ג'ון ס. האנסן, מהנדס אותות בכיר, Agilent Technologies. בכל הנוגע לבדיקת RF, הרי שאחד המאפיינים החיוניים של כל מחולל אותות RF הוא הספק המוצא המרבי שאותו הוא יכול לספק להתקן שתחת בדיקה (DUT) תוך שמירה על טוהר ספקטראלי ועל דיוק. היכולת לספק אות טהור ומדויק ברמה של +25 dBm ומעלה מבטיחה דיוק מדידה משופר ואף מאפשרת בדיקה של תנאי פעולה קיצוניים או חריגים.

כמתואר במאמר זה, יכולות אלה עשויות לפשט את הבדיקה של מגברים גבוהי הספק, להתגבר על הפסדים הקיימים במערכות ציוד בדיקה ממוכן (ATE) ולתת מענה להנחתה של אותות כאשר מדובר באורכי כבל גדולים. בשורה התחתונה, עם יתרונות השימוש במחולל אותות בעל הספק מוצא גבוה נמנה גם צמצום העלות, הגודל והמשקל של מערכת הבדיקה או תצורת הבדיקה המתקבלת.

פישוט בדיקות המגבר
מגברי המיקרוגל מסוג TWT (Traveling wave tube) מהווים דוגמה קלאסית: הם מפיקים יותר מ-100 ואט או +50 dBm של הספק מוצא ודורשים רמות מבוא של +25 dBm ומעלה. למרבה הצער, רוב מחוללי אותות המיקרוגל הקיימים בשוק אינם מספקים מוצאים מאוזנים המתאפיינים ברמות הספק כאלה. כתוצאה מכך, האפשרות היחידה היא לחבר את מחולל לקדם-מגבר מיקרוגל חיצוני ולציוד התמיכה הנחוץ לניטור, איזון וכיול של האות המועבר ל-TWT.

איור 1 מציג תצורה נפוצה של בדיקת מגברים גבוהי הספק. מוצא מחולל האותות, שהנו לרוב +10 עד +23 dBm, מוזן לתוך קדם-מגבר המתאפיין בשבח של 30 עד  35dB. הקדם-מגבר יכול להיות התקן פס רחב או התקן אשר תואם לטווח התדרים של המגבר שתחת בדיקה (AUT).

 
איור 1. תצורה לדוגמה עבור בדיקת מגברים גבוהי הספק
 

על מנת להשאיר את הספק המבוא ברמה נמוכה ככל האפשר, מוצא הקדם-מגבר מוזן לתוך מצמד מאזן, אשר מספק נקודת דגימה פרופורציונאלית שמועברת אל ה-ALC (בקרת הרמה האוטומטית) של מחולל האותות. סוג זה של תיקון אי התאמה דינמי הנו חיוני, בגין הסבירות הגבוהה לתנודות בהיענות התדר של הקדם-מגבר. על מנת לאפיין כראוי את שבח ה-AUT, אות המוצא של המצמד חייב להתאפיין בדיוק של  dB 0.5 ±  בכניסת המגבר.

המגבר מניע עומס שעבר קירור במים או שמן, לצורך טיפול במוצא גבוה ההספק של ה-AUT. כמו במקרה של המצמד, גם מוצא העומס הנו פרופורציונאלי למוצא ה-AUT ומקדם את האות לטווח שנמדד בקלות באמצעות חיישני הספק ומדי הספק שנמכרים באופן מסחרי.

לרוע המזל, גישה נפוצה זו מתאפיינת בשלושה חסרונות עיקריים: התצורה מורכבת מעט; היא מחייבת שימוש באבזרי בדיקה יקרים המסוגלים להתמודד עם הספקים גבוהים ורמת הדיוק הכוללת שלה כפופה למידת הדיוק של כל אלמנט בתוך המערכת. העלות והמורכבות גדלים כאשר יש צורך במספר התקני קדם-מגבר צרי פס לצורך שימור הספק מבוא נאות לרוחב טווח תדרי ה-AUT.

מחולל אותות בעל הספק מוצא גבוה מאפשר את תצורת הבדיקה הפשוטה יותר, אשר מוצגת באיור 2. אם מחולל האותות מסוגל לספק לפחות +25 dBm של הספק מוצא, הרי שניתן להסיר את הקדם-מגבר ואת מצמד האיזון החיצוני. הדבר מפחית את עלויות המערכת ואף משפר את ביצועיה.

 
 
איור 2: תצורה מפושטת עבור בדיקת מגבר עם מחולל אותות בעל הספק גבוה

על מנת לשמר את רמת הדיוק של  ±0.5dB לרוחב טווח תדרי ה-AUT, מחולל האותות יכול להשיג גורמי תיקון מתוך מד ההספק. לדיוק מוגבר, ניתן להוסיף מצמד איזון חיצוני לתצורה זו. הדבר מאפשר למדוד במדויק את הספק המבוא של ה-AUT ומאפשר איזון הספק חיצוני עבור מחולל האותות (איור 3). הדבר משמר כמה ממאפייני העלות והמורכבות של התצורה המקורית (איור 1); עם זאת, הוא מבטל את העלות הכרוכה בקדם-מגבר יחיד של פס רחב או במספר התקני קדם-מגבר צרי פס.

 
איור 3: תצורה מפושטת עם מחולל אותות גבוה הספק ואיזון דינמי חיצוני.

התגברות על הפסדי אותות בתוך מערכת ATE
מערכת ATE אופיינית צוברת הפסדי עוצמת אות לרוחב מגוון מרכיבי מערכת: חיווט, מתגים וכן מצמדים, משלבים, מבודדים וכד', אשר מאפשרים את שיתוף האות. זמינות עוצמה גבוהה יותר דרך מחולל האותות יכולה להתגבר על הפסדים אלה וכך להבטיח דיוק מדידה מוגבר. העוצמה הנוספת אף מאפשרת להוסיף מסננים ומנטרי אותות, תוך שיפור איכות המדידה הכוללת.

ההחלטה להכליל מחולל אותות בעוצמה גבוהה מבטיחה רוחב פס מוגדל והגברה נמוכת רעשים – באופן יחסי – של אותות הסטימולוס המועברים למערכת ה-ATE. בסופו של דבר, השימוש במקור כזה מפחיתה את עלויות המערכת על-ידי מניעת הצורך במגברי פס צר ובמערכות המיתוג המשויכות אליהם.
התמודדות עם הנחתה בעת שימוש בכבלים ארוכים
בעת בדיקת אנטנות או תתי מערכות לווייניות, מקור האות עשוי להימצא במרחק ניכר מה-DUT. לדוגמה, במטווח הבדיקה של אנטנות, אנטנת השידור עשויה להיות ממוקמת במגדל שמתנשא לגובה של 4 מטרים עד 25 מטרים (איור 4). תתי המערכות הלווייניות עשויות להיות ממוקמות בתא תרמי/תא ואקום, אולם מערכת הבדיקה תמוקם מחוץ לתא, שעשוי בתורו להיות גדול למדי ושדרכי הגישה אליו עשויות להימצא במרחק גדול מעל פני הקרקע, במגדל אחסון עשוי אלומיניום.

 
איור 4: מחולל אותות בעוצמה גבוהה יכול להתגבר על ההנחתה הנגרמת על-ידי כבלים בעת בדיקת אנטנות

במקרים כאלה, הפתרון המקובל ביותר הוא להשתמש בכבלים קואקסיאליים באורכים גדולים; עם זאת, כבלים אלה גורמים להפסדים ניכרים בעוצמת ה-RF ואף גדלים באופן דרמטי בתדרים גבוהים יותר. אף על פי שההנחתה יכולה להשתנות במידה רבה בכפוף לאיכות הכבל, הערכים האופייניים עבור כבל קואקסיאלי באורך 30 מטרים הם 45 dB בתדר של GHz 12 ו-70 dB בתדר של  20 GHz. אחד הפתרונות הוא שימוש בכבל קואקסיאלי מסוג Heliax, אשר מתאפיין בהפסדים נמוכים; עם זאת, העבודה עמו עלולה להיות מסובכת משום שהוא קשיח ואינו מיועד לתנועה מרובה ולשינויי התצורה המאפיינים את סביבות הבדיקה.

פתרון חלופי עשוי להיות הגברה נוספת בתוך מקור האות והגישה המועדפת כוללת שימוש במגברי הספק משורשרים, לצורך הגברת עוצמת התפוקה. שילוב עוצמת התפוקה הנוספת במקור מאפשר לחסוך בעלות, במקום ובמשקל.
סיום
מחולל אותות בעל עוצמת תפוקה גבוהה מספק מספר יתרונות, החל בתצורות בדיקה מפושטות וכלה בהקטנת הגודל, המשקל והעלות של סביבת הבדיקה. היכולת לספק אות טהור ומדויק בעוצמה של +25 dBm ומעלה יכולה להבטיח דיוק מדידה מוגבר ואף לאפשר בדיקה של תנאי פעולה קיצוניים או חריגים. למידע נוסף אודות מחולל אותות גבוהי עוצמה והיישומים שלהם, ראה הערת המוצר של Agilent Technologies "ייצור והחלה של אותות מוצא גבוהי עוצמה", אשר זמינה בכתובת www.agilent.com/find/E8257D
 

בתמונה: Agilent PSG-E8257D, לדיוק מדידה מוגבר גם בתנאי פעולה קיצוניים או חריגים.

ביוגרפיה של המחבר
ג'ון האנסן הוא מהנדס יישומים בכיר ב-Agilent Technologies, Inc. ומאחוריו יותר מ-20 שנות ניסיון בתחום הנדסת המערכות ופיתוח מוצרים חדשים בענפי התקשורת האלחוטית, המיקרו-אלקטרוניקה והביטחון. בימים אלה הוא אחראי על יישום מוצרי Agilent בענפי התעופה והביטחון. ג'ון מחזיק בתואר ראשון בהנדסה של אוניברסיטת UCLA, בתואר שני בהנדסת חשמל של USC ובתואר שני במנהל עסקים  של San Diego State University. הוא מהנדס מקצועי רשום במדינת קליפורניה.

Mimix Asia, ספק של רכיבי MMIC למיקרוגל ו millimeter wave מציגה את ה 7 to 13 GHz GaAs MMIC 6-Bit Phase Shifter עם בקרה דיגיטלית תואמת LVMOS/TTL. שם הרכיב הוא XS1000-BD ומפרט מלא שלו ניתן לראות באתר החברה www.mimixasia.com. לרכיב בקרת 6 ביטים ו LSB של 5.625º. לרכיב הספק כניסה P1dB של 25dBm והוא מתאים ביותר לשימוש במקלטי ל"א, מכ"מ צבאי ומכ"מ מזג אוויר, ובמערכות תקשורת לווינים. הרכיב מספק בקרת פאזה יוצאת דופן עם ביצועים ליניאריים מאד והשתנות עוצמה נמוכה מאד.

לפרטים נוספים:

איש קשר: שלומי בינדר shlomi.binder@mti-group.co.il 054-6488386.

חברת Rosenberger גרמניה, יצרנית מחברי RF ומיקרוגל מהמובילות בעולם פיתחה test port למעגלי RF ומיקרוגל שהוא למעשה מתג זעיר אשר יכול להיות מורכב על כל קו במעגל המודפס. המצב הרגיל שלו הוא normally close שמאפשר תפקוד רגיל של קו התמסורת. כאשר מוחדר הגשש (test probe) המתג נפתח ומאפשר בדיקת הסיגנל באחד מצידי המתג. כיוון הרכבת המתג קובע איזה צד של קו התמסורת ייבדק. המתג עובד עד 6GHz ומחירו נמוך מאד. ניתן לרכוש בתפזורת וב tape and reel. המתג פותר הרבה בעיות של בדיקה בתוך המעגל ללא צורך בניתוק קווים ובאלתורים למיניהם.

לפרטים נוספים באתר החברה www.akoninc.com ואצל עדי פלג adi.peleg@mti-group.co.il, 054-4902516.

חברת Rosenberger גרמניה, יצרנית מחברי RF ומיקרוגל מהמובילות בעולם פיתחה סדרת מוצרים חדשה כדי לענות על האתגרים הטכניים בתעשיית ציוד הבדיקה לחצאי מוליכים. כבלי RF ומיקרוגל ומחברי RF ומיקרוגל ל PCB של חברת Rosenberger ניתנים לשימוש במגוון רחב של תצורות על מנת לענות על דרישות הצפיפות והתדרים של מערכות בדיקה לחצאי מוליכים:

–    Multiport MiniCoax Connectors, with 2, 4, 6, and 8 channels

Multiport Coaxial Pogos, with 2 and 4 channel

לפרטים נוספים באתר החברה www.akoninc.com ואצל עדי פלג adi.peleg@mti-group.co.il, 054-4902516.

נתחי אותות מחויים (Swept) ומבוססי FFT

מאת: ג'ון ס. האנס, מהנדס יישומים בכיר Agilent Technologies

מערכות רדאר מודרניות מבוססות פולסים משתמשות במאפיינים מתקדמים של צורות גל ומודולציה כדי להשיג רזולוציית טווח גדולה יותר, דיכוי משופר של clutter וזיהוי מטרות מעולה. ספציפית, ניתן להשיג שיפורי ביצועים באמצעות אותות רדאר עם פס רחב, מחזורי פעולה קצרים (low duty-cycle), ליניאריות גבוהה ומודולציה מתוחכמת. טבען של צורות הגל הללו מקשה על המדידה והסינתזה שלהן.

הבנת האופן בו סוגים שונים של מכשירים מגיבים לאותות הרדאר הללו הינה חיונית כאשר מתכננים מערכות רדאר בעלות ביצועים גבוהים ויעילים מבחינת עלויות. מאמר זה יסקור מספר גישות מדידה לאפיון התוכן הספקטראלי של אותות רדאר בעלי מחזורי פעולה קצרים ופס רחב.

הכלי הבסיסי לאפיון אותות רדאר הינו נתח הספקטרום או נתח האותות, המודד את תוכן ההספק של אותות רדאר כפונקציה של תדר. יכולת זו הינה חשובה מכיוון שפרופיל ספקטראלי שגוי מראה מספר בעיות שתוצאתן הספק מבוזבז ופליטה של אותות לא רצויים. נתחי ספקטרום מסורתיים משתמשים בארכיטקטורת swept-tuned כדי להשיג טווח דינמי גדול וטווחי מדידה רחבים [1].

התקדמות בעיבוד אותות דיגיטליים הביאה לשתי התפתחויות טכנולוגיות משמעותיות: 1) ההכללה של IFs דיגיטליים בנתחי ספקטרום מסורתיים מסוג swept-tuned, ו-2) הופעתם של נתחים מבוססי FFT (Fast Fourier Transform) כאלטרנטיבה לארכיטקטורה המסורתית של נתחי אותות. הכללתם של IFs דיגיטליים בנתחי ספקטרום מסורתיים שיפרה בצורה משמעותית את הדיוק, חזרתיות (repeatability) והמהירות של המכשירים הללו. נתחי אותות מבוססי FFT מספקים יכולת חסרת תקדים של ניתוח מודולציה ויכולה להוביל למדידות מהירות הרבה יותר במקרים מסוימים, אך מדידות הרבה יותר איטיות כאשר תופרים יחד סגמנטים רבים של FFT כדי ליצור הצגה של נתונים.

בחירת הגישה האופטימאלית למדידה דורשת ידע מסוים ביכולות המכשיר והאות הנבדק. כדי להבין איך ארכיטקטורת המכשיר משפיעה על היענות התדר, מהירות המדידה והטווח הדינמי המוצגים, תבוצע השוואה של ההיענויות הספקטראליות של צורת גל רדאר בעל מחזור פעולה קצר ופס רחב באמצעות טכניקות ניתוח מסוג swept-tuned ומבוססות FFT. למרבה המזל, מספר נתחי אותות כמו ה- Agilent N9030A PXA כוללים יכולות swept-tuned ו-FFT המאפשרות השוואה ישירה של שתי הטכניקות הללו באותו המכשיר. בנוסף, מספר נתחי אותות יכולים לשמש כנתח אותות וקטורי למדידות של פרופילי פאזה, מודולציה, ניתוח ארעי וספקטרוגראמות.

אותות רדאר משוננים (Chirped Radar Signals)

רדאר מבוסס פולסים משדר סדרה פריודית של פולסים צרים ומקבל הדי מטרה בין הפולסים במהלך זמן אי הפעולה של המשדר. טכניקות דחיסת פולסים באמצעות צורות גל LFM (linear frequencymodulated) או "משוננות" (chirped) יכולות לשפר את רזולוציית הטווח עם הספק שידור ממוצע גבוה יותר באופן יחסי בהשוואה לצורות גל בעלות פולסים צרים הפועלות בטווח תדרים אופרטיבי דומה[2]. בין אם זה מושג על ידי ישום צורות גל מבוססות פולסים או משוננות, הגדלת רזולוציית הטווח והטווח הברור דורשת רוחב-פס רחב וצורות גל בעלות מחזורי פעולה קצרים בהתאמה. השילוב של טווחי תדרים רחבים ומחזורי פעולה קצרים יוצר אתגרי מדידה ייחודיים, שכן יש סבירות נמוכה יותר לקלוט את סוגי האותות הללו במהלך מדידה טיפוסית.

מדידות רדאר משוננות בערוץ רחב-פס באמצעות נתחי Swept-tuned

כדוגמה, תרשים 1 מציג את היענויות התדר הנמדדות של אות משונן רחב פס עבור סטיית תדר של 80 מגהרץ עם רוחב פולס של 2 מיקרו שנייה ומשך זמן של 20 מיקרו שנייה, למרות שנתחי האותות של היום יכולים לנתח בקלות אותות רדאר משוננים של 1 גיגה-הרץ. שתי המדידות המוצגות בתרשים זה נרשמו באמצעות שימוש בנתח swept-tuned המאורגן עם זמני sweep שונים כדי להשוות את ההשפעות של קונפיגורציית המכשיר על צורות גל בעלות מחזורי פעולה קצרים. המדידה שבצד שמאל בוצעה באמצעות נתח שזמן הsweep שלו נקבע אוטומטית ל1 מילי שנייה. במקרה זה, זמן הsweep של הנתח הינו מהיר מדי לקליטה של כל האנרגיה הספקטראלית בצורת הגל. אנרגיה ספקטראלית נרשמת כל 20 מיקרו שניות במהלך הsweep, אולם דבר לא נרשם כאשר הsweep עובר מפולס לפולס. מכיוון שנתחי swept-tuned מודדים בצורה רציפה את האותות במהלך sweep, הפולסים הפריודיים הללו מופיעים כרכיבי אנרגיה של תדר אינדיבידואלי עם מרווח שווה. לאלה מתייחסים לעיתים קרובות כקווי PRF (pulse repetition frequency). שים לב שהאותות הללו אינם בעלי משמעות ספציפית של תחום תדרים ויזוזו עם כל sweep [2]. כדי למדוד את התוכן הספקטראלי המלא של צורת הגל המשוננת, יש להקטין את מהירות הsweep של הנתח כך שהפולס יתרחש בכל "דלי" (bucket) או נקודת מדידה של הsweep.

בדוגמה זו, זיהוי שיאים (peak detection) היה מופעל וזמן הsweep הוגדל ל-100 מילי שניות. הספקטרום המשונן הרצוי הינו התוצאה המוצגת מימין בתרשים 1.

תרשים 1. אות רדאר משונן של 80 מגהרץ שנמדד כפונקציה של זמן sweep על נתח הספקטרום PSA של Agilent במצב swept-tuned). ה-RBW (resolution bandwidth) היה 3 מגהרץ בשתי המדידות.

מדידות רדאר משונן רחב-פס באמצעות נתחי ספקטרום מבוססי FFT

מדידת אותה צורה משוננת (chirp) באמצעות נתח ספקטרום מבוסס FFT הינה פחות אופטימאלית. הסיבות לכך קשורות לאופן בו נתח ספקטרום מבוסס FFT מבצע sweeping או מדידה על פני span הגדול מטווח תדרי מדידת ה-FFT של המכשיר. ביסודו של דבר, הנתח חייב למדוד את הספקטרום מקטע אחר מקטע ולאחר מכן לשרשר או "לתפור" את התוצאות. עבור ניתוח טווחי תדר רחבים, זה אף יכול להיות מהיר. גישה זו עובדת בצורה סבירה עבור אותות רציפים אולם הינה פחות אפקטיבית עבור אותות מבוססי פולסים – עקב יעילות המדידה. הזמן הנדרש על ידי הנתח להתכוונן מחדש בין כל מקטע של הספקטרום הרצוי הינו ארוך ביחס לזמן הקצר בו נתונים נדגמים עבור כל חישוב FFT. התוצאה  הינה סבירות נמוכה של קליטת האות, במיוחד עבור אותות עם מחזורי פעולה קצרים.

בדוגמת הנתח swept-tuned, זמן הsweep הואט על מנת להגדיל את מספר הפעמים בהם נקלטה אנרגיית הפולסים במהלך הsweep. התוצאה הייתה מבט טוב יותר על האות כמוצג בתרשים 1. יחד עם זאת גישה זו לא תעבוד עם נתח ספקטרום מבוסס FFT מכיוון שייתכן שאפילו אין לו בקרת זמן sweep. אם יש לו כזו אין זה אותו הדבר אף על פי שהוא עשוי לדמות בקרת sweep קונבנציונלית.

גישה חלופית לשיפור מדידות RF מבוססות פולסים אשר עובדת עם נתח ספקטרום מבוסס FFT הינה להקטין את הגדרת ה-RBW. עם הקטנת ה-RBW המדידה מאיטה ובכך מגדילה את ההסתברות של הקליטה. אם ערך ה-RBW מוקטן דיו, החמצת אות אינה יותר סוגיה מכיוון שהנתח רואה את הרכיבים הספקטראליים של האות כצורות גל רציפות אשר סכומן יוצר את האות מבוסס הפולס.

עם ערך RBW צר, נתח הספקטרום מבוסס ה-FFT בעצם הופך ליעיל יותר במדידת ספקטרום לעומת נתח swept-tuned עם ערך RBW צר שווה ערך, למרות העובדה שהנתח עדיין חייב "לתפור" יחדיו את הספקטרום ממספר מקטעי FFT מחושבים. למשל, הזמן הנדרש למדידת 140 מגהרץ של ספקטרום עם RBW של 1 קילוהרץ הינו 3.3 שניות ב-PXA במצב FFT. בכל זאת, הקטנת ה-RBW כדי למדוד אות RF מבוסס פולס גוררת עלויות בצורת מהירות המדידה והטווח הדינמי.

תרשים 2 מציג מדידה של אותו רדאר משונן שנמדד בתרשים 1, הפעם תוך שימוש במצב FFT של נתח הספקטרום PXA של Agilent וערכים שונים של RBW. עם ערך ברירת המחדל של ה-RBW קבוע ל-3 מגהרץ, המדידה הינה לא סדירה. על ידי הקטנת ה-RBW ל-1 קילוהרץ אנו יכולים למדוד את הספקטרום. יחד עם זאת, עתה המדידה לוקחת 3.3 שניות לעומת 30 מילי שניות עבור המצב swept-tuned המוצג בתרשים 1. בנוסף, הקטנת ה-RBW אף מגדילה את כמות ביטול הרגישות (desensitization) של הפולס המסתיימת בטווח דינמי מוקטן. כשמשווים את התרשימים, המצב swept-tuned משיג כ-15 dB יותר טווח דינמי לדוגמה זו. הסבר של ביטול הרגישות (desensitization) של הפולס ניתן למצוא ב- Radar Measurements Application Note של Agilent [2].

תרשים 2. אות רדאר משונן 80 מגהרץ אשר נמדד באמצעות ה- Agilent PSAבמצב FFT כפונקציה של ה-RBW של המכשיר. בקרת זמן sweep אינה זמינה במצב FFT.

מדידות אות רדאר משונן באמצעות נתח אותות וקטורי – VSA (Vector Signal Analyzer)

כפי שהוצג בדוגמאות הקודמות, נתח מבוסס FFT כולל מגבלות כאשר span ו/או האות הרלוונטי מתפרשים מעבר לתחום התדרים של הניתוח (תחום תדרי ה-FFT) של הנתח. יחד עם זאת, עבור אותות הנמצאים בתחום תדרי הניתוח של המכשיר, נתח אותות מבוסס FFT יכול לספק ניתוח עשיר כאשר הוא מיושם כנתח אותות וקטורי.

ניתוח מודולציה הינו אפשרי מכיוון שנתח אותות וקטורי מודד את הגודל וגם את הפאזה של הסיגנל לאורך זמן ותדר. תרשים 3 מציג את האמפליטודה, הפאזה והיענות התדר עבור אות רדאר משונן כפונקציה של זמן הנמדדת סימולטנית באמצעות תוכנת ה- Agilent 89601A VSAהמחוברת לנתח הספקטרום PSA של Agilent.

תרשים 3. מדידות תדר,זמן ופאזה באמצעות תוכנת ה-VSA ונתח הספקטרום PSA של Agilent.

הביצועים של נתח אותות וקטורי נקבעים בעיקר על ידי היכולות של הדיגיטייזר שלו [2]. למשל ה- Agilent PXA משתמש בדיגיטייזר של 400 MSa/sec עם 14 ביטים של רזולוציה עבור 140 מגהרץ של תחום תדרי  ניתוח וטווח דינמי נטול עיוותים של  75 dBc.

ניתן להשיג תחומי תדרים רחבים יותר על ידי שימוש בנתח אותות וקטורי UWB (ultra-wideband) כגון ה- Infiniium DSO90000A Series oscilloscope-based VSAשל Agilent. הנתח DSO90000A דוגם ב-40 GSa/s עם 8 ביטים של רזולוציה ולכן מסוגל לתמוך בתחומי תדרי ניתוח של עד 13 גיגה הרץ (למרות שהוא מציע פחות טווח דינמי מאשר ה-PXA). זה עשוי להיות מאוד מועיל לניתוח צורות משוננות רחבות פס כגון הצורה המשוננת בת ה-1 גיגה הרץ שהוצגה בדוגמאות הקודמות. במקרה זה, האוסילוסקופ משתמש באותה תוכנת VSA בה משתמש ה-PXA. מכיוון שהאוסילוסקופ דוגם ב-40 GSa/s, הוא יכול למדוד את אות רדאר ה- X-Bandהזה ישירות בלי צורך בהמרה כלפי מטה (down conversion, ראה תרשים 4).

תרשים 4. מדידות תדר,זמן ופאזה של אות רדאר משונן בן 1 גיגה הרץ באמצעות תוכנת ה-VSA והאוסילוסקופ מסדרה DSO90000A של Agilent.

מסקנה

נתחי אותות משתמשים בגישות שונות למדידת הספקטרום של אותות. לכל גישה יש יתרונות ומגבלות משלה. השינויים הללו הינם גלויים ביותר וקריטיים כאשר מודדים אותות מבוססי פולס רחבי פס כגון רדאר. היתרונות והחסרונות מסוכמים בטבלה 1. מכשירים המתפקדים כנתחים swept-tuned, נתחי FFT ונתחי אותות וקטוריים כגון נתחי ה-PSA, PXA ו-MXA של Agilent, מספקים ביצועים ויכולות אופטימאליים בלי קשר למאפיינים של האות הנמדד.

מידע נוסף אודות מדידות עבור רדאר ניתן למצוא ב- Radar Measurements Application noteשל Agilent שהוזכר קודם לכן. ניתן להזמין מסמך זה מ-www.agilent.com/find/radarprogram או להורידו מ-www.agilent.com/find/ad.

סימוכין

[1] Agilent Application Note 150, “Spectrum Analyzer Basics”, Literature number 5952-0292.

[2] Agilent Application Note, “Radar Measurements”, Literature number 5989-7575EN.

[3] Agilent PSA Series High Performance Spectrum Analyzers, Literature number 5980-1283E.

[4] Agilent Application Note 150-2, “Spectrum Analysis – Pulsed RF”, Literature number 5952-1039.

סיכום ביצועים

טבלה 1. טבלת סיכום המשווה ביצועים ויכולות של נתחי אותות swept-tuned לעומת נתחי אותות מבוססי FFT

הערה: מסמך זה פונה לגברים ולנשים כאחד ומנוסח בלשון זכר מטעמי נוחות בלבד.

מאת: מוריי ראמני והירושי יאנאגאווה AGILENT

פריסה מוצלחת של 3GPP LTE (Long Term Evolution) תלויה בצורה משמעותית בתאימות ובפעולה אפקטיבית בין האלמנטים השונים של המערכת. בדיקות תאימות מבטיחות שהאלמנטים הללו עונים על רמת מינימום של ביצועים כפי שהוגדר במפרטי ה-GPP3. עבור תחנות בסיס LTE, בדיקות התאימות מתמקדות בשיטות בדיקת RF ודרישות תאימות עבור תחנות בסיס הפועלות במצב FDD או TDD.

ממשק האוויר LTE, המורכב והגמיש, תומך באפשרויות רבות של פורמט מודולציה (QPSK, 16QAM and 64QAM), טווחי תדרים (FDD ו-TDD), הקצאות משאבים וניידות. התוצאה הינה שמספר הפרמוטציות של תצורות ה-RF שניתן לבדוק הוא עצום. בבחירת התצורות עבור בדיקות ההתאמה של LTE RF, הושקע מאמץ ניכר על ידי ה-3GPP לזהות את הצירופים הללו של פרמטרים המייצגים את תנאי הפעולה הקשים ביותר כך שכאשר מוצר עובר את הבדיקות בהצלחה, מהנדס התכנון יכול להיות בטוח במידה סבירה שההתקן יתפקד בצורה משביעת רצון בהרבה יותר צירופים מאלה שנבדקו בפועל.

מבנה בדיקות ההתאמה של תחנות בסיס
בדיקות תאימות ה-RF של תחנות בסיס ממלאות אחר פורמט תקני אשר כולל את הכותרת; ההגדרה של הפרמטר הנבדק והישימות של הבדיקה לכל או חלק מהציוד; דרישת התאמה מינימאלית עם התייחסות לתת הסעיף של מפרט הליבה של 3GPP, אשר מגדיר את דרישת המינימום; ומטרת הבדיקה.

בעוד שמטרת הבדיקה עשויה להיראות ברורה מהכותרת של הבדיקה, מוצר עשוי לעיתים להצטייר כאילו נכשל בבדיקה מסיבות שאין להן ולא כלום עם מטרת הבדיקה. לעיתים בדיקות יוצרות תוצאות ביניים העשויות להיות משמעותיות לבדיקות אחרות. אף על פי כן, רק הפריטים הספציפיים הרשומים במטרת הבדיקה קובעים את תוצאת ה"עבר"/"נכשל" של בדיקת ההתאמה. מטרת בדיקה הכתובה בצורה ברורה מסייעת להבהיר מה חשוב ומה אינו חשוב, במיוחד כאשר דרישות מינימום נוספות שלא אמורים לבדוק מועתקות ממפרטי הליבה לתת הסעיף של דרישות התאמה מינימאליות.

בדיקות התאמה של תחנות בסיס עבור LTE הינן דומות ל-UMTS פרט לאזורים הללו של הבדיקות המושפעים על ידי המעבר לשימוש בשיטת מודולציה של OFDMA. בדיקות התאמת ה-RF של תחנות בסיס מוגדרות במפרט טכני 36.141 [1] TS של 3GPP ומבוססות על מפרט הליבה TS 36.104 [2]. ישנן שלוש קטגוריות עיקריות של בדיקות התאמה: מאפייני משדר, מאפייני מקלט ודרישות ביצועים.

מאפייני משדר
טבלה 1 מפרטת את מקרי המבחן של מאפייני משדר המוגדרים במפרט בדיקות ההתאמה. בדיקות אלה ממלאות במידה רבה של דיוק אחר התבנית מ-UMTS עם שינויים בעיקר עקב שימוש בטכניקות OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) ב-uplink של ה-LTE.הבדיקה של time alignment בין ענפי המשדר הינה חשובה במיוחד ל-LTE עקב השימוש הנרחב ב-transmit diversity, spatial multiplexing ו-beamsteering. נדרש time alignment של 65 ננו שניות, כמו במקרה של UMTS, המציין 1/4 צ'יפ (65 ננו שניות).

הייחוס של מבחן עוצמת האות של ה-downlink (TS 36.141 תת סעיף 6.5.4) הינו שווה הערך של מבחן דיוק ההספק CPICH (Common Pilot Channel) העיקרי מ-UMTS.

טבלה 1. בדיקות מאפייני משדר RF של תחנות בסיס
TS 36.141 subclause Test case
6.2 Base station output power
6.3.1 Resource Elements (RE) Power control dynamic range
6.3.2 Total power dynamic range
6.4.1 Transmitter OFF power
6.4.2 Transmitter transient period
6.5.1 Frequency error
6.5.2 Error Vector Magnitude (EVM)
6.5.3 Time alignment between transmitter branches
6.5.4 Downlink reference signal power
6.6.1 Occupied bandwidth
6.6.2 Adjacent Channel Leakage Power Ratio (ACLR)
6.6.3 Operating band unwanted emissions
6.6.4 Transmitter spurious emissions
6.7 Transmitter intermodulation

מאפייני מקלט

מקרי המבחן של בדיקות ההתאמה של מאפייני מקלט מפורטים בטבלה 2. ראוי לציון מבחן סלקטיביות ה-in-channel (תת סעיף 7.4). באופן ייחודי ל-OFDMA, הוא בודק את יכולת המקלט לשמור על קצב העברה ספציפי בהקצאה בצד אחד של ה-DC subcarrier כאשר ישנה נוכחות של אות גדול יותר בצד הנגדי. המבחן בודק נוכחות של עיוות IQ
(IQ distortion) במקלט והינו ההופכי של דרישת UE transmitter IQ image עבור פליטות in-band.

טבלה 2. בדיקות מאפייני מקלט RF של תחנות בסיס

TS 36.141 subclause Test case
7.2 Reference sensitivity level
7.3 Dynamic range
7.4 In-channel selectivity
7.5 Adjacent Channel Selectivity (ACS) and narrow-band blocking
7.6 Blocking
7.7 Receiver spurious emissions
7.8 Receiver intermodulation

דרישות ביצועים
טבלה 3 מפרטת את מקרי המבחן של בדיקות ביצועים של תחנות בסיס המוגדרות נכון לעכשיו ב-TS 36.141. שים לב שאלה מייצגים רק חלק מהדרישות המפורטות ב-TS 36.104 תת סעיף 8.
 
 
טבלה 3. בדיקות ביצועי RF של תחנות בסיס

TS 36.141 subclause Test case
8.2.1 Demodulation of PUSCH in multipath fading conditions
8.2.2 Performance requirements for UL timing adjustment
8.2.3 Performance requirements for HARQ-ACK multiplexed on PUSCH
8.2.4 Performance requirements for High Speed Train conditions
8.3.1 ACK missed detection requirements for PUCCH format 1a
8.3.2 CQI missed detection for PUCCH format 2
8.3.3 ACK missed detection for multi-user PUCCH format 1a
8.4.1 PRACH false alarm probability and missed detection

מודלים של בדיקות downlink
בדיקות ההתאמה של משדרי תחנות בסיס מבוצעות באמצעות תצורות downlink הידועות כ-E-TM (E-UTRA Test Models). קונספט זה הגיע בירושה מ-UMTS למרות שכל דמיון מסתיים בנקודה זו. משמעותו של הטבע הגמיש מאוד של תכנית מודולציית ה-OFDMA של ה-downlink היא שנדרש מספר גדול של פרמטרים כדי להגדיר במלואו אות כלשהו. בחינה של הגדרת ה-E-TM ב-36.141 תת סעיף 6.1.1 מראה בבירור עד כמה מורכב יותר מבנה אות ה-LTE הפך להיות.

מוגדרות שלוש קבוצות נפרדות של מודלי בדיקה: E-TM1, E-TM2 ו-E-TM3. לקבוצה הראשונה והשלישית יש בנוסף תת קבוצות. לכל מודלי הבדיקה יש את התכונות הבאות:

- מוגדר עבור פורט אנטנה יחיד, codeword יחיד, שכבה יחידה ללא precoding
- משך של frame יחיד (10 מילי שניות)
- תחילית מעגלית רגילה (normal cyclic prefix)
- בלוקי משאבים ווירטואליים לוקאליים, ללא intra-subframe hopping עבור PDSCH
- אותות ייחוס ספציפיים לתא בלבד; ללא שימוש באותות ייחוס ספציפיים ל-UE

תוכן הנתונים של ה-PDSCH נוצר מסדרה של אפסים המעורבלים תוך שימוש בקוד גולד באורך 31 בהתאם ל-
[TS 36.211 [3, דבר המבוצע גם עם אותות הייחוס ואותות הסנכרון הראשיים והמשניים. הערוצים הפיסיים PBCH, PCFICH, PHICH ו- PDCCHהינם כולם בעלי הגדרות מפורטות. לכל E-TM, כל אות פיסי וערוץ פיסי מוקצים לתוך הערוץ בהספק ספציפי היחסי להספק של אות הייחוס. ישנם שישה מיפויים שונים עבור כל E-TM כדי להתחשב בששת קצבי הנתונים השונים לערוץ. עבור ה-E-TMs אשר משתמשים בהגברת הספק (power boosting) או de-boosting, טבלה נוספת מפרטת עבור אילו רזולוציות קצב נתונים ישימים ה-power boosting/de-boosting כפונקציה של רוחב הפס של הערוץ.

כל E-TM מוגדר לשימוש ספציפי בהתאם לטבלה 4.

 
טבלה 4. מיפוי מודל בדיקות E-UTRA למקרי מבחן

E-TM Notes Test case
E-TM 1.1 Maximum power tests Output power, occupied bandwidth, ACLR, operating band unwanted emissions, transmitter spurious emissions, transmitter intermodulation, reference signal absolute accuracy
E-TM 1.2 Includes power boosting and de-boosting ACLR, operating band unwanted emissions
E-TM 2 Minimum power tests Total power dynamic range (lower OFDM symbol power limit at min power, EVM of single 64QAM PRB allocation (at min power), frequency error (at min power)
E-TM 3.1  Total power dynamic range (upper OFDM symbol power limit at max power with all 64QAM PRBs allocated), frequency error, EVM for 64QAM (at max power)
E-TM 3.2 Includes power boosting and de-boosting Frequency error, EVM for 16QAM
E-TM 3.3 Includes power boosting and de-boosting Frequency error, EVM for QPSK

תצורת E-TM3.3 של 3.5 מגהרץ נוצרת על ידי תוכנת יצירת האותות Signal Studio של Agilent, ולאות נוסף קיצוץ משרעת (amplitude clipping) על מנת להדגיש את האימפקט שיש לעיוות מסוג זה על EVM לעומת זמן לאורך ה-subframe. מדידה של אות זה באמצעות תוכנת נתח האותות הווקטורי A89601 של Agilent מוצגת בתרשים 1. השינוי ב-EVM לעומת זמן נראה ב-trace הימני העליון.

תרשים 1. ניתוח של E-TM3.3 עבור 5 מגהרץ
 
ערוצי ייחוס קבועים של uplink
בדיקות המקלט והביצועים של תחנת הבסיס של LTE מבוצעות תוך שימוש ב-FRCs (Fixed Reference Channels - ערוצי ייחוס קבועים) באופן הדומה ל-UMTS. ה-FRC של תחנת הבסיס הינו דומה ברעיון לערוצי הייחוס של המדידה בהם משתמשים בבדיקות UE. ברוב המקרים הם אותות single-ended אשר ניתן ליצור במחולל אותות ללא צורך במשוב זמן אמיתי כלשהו.

טבלה 5. פרמטרי FRC לדרישות ביצועים (64QAM 5/6) מ-TS 36.141 טבלה A.5-1

Reference Channel A5-1 A5-2 A5-3 A5-4 A5-5 A5-6 A5-7
Allocated resource blocks 1 6 15 25 50 75 100
DFT-OFDM Symbol per sub-frame 12 12 12 12 12 12 12
Modulation 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM
Code rate 5/6 5/6 5/6 5/6 5/6 5/6 5/6
Payload size (bits) 712 4392 11064 18336 36696 55056 75376
Transport block CRC (bits) 24 24 24 24 24 24 24
Code block CRC size (bits) 0 0 24 24 24 24 24
Number of code blocks – C 1 1 2 3 6 9 13
Coded block size including 12bits trellis termination (bits) 2220 13260 16716 18444 18444 18444 17484
Total number of bits per sub-frame 864 5184 12960 21600 43200 64800 86400
Total symbols per sub-frame 144 864 2160 3600 7200 10800 14400

הדוגמה של QAM64 המוצגת בטבלה 5 משתמשת בקצב קודים של 5/6, המיועד לבדיקת דרישות קצב ההעברה הגבוה יותר. עבור מקרה ה-100 RB של A5-7, ישנן 86,400 סיביות פר subframe של מילי שנייה אחת, כשזה מסתכם בקצב העברה מקסימאלי של 86.4 מגה-ביט לשנייה. דרישות ביצועי תחנת הבסיס שנמדדו תחת תנאי fading יתבססו על הגעה לאחוז מסוים מקצב ההעברה המקסימאלי תחת תנאים ספציפיים. דוגמה מתוך TS 36.141 טבלה 8.2.1.5-6 מראה כי מקלט eNB דו-ערוצי הפועל בערוץ A רגיל עם דופלר של 5 מגהרץ נדרש להגיע ל-70% מקצב ההעברה המקסימאלי של A5-7 FRC כאשר ה-SNR הינו מעל 19.7 dB.

מגבלות של בדיקות התאמה
עבור כל טכנולוגיה מבוססת-תקנים, המטרה של בדיקות התאמה היא להבטיח שכל ההתקנים - תחנות בסיס וציוד משתמש - יקיימו רמה מינימאלית של ביצועים. אף על פי שהרשימות של בדיקות התאמה עשויות להיראות גדולות, עדיין יש צורך בבדיקות אחרות. למשל, חקירה יסודית יותר של performance margins הינה חשובה מכיוון שבדיקות התאמה מספקות תוצאות עבר/נכשל ללא ציון מידת הקרבה של המוצר לגבול ספציפי. בדיקות התאמה של LTE הינן מתוכננות בעיקר להבטיח שמנגנוני התעבורה שבבסיס הרשת הינם במקומם כדי לבצע שירותים של משתמשי קצה, כך שברמה גבוהה יותר תידרשנה בדיקות של יישומים. בדיקות operator acceptance הינן שלב נוסף בתהליך וכוללות בדיקות נוספות המתמקדות במשתמש. לכן בדיקות התאמה הינן שלב חשוב וחיוני בכיוון של פריסה מוצלחת של מערכת חדשה, אך בשום פנים אין הן ההתחלה או הסוף של תהליך הבדיקות.

אודות המחברים

מוריי ראמני (Moray Rumney)
מוריי ראמני הצטרף ל- Hewlett-Packard/Agilent Technologiesב-1984 לאחר השלמת תואר בוגר במדעים (BSc) באלקטרוניקה מ- Heriot-Watt Universityשבאדינבורו. מאז, מוריי נהנה מקריירה מגוונת שכללה הנדסת ייצור, פיתוח מוצר, הנדסת יישומים ולאחרונה שיווק טכני. המיקוד העיקרי שלו הינו הפיתוח ותכנון המערכת של אמולטורי תחנות בסיס המשמשים לפיתוח ובדיקות של טלפונים סלולאריים. מוריי הצטרף ל-ETSI ב-1991 ול-3GPP ב-1999 בהם הוא תרם תרומה משמעותית לפיתוח של בדיקות אישור דגמים ל-GSM ו-UMTS. כעת הוא מייצג את Agilent ב-RAN WG4, מפתח את הממשק האווירי עבור HSPA+ ו-LTE. מוריי פרסם מאמרים טכניים רבים בתחום של תקשורת סלולארית והינו נואם קבוע ויושב ראש בוועידות של התעשייה. הוא חבר ב-IET ומהנדס מוסמך.

הירושי יאנאגאווה (Hiroshi Yanagawa)
הירושי יאנאגאווה קיבל תואר בוגר במדעים (BSc) בהנדסת תקשורת מ-Shibaura Institute of Technology, יפן ב-1985. לאחר מכן הוא הצטרף ל-Hewlett-Packard/Agilent Technologies והחזיק במשרות שונות בתחום ההנדסה במשך 23 השנים האחרונות. הירושי עבד כמהנדס שיווק עבור מכשירי מדידות עכבה (impedance) במשך חמש שנים ואז עבר להנדסה של פתרונות custom. במהלך זמן זה הוא פיתח מערכות בדיקה של תחנות בסיס ומכשירים סלולאריים אנלוגיים ודיגיטליים כמהנדס מערכת. עתה הוא מתכנן מערכת בדיקות לאימות תכנוני LTE.

סימוכין

[1] 3GPP TS 36.141 V8.1.0 (2008-12) Base Station (BS) Conformance Testing
[2] 3GPP TS 36.104 8.4.0 (2008-12) Base Station Radio Transmission and Reception
[3] 3GPP TS 36.211 V8.5.0 (2008-12) Physical Channels and Modulation

הערה: מסמך זה פונה לגברים ולנשים כאחד ומנוסח בלשון זכר מטעמי נוחות בלבד.