מבט על תכנון מוטמע (ROHDE & SCHWARZ)

המתנדים החדשים מעניקים נאמנות אות מצוינת, עד 16 ביט רזולוציה אנכית, ושיעור רכישה בתחום שבין 600 מגה-הרץ ו-4 גיגה הרץ. מגוון רחב של כלים יחד עם פעולה ידידותית למשתמש ופונקציות דוקומנטציה, מאפשרים ניתוח מעוגן זמן של מגוון האותות הנרחב הנמצא בתכנונים המוטמעים.

איור 1. מתוכנן לאתגרים רבי תחום: המתנד החדש

תכנונים מוטמעים, הווה אומר שילוב בקנה מידה גדול של רכיבים המבוססים על מגוון טכנולוגיות, מציבים את האתגר הגדול ביותר היום בחומר ובזמן באשר לפיתוח ולשירות. משימות מדידה טובעניות אלו דורשות פתרונות חכמים, כגון אלו המוצעים על ידי המתנד החדש R&S®RTO2000 (איור 1), המכשיר לבדיקה “הכל באחד” עבור יישומים רבי תחומים. ערכת הכלים המקיפה שלו כוללת פונקציות זמן, תדירות, ניתוח לוגיקה ופרוטוקול, מגוון אשר בעבר דרש מכשירים ייעודיים עבור כל פונקציה.
פונקציונליות רב תחומית עבור בדיקות אינטגרציה
המעבד הקדמי בעל הרעש הנמוך ומתמרי D/A בעלי רזולוציה גבוהה, מאפשרים לערוצי הקלט האנלוגיים של המתנד לבצע מדידות בעלות דיוק גבוה בתחום הזמן בתחום דינמי רחב. המשתמשים מקבלים תוצאות אמינות, אם בביצוע בדיקות רמת מתח קלות לאורך זמן או במדידות ייעודיות, כגון בדיקות רעש בשעון או באותות הנתונים או בניתוחי אספקת הכוח בספקים במצב מיתוג. המידע בתיבת הטקסט בסוף הכתבה מעניקה סקירה על נקודות מפתח במתנד החדש.
16 הערוצים הדיגיטליים מרחיבים את משאבי הבדיקה של המתנד, הווה אומר שבאמצעותם, דיוק המדידה ברמה הלוגית (גבוה – נמוך) לאורך זמן על גבי ממשקים דיגיטליים, מורחב. כך, מתגלות במהירות אפילו שגיאות זמן בממשקים מקבילים.
מספר הכלים הרב העומדים לרשות ניתוח ממשקים טוריים מבוססי פרוטוקול מספקים מנעד (spectrum) רחב של אופציות למיתוג ופיענוח עבור מגוון תקנים, כולל תקני I2C, SPI, USB ואתרנט. המתנד מאפשר שימוש בערוצים אנלוגיים ודיגיטליים לפיענוח פרוטוקול. המתנד משתמש בפרוטוקול המיתוג שלו הנתמך חומרה על מנת למתג באופן אמין ובמהירות פרטים כגון כתובות או נתונים.
אף במצבים בהם מנתחי מנעד הינם הבחירה הראשונה למדידות מדויקות בממשקי רדיו, המתנד מתאים ביותר לרכישת אותות אלחוט הודות לתחום הדינמי הרחב של הערוצים האנלוגיים שלו.
איור 3 מציג את מגוון אפשרויות המדידה ביישום “אינטרנט של דברים” (IoT) באמצעות מודול רדיו ויי-פיי (Wi-Fi). ערוץ 1 (צהוב) רוכש את אות הויי-פיי ומציג אותו בתחום הזמן, אך צורת הגל של האות אינה ברורה דיה עד לרגע בו היא נראית במנעד (Math4). ערוץ 3 (כתום) מציג את האופן בו פעילות הרדיו משפיעה על צריכת הזרם. תזמון פקודות בקרת הממשק USB נראית אף היא. אופציית ה-R&S®RTO-K60 מפענחת את האותות המתקבלים בערוצים 2 ו-4 (ירוק וכחול) לנתוני USB קריאים.

בדיקת תכנונים מוטמעים

איור 2. יישום רב תחום בתכנון מוטמע מעודכן בחידושים האחרונים: מדידות אנלוגיות בתחום הזמן, מדידות במנעד, וניתוח לוגי ופרוטוקול

הצורך המודגש לתקשורת ולאמצעי בקרה אלקטרוניים חזקים ובעלי יחס עלות – תועלת חיובי לתעשייה, עבור כלי רכב, ועבור מגזר הצריכה הביתית החכמה ולמטרות בידור, מניע את האינטגרציה של מעגלים מודפסים. תכנונים מוטמעים מתקדמים אלו משלבים מגוון יחידות תפקודיות וטכנולוגיות. המעבדים, ניהול הכוח המסופק, ממשקי תקשורת דיגיטלית, זיכרון תכנית מקומית, זיכרון נתונים וחיישנים, פועלים כולם בשטחים קטנים ביותר. השלב הבא בשילוב הנו מודולי רדיו. מגוון צורות הגל של האות הוא די גדול, והוא משתרע מאותות רדיו RF, אותות אנלוגיים מחיישנים או אותות מקודדי פרוטוקול ממשקי הבקרה (איור 2).
מורכבות זו מציבה אתגר למתכננים כיוון שתכנונים בעלי דרגת שילוב (אינטגרציה) גבוהה מועדים באופן בולט יותר להפרעה הדדית. יש לסלק אינטראקציות לא רצויות באמצעות ייחוס זמן מדויק ברמת המערכת.

ניתוח זרמים קטנים ביחס לפונקציות המערכת
עם סיום הבדיקות התפקודיות של התכנון האלקטרוני, מתחיל תהליך מיטוב המעגל. עבור יישומי התקנים ניידים, מזעור צריכת האנרגיה חשוב ביותר. דבר זה דורש מכשיר מדידה היכול למדוד זרמים בגודל 1 מילי-אמפר תוך כדי התאמת תזמון שינויי הזרם לפעולות המיתוג, כלומר בעת העברת רצפי רדיו או בעת כניסה למצב שמירת אנרגיה.
התחום הדינמי הרחב והרגישות הגבוהה של ערוצי הכניסה האנלוגיים הופכים את המתנד החדש למכשיר אידיאלי למדידת מתחים וזרמים נמוכים. האופציה R&S®RT-ZC30 הנה גשש זרם רגיש היכול למדוד זרמים בתחומי 1 מילי-אמפר וברוחב פס תדירות של 129 מגה-הרץ. במצב הבחנה גבוהה (HD), ניתן למדוד שינויים דינמיים קטנים כגון 100 מיקרו-אמפר.
שימוש בערוץ אנלוגי למדידת זרם מעניק נקודת ייחוס זמן קבועה לאותות המדידה האחרים. איור 5 מציג דוגמה של גשש זרם בערוץ 3 (כתום) אשר מודד זרם של 1.7 מילי-אמפר בעת מצב שינה. צריכת הזרם מותאמת עם יציאת אות הרדיו בערוץ 1 (צהוב) ועם פעילות המערכת בממשק משדר מקלט אסינכרוני אוניברסלי (UART – Universal Asynchronous Receiver Transmitter). בעת מצב שינה, המודול אינו מעביר כל אות רדיו, אך הוא מקבל אותות קריאה סדירים מתחנת הבסיס. צריכת האנרגיה גדלה לזמן קצר ל-105 מילי-אמפר והמודול מעביר אות תקשורת מקודד UART בקו “מאושר להעברה” הנקלט באמצעות ערוץ דיגיטלי.
ניפוי שגיאות מוגבר במנעד
פונקציית ניתוח מנעד מבוססת התמרת פורייה מהירה (Fast Fourier Transform – FFT) המצויה בכל ערוצי הכניסה של R&S®RTO2000, מעניקה אפשרויות נוספות, כגון ניתוח אותות רדיו, ניפוי שגיאות התאבכות אלקטרומגנטית (Electromagnetic Interference – EMI) למציאת גורמים מפריעים במנעד או ניתוח מנעד של ספקי כוח. בניגוד למימושי FFT מקובלים במתנדים, המתנד משיג רזולוציה ומהירות תצוגה גדולות יותר עם מתמר – מפחת דיגיטלי (Digital Down Conversion – DDC), המבצע חישוב FFT מוגבל לתחום תדירות נבחר.
פונקציות ידידותיות למשתמש, כגון מדידות אוטומטיות, רשימות פּיקים, גלאי לכידת פיקים, בדיקות מסכה, תומכות בניפוי שגיאות בתוך המנעד. מאפיין ייחודי נוסף הינו הספקטרוגרם, אשר מציג את השינויים ברכיבי התדירות במשך הזמן.

מיתוג אזור בתחומי הזמן והתדירות
פונקציה ייחודית אחרת הינה מיתוג אזור חדש אשר ניתן להשתמש בו להבדלה גרפית בין אירועים בתחומי הזמן והתדירות. ניתן להגדיר עד שמונה אזורים ולקשר ביניהם באופן לוגי כתנאי מיתוג. המיתוג ניזום כאשר אותות בדיקה חוצים אזורים מוגדרים או כאשר לא נוגעים באזורים אלו. דבר זה מאפשר לגלות גורמי הפרעה במנעד בעת ניפוי שגיאות הפרעה אלקטרומגנטית או לקרוא ולכתוב בנפרד מחזורי בקרי זיכרון. הדוגמה באיור 7 מראה כיצד משתמשים באזור המיתוג במנעד למדידת עומס הזרם והמתח בעת פריצת רדיו במערכת גלובלית לתקשורת ניידת (Global System for Mobile Communications –GSM).

סיכום
R&S®RTO2000 הינו שילוב ייחודי של רבגוניות, מהירות מדידה, דיוק ונוחות. ניתוחי זמן, תדירות, לוגיקה ופרוטוקול, פועלים יד ביד. ללא תחרות בקטגוריה זו הינו שיעור הקליטה של עד מיליון צורות גל בשנייה. התחום הדינמי הגבוה של המכשיר, מוכיח את יעילותו לא רק בתחום הזמן אלא גם בתחום התדירות, היכן שהמתנד מציע ביצועים ללא תחרות תודות ל-FFT מבוסס חומרה. רזולוציה 16 ביט ב-HD המובילה בתעשייה, הניתנת תמיד לשימוש מלא על ידי מערכת המיתוג, חושפת את פרטי האות העדינים ביותר. המתנד הוא המכשיר הראשון המציע ממתג אזור עבור תחום התדירות ולוכד אירועים המוגדרים בעיקר על ידי חתימת המנעד שלהם. התצורות הניתנות לשינוי רב, ואפשרויות ההפעלה, מאפשרות לפתור במהירות משימות מדידה טובעניות.

איור 7. האזור במנעד ממקד את המדידות באותות פריצת GSM מופעל וכבוי

מאפיינים עיקריים של R&S®RTO2000

רכיבים המפותחים בתוך הארגון
הבסיס לדרגת רגישות גבוהה ולתחום דינמי המוצע על ידי R&S®RTO2000, הינו מעבד קדמי בעל רעש נמוך ומתמרי D/A ליבה אחת 10 גיגה-הרץ. הרעש הממשי המזערי, אשר גודלו קטן מ-100 מיקרו-וולט, מספר הביטים הממשיים (ENOB – Effective Number of Bits) של מתמרי D/A שהוא גדול יותר משבעה, כמו גם הבידוד בין ערוץ לערוץ שהוא גדול מ-60 דציבל, כל אלה הינם רק דוגמאות אחדות. מאפיינים אלו הופכים את הערוצים האנלוגיים לאידיאליים עבור ניתוחים בתחום התדירות כמו גם עבור מדידות בתחום הזמן.
חקירת פרטי אות דורשת לעתים קרובות רזולוציה אנכית גבוהה יותר. המתנד משיג עד 16 ביט במצב HD. במצב HD, מסנני מעבר נמוך משתנים הנמצאים מעבר למתמר D/A, מגבילים את רוחב הפס של האות (איור 4). המשתמש יכול לבחור את השילוב המתאים של רזולוציה ורוחב פס. אפילו למערכת המיתוג הדיגיטלית יש יתרונות מהרזולוציה הגבוהה במצב HD והיא יכולה למתג אף בעקבות פרט אות קטן ביותר.
המתנד מציע לא רק עיבוד אות אנלוגי רב ביצועים. הוא גם מתאפיין בעיבוד אות דיגיטלי עוצמתי המבוסס על פונקציה קניינית של שבב המותאם במיוחד לשימוש ביישום ספציפי (Application Specific Integrated Circuit – ASIC). עיבוד האות המקבילי המהיר שלו, עולה בבירור על בטר-עיבוד מבוסס מחשב אישי. המתנד רוכש, מעבד ומציג עד 1 מיליון צורות גל לשנייה, אף בעת פעולת היסטוגרמות, מסכות אזורים או מדידות סמן. יכולת זו, אשר הינה ייחודית בקטגוריית מתנדי מעבדה, מהווה את המפתח לגילוי המהיר והמוצלח של שגיאות אקראיות.
זיכרון הרכש ניתן להרחבה עד 2 גיגה-דגימות, אף זאת ייחודית בקטגוריה שלו. קיים זיכרון במידה מספקת לרכישת דופק ארוך או רצף פרוטוקולים. פונקציית ההיסטוריה נהנית אף היא מעומק הזיכרון הזה כיוון שיותר צורות גל זמינות לניתוחים מפורטים.

אפשרות שינוי גודל עבור כל יישום
המתנד מגוּון דיו להתאמה ליישומים ספציפיים. קיימים דגמים בעלי 2 ו-4 ערוצים בעלי רוחב פס של 600 מגה-הרץ, 1 גיגה-הרץ, 2 גיגה-הרץ, 3 גיגה-הרץ ו-4 גיגה-הרץ, בנוסף לאפשרות שדרוג אופציונלי של זיכרון רכישה. שדרוגי רוחב פס זמינים לכל הדגמים.
כל אופציות החומרה, כולל הערוצים הדיגיטליים לניתוחים לוגיים ושעון ייחוס 10 מגה-הרץ (Oven-Controlled Crystal Oscillator), הינן תוספים אותם ניתן להתקין במקום. למשימות ייעודיות, ניתן להפעיל אופציות תוכנה במתנד בכל עת. אופציות התוכנה הזמינות כוללות, למשל, אופציות מיתוג ופיענוח ובדיקות עמידה בתקנים ודרישות עבור ממשקים טוריים, כמו גם אופציות עבור ניתוחי רעש, כוח ומנעד.

קל שימוש עם מסך מגע ו”רשת חכמה” של R&S – R&S®SmartGrid
על אף מגוון הכוח והתפקודיות שלו, המתנד נותר קל מאד לשימוש הודות למסך מגע מבריק במצוינותו. פונקציית R&S®SmartGrid מבטיחה כי כל צורות הגל ומידע אחר, מוצגים באופן ברור ומובן. כלים חשובים, כגון סמנים, מדידות ופונקציות “בטל ביצוע”/”בצע מחדש” (undo/redo) נמצאים על גבי סרגל כלים למען גישה מהירה. תא היישומים מספק גישה ליישומים כגון פונקציות המיתוג והפיענוח, בדיקות אות ועמידה בתקנים ודרישות, ניתוח הימצאות בפזה או ניצבות (In-phase/Quadrature – I/Q) ואף כלי פיתוח ספציפיים ללקוח. R&S®RTO מפשט דוקומנטציה של מדידות. ניתן לאחסן תמונות מסך, צורות גל, אירועים ותצורות מכשיר בלחיצת מקש פשוטה.