות, למשל עבור יישומים של איתור כיוון. במקרים כאלו, המשתמשים יכולים להגדיר עד 12 תדירויות מרכזיות עם קצבי I/Q נבחרים, ומודולי תב”מ מרובים ימירו לתדירות נמוכה אותות של אנטנות מרובות. הפתרון בטכנולוגית PXI Express מפשט את תהליך הסנכרון של ריבוי ממירי ADC בהתקני PXIe-5624R.
במקרה כזה אפשר להגדיר את הפרמטרים הבאים:
התדירויות המרכזיות של הערוצים
קצבי הרכיבים, I ו- Q של הערוצים
מקור אות השעון של ממיר ADC
מוצא אות השעון
גודל תמסורת הנתונים (לצורך הרכשה של תמסורת נתונים)
פרקי זמן ההמתנה של תמסורת נתונים בדגימות
פרמטר של מסנן עיצוב צורה (shaping)
שיקולים הקשורים ברעש במופע (פאזה) ותיקונו
הארכיטקטורה הפתוחה של מקלטי PXIe-5624R בתב”ם מאפשרת להשתמש באותות שעון חיצוניים, באותם יישומים שבהם יש חשיבות עליונה לכך שהרעש במופע יהיה מזערי. המשתמשים יכולים לבחור בדרך הטובה ביותר לאספקת אותות השעון לממיר ADC, בתלות בדרישות המערכת ובתקציב העומד לרשותם. איור 8 מראה קונפיגורציות אפשריות שונות למקורות של אותות שעון. המודול PXIe-6674T הוא מודול תזמון וסנכרון שפותח עבור מערכות מרובות מודולים במארזים מרובים (רעש המופע שלו מצוין בירוק באיור 8), לעומת PXIe-5653, שהוא מחולל אותות מתנד מקומיים (LO) עם רעש מופע נמוך (מצוין בכחול ובסגול באיור 8). רעש המופע הנמוך ביותר מושג בעזרת המודול PXIe-5653, ואילו המודול PXIe-6674T מהווה פשרה בין העלות והביצועים.
מסקנות
מקלטי התב”ם מבוססי PXI של NI עם מערכי FPGA מובנים, הם התקנים שמעניקים יכולת לכמה מבין היישומים הדורשניים ביותר להזרמת מדיה, כגון בדיקות מכ”ם, תיקוף GNSS, ניטור ספקטרום זריז ואיתור כיוון. הארכיטקטורה הפתוחה שלהם בשילוב עם היכולת של פלטפורמת PXI מאפשרת ביצוע בקלות של הרחבה לערוצים מרובים עם סנכרון וקוהרנטיות מובטחים במופע.
כמו כן, הגישה המודולרית של NI מאפשרת למשתמשים להוסיף רכיבים, כמו למשל ערבלים (עם תדירויות מרכזיות של עד 26.5 ג’יגה הרץ בממדים של PXI Express או 72 ג’יגה הרץ עד 76 ג’יגה הרץ ברדיו מרחוק – Radio Head), מתגים, מגברי הספק ומנחתי הספק ומודולי בורר קדם (Preselector).
