תכנון מערכת מקצה לקצה: היתרונות של כלי משולב לתכנון תדרים, ניתוח תקציבי ועוד

Benjamin Haddad, RDT

כלי הארכיטקטורה  שבהם משתמשים המתכננים של מערכות תקשורת RF ומיקרוגל כוללים סימולטורים של תקציבים (Budget Analysis), תוכניות שירות לחיפוש תדרים כוזבים (spurs) וכלים לתכנון תדרים, שכולם בדרך כלל מבוססים על גיליונות אלקטרוניים או אלגוריתמים הכתובים ישירות בתוכנה (hard-coded) עם ממשק משתמש לא מסחרי. הגישות האלה “מתוצרת בית” שימשו היטב את המתכננים, אבל הן מוגבלות בפונקציונליות ו/או הרוחב שלהן, אינן נתמכות ומגוונות כמו המתכננים שיוצרים אותן. כדי ליצור את הכלים האלה נדרש מאמץ רב שפעם היה אמנם מתקבל על הדעת (ולו רק משום שלא היו חלופות מתאימות), אבל כיום למעט מתכננים יש זמן לבנות בעצמם כלי תכנון או להתאים כלים קנייניים קיימים כדי שיעמדו בדרישות הגדלות של מערכות התקשורת העכשוויות. נייר העמדה הזה מתאר את היתרונות שבשימוש בתוכנה מסחרית מתמחה, כגון התוכנה Visual System Simulator™ (VSS) מתוצרת AWR לתכנון מערכות מקצה לקצה, וגם תוך אימוץ גישות קנייניות באמצעות הכללה של תצוגות של גיליונות אלקטרוניים.

תכנון תדרים
כלי לתכנון תדרים משתמש במפרטי התדר וההספק של אותות המבוא/ מוצא במטרה לתכנן מערכת שמעבירה את האות הרצוי מהמבוא למוצא תוך שימוש במספר המינימלי של העתקות תדר (יחד עם הארכיטקטורה הפשוטה ביותר של המסנתז) ובטכנולוגיית המסנן הזולה ביותר. יותר מסננים ומסנתזים מורכבים יותר מתבטאים ישירות ביותר עלות, נפח ומשקל.
יש שני היבטים של תכנון תדרים. בראשון, שדומה לכלי תכנון, משתמשים בתרשימי תדרים כוזבים ואלגוריתמים קשורים, והשני, שקרוב יותר לתהליך של אימות, נקרא לרוב חיפוש תדרים כוזבים. באחרון מביאים בחשבון גם תדרים כוזבים שנוצרים במערבל וגם כאלה שנוצרים בבלוקים לא ליניאריים במערכת שנמצאים בנתיב הראשי של האות וגם בתת המערכות של המסנתז והמערבל.
משוואה (1) מציגה את המשוואה הקלאסית של המערבל:

המשוואה הזאת מגדירה את תוצרי הערבול הרצויים וגם הבלתי רצויים שנוצרים על ידי התהליך של העתקת תדרים באמצעות מערבל שמונע על ידי מתנד מקומי. המשוואה הלא מזיקה לכאורה הזאת מציגה בחסר את התמונה המורכבת של הגידול או היצירה של אותות לא רצויים, ומתארת את הגידול של האות של בלוק יחיד של העתקת תדרים. במערכות מורכבות שמכילות העתקות תדרים מרובות, הפוטנציאל ליצירת אותות לא רצויים גדל באופן מדאיג.
תרשים תדרים כוזבים טיפוסי (איור 1) מציג את אותות המוצא כפונקציה של תדר המבוא עבור ערכי n ו-m.
באיור 2, הערכים האלה הוגבלו לגודל מירבי של n-Max ו-m-Max. לאחר מכן התרשים מראה שתדרי המבוא והמוצא נורמלו לתדר של המתנד המקומי (LO). בדרך כלל לתרשימים האלה נלוות טבלאות כדי להגדיר את הגדלים היחסיים של תוצרי הערבול באמצעות טבלאות תדרים כוזבים של המערבל שמקורן גיליונות הנתונים של יצרני המערבלים, מדידות, או סימולציות.
תרשימי תדרים כוזבים כאלה מראים את הנוכחות של תדרים כוזבים, אבל יש מתכננים שמעדיפים להציג את התוצאות באמצעות התוויה ספקטרלית (spectral plot), כמו זאת שבאיור 3. במקרה זה, משפרים את משוואות התדרים הכוזבים כדי להוסיף את האובדן ופעולת הסינון של מסנני המבוא והמוצא.
באיור 1, שני הקווים האופקיים מייצגים את המאפיינים של מסנן המוצא. למסנן יש סדר אינסופי: מעברי הפס של התדר הגבוה והנמוך בין פס החסימה ופס המעבר הם תלולים באופן אינסופי. התוויה שימושית יותר תזהה כמובן את שיפוע הגבול של מסנן סופי. המלבנים הירוקים בהתוויה הספקטרלית (איור 3) הם תוצרי ההמרה של פס הצד התחתון ופס הצד העליון, כך שמסנן המבוא פתוח לכל האותות. ההתוויה הספקטרלית מתייחסת לאות המבוא ותדר המתנד המקומי נקבע ל-1000 מה”צ לשם הפשטות.
תרשימי תדרים כוזבים מאפשרים למתכנני מערכות לקבל החלטות לגבי הקצאת תדרי מתנד מקומי, הסדר של המסננים בנקודות שונות במערכת ומספר ההמרות הדרוש. אובדן אותות נגרם מכל המרת תדרים (העתקת תדרים) ומהמסננים המשמשים להגבלת אותות. אם התדרים מספיק נמוכים לשימושם של התקנים פעילים בתכנון של המערבל, שבח מסוים עשוי להיות אפשרי. כדי להתגבר על האובדן, דרושים שלבי שבח נוספים, מה שמגדיל את האפשרות של יצירת תוצרי עיוות.
אחרי הגדרת הארכיטקטורה של המערבל, המספר של שלבי הערבול וההגברה הדרושה כדי להעלות את הספק המבוא כדי לספק את הספק המוצא הדרוש, אפשר לבצע חיפוש תדרים כוזבים כללי. האלגוריתם היסודי שבו משתמשים לחיפוש תדרים כוזבים עוקב אחרי אותות בבלוקים של המערכת ובמיקום של כל תדר כוזב או אות חדש, יוצר יחס הורה- בן, כשהמורשת של הבן מאוחסנת בזיכרון. התוכנה Visual System Simulator (VSS) מתוצרת AWR מציגה בבירור קבוצה של תדרים כוזבים (איור 4).
בהתוויה הזאת אפשר לראות גם את הביאור המשויך לאחד מהתדרים הכוזבים, המתאר את התדר, ההספק וההורה של התדר הכוזב. אפשר להרחיב את המידע הזה כדי להציג תיאור מקיף של המורשת של תדר כוזב מסוים. כדי להימנע מדרישות זיכרון מופרזות, המשתמש יכול להגדיר סף הספק, שמתחתיו מתעלמים מתדרים כוזבים חדשים. גישה מעשית תהיה להתעלם מתדרים כוזבים שמתחת לריצפת הרעש של המערכת.
באיור 5, מוצג המידע המקיף לאחר בחירת תדר כוזב מסוים באיור 4. המורשת החלקית של האות הרצוי מוצגת יחד עם נתונים המשויכים לטונים הלא רצויים.

ניתוח תקציבי
גיליונות אלקטרוניים הם הגישה המועדפת המסורתית לביצוע ניתוח תקציבי. הם יכולים בקלות לתפוס את ההשפעות של פגמים בערוץ כגון רעש ואפנון הדדי של שני טונים, להגדיר את התכונות של הבלוקים של המערכת ולבנות את המידע באופן ליניארי. סיבה יותר ברורה לפופולריות שלהם היא שהם זמינים בקלות לרוב האנשים.
פשוטה ונמצאת בכל מקום ככל שתהיה, לגישה של גיליונות אלקטרוניים יש מספר חסרונות, שהבולט בהם הוא הקושי לבצע שינויים בטופולוגיה והיעדר החיבור בין תכנון התדרים והכלים לחיפוש תדרים כוזבים שצריך ללוות את הניתוח התקציבי. הסינכרון בין שלוש נקודות המבט האלה של הארכיטקטורה של המערכת (תכנון תדרים, חיפוש תדרים כוזבים וניתוח התקציבי) חייב להתבצע ידנית על ידי המתכנן, וזה כמעט בלתי אפשרי בגיליון אלקטרוני. תרשים סכמטי הוא האופן המועדף לתפוס את התכונות של הטופולוגיה והבלוקים של המערכת, וזאת הבחירה הראשונה של מתכנני מעגלים מזה זמן רב.
התרשים הסכמטי שנוצר על ידי התוכנה VSS תופס את הכוונה של מתכנן המערכת באופן ביטוי חזותי. אולם, משום שגיליון הנתונים עדיין מתאים היטב להצגה בסקירת עמיתים, VSS מציעה תצוגות של גיליון אלקטרוני כהשלמה לכלי התקציב שלה (איור 6).
מטרה אחת של הכלי התקציבי היא להגדיר את המיקום של הבלוקים של בקרת השבח, כיוונוני התחלת החיים הסטטית (BOL) שנעשים במפעל, או בלוקים של בקרת שבח אוטומטית (AGC) כדי להביא בחשבון את השונות בגודל האות (תחום מטרה, מרחק מהאנטנה וכדומה). לגבי כיוונוני שבח BOL, צריך לדעת את הפיזור של השבח במערכת, מדידה שאינה פשוטה כשמשתמשים בגיליונות אלקטרוניים.
בסימולציות מהסוג הזה אינטראקציות יחס הגלים העומדים (VSWR) בין הבלוקים מובאות בחשבון יחד עם שינויי פרמטרים מסדר ראשון.  שלא כמו בגישה של הגיליונות האלקטרוניים, ניתן לבצע ניתוח רגישות אמיתי של הפרמטרים. שיקול חשוב אחר כשמתכננים מערכת הוא להביא בחשבון רעש תמונה, שלרוב מתעלמים ממנו כשמשתמשים בגיליונות אלקטרוניים לתכנון המערכת. אלגוריתם המערכת שבתוכנת VSS מביא בחשבון רעש תמונה, וזה מאפשר למתכננים לקבל החלטות שקולות על הסדר של המסננים ורוחב הפס של המסנן שלפני המערבל כדי למזער הגרעות ספרת רחש (noise figure degradation). ביישומים מסוימים אי אפשר להדביר את רעש התמונה, אבל המתכנן עדיין צריך להביא בחשבון את כל מקורות הרעש בחישובים האלה.
גישה רב-צדדית לתכנון מערכות מחייבת שגורמי האיכות (figures of merit) שמגדירים כל בלוק יוחלפו בסופו של דבר בנתוני סימולציה שמקורם בכלי מעגל, ובנתונים נמדדים כשהם זמינים. זה מגדיל את הדיוק של הסימולציה של המערכת, משום שהחישובים מבוססים על נתונים אמיתיים של הבלוקים של המערכת (נתוני מעגל) ולא על גורמי איכות.
תוכנת VSS משולבת באופן הדוק עם התוכנה לתכנון תדרים גבוהים Microwave Office® של AWR כך שאפשר לקשר אוטומטית סימולציית מעגל של מגברים, מתנדים ומערבלים לסימולציה של המערכת. זה מאפשר להחליף תיאורי בלוקים כגון שבח וספרת רחש כשמתקבלים נתוני מעגל.
החיבור בין כלי מעגל ומערכת משפיע על אופן האינטראקציה והשיתוף ברעיונות תכנון בין מתכנני מעגלים ומתכנני מערכות. המטרה של שימוש בכלי מערכת המשולב עם כלי מעגל היא לקדם דיון פרודוקטיבי יותר בין שתי הקבוצות האלה. גישות חלופיות של תכנון מערכות עלולות לגרום להנדסת יתר של מערכות שמגיעות לשלב הייצור, וזה מוביל לפעילות מו”פ מופרזת ולפתרונות יותר מדי מורכבים ויקרים. לעומת זאת, הנדסת חסר של מערכות יכולה לגרום להן להפיק ביצועים לא קבילים כשמתקינים אותן בסופו של דבר.

חקר מקרה: מגבר הספק
איור 7 מראה את השילוב של כלי מערכת ומעגל באמצעות בדיקה פשוטה של מגבר הספק כדוגמה.
המגבר מוגדר בפועל באמצעות נתונים נמדדים. בדוגמה הזאת הנתונים הנמדדים משמשים במודל Cardiff, למרות שהנתונים הלא-ליניאריים היו יכולים להיות גם S-functions של NMDG או X parameters® של Agilent. גישת גיליונות הנתונים פועלת היטב במערכות עם תדרים נקודתיים או פס צר שבהן הפרמטרים של הבלוקים של המערכת קבועים על פני התדר.
אולם, גיליון נתונים לא מספק ממשק פשוט כשבוחנים מערכת עם פס רחב. כלי התקציב בתוכנת VSS תומכים בסימולציה של מערכות עם פס רחב (כגון יישומים של אמצעי נגד אלקטרוניים [ECM]) על פני אוקטבות מרובות. הדוגמה באיור 8 מראה את הסימולציה של ספרת הרחש על פני רוחב פס סופי. הנתונים של הבלוקים של המערכת מסופקים באמצעות קבצי נתונים שלוכדים נתוני  ספרת רחש, שבח, שני טונים ו-IP3 על פני תחום תדרים שמגדיר המשתמש. את הנתונים האלה אפשר לספק באמצעות סימולציה או ממדידות.

לסיכום, תכנון מערכות מצריך ניתוח תקציבי, תכנון תדרים וחיפוש תדרים כוזבים. גיליונות אלקטרוניים משמשים אמנם למטרה זאת שנים רבות ויש להם יתרונות מסוימים, אבל הם אינם יכולים לשלב את כל הכלים הנחוצים כדי להעריך מערכת באופן מלא. התוכנה VSS מאפשרת לתפוס בתרשים מערכת אחד את הפרמטרים של הטופולוגיה והבלוקים של המערכת, והתוצאה היא זרימת תכנון יותר חלקה ופרודוקטיבית ונטולת בעיות. VSS גם מספקת תצוגות גיליון נתונים כהשלמה לממשק המשתמש הגרפי שלה, כך שהמתכננים לא צריכים לנטוש סוג זה של הצגה. בנוסף לכלי המערכת שלה, השילוב של VSS עם תוכנת Microwave Office נותן למתכנני מערכות ומעגלים שיטה איתנה לשיתוף מידע בכל השלבים של תכנון המערכת, מההחלטות הראשוניות על הארכיטקטורה ועד לשלב האב טיפוס, תוך הפחתת הזמן וסיכוני עלות  החומרים של הנדסת יתר או חסר.