אלון גולן, איסטרוניקס
האפשרות לניתוח ספקטרום בזמן אמת הפכה בשנים האחרונות לתכונה נדרשת למדי, המסייעת ללכידה של אירועים, שקודם לכן מעולם לא הייתה אפשרות לראותם. הטכנולוגיה הופיעה בשוק כדי לעזור בזיהוי אותות שמופיעים למשך פרקי זמן קצרים מאוד בתוך רוחב פס נתון, כמו אותות רדאר בפולסים או אותות בדילוגים [hopping], אך המטרה העיקרית של ניתוח ספקטרום בזמן אמת היא ללכוד אותות בעלי הסתברות גילוי של 100% בתוך רוחב פס מוגדר של ספקטרום או באזור שלו.
כדי להשיג את המטרה הזו, יש לחשוב על ניתוח ספקטרום באופן שונה. באופן מסורתי נתחי ספקטרום סורקים את הספקטרום, בוחנים את החלקים הקטנים של הספקטרום בזה אחר זה, לוכדים אותם ויוצרים בתום התהליך תמונה שלמה על פני זמן. לדוגמה, השלמתה של סריקה מ–100 מגה-הרץ ל-6 ג’יגה-הרץ תימשך זמן מה, מפני שעבור כל נקודת תדירות שאותה נדרש לחקור, לנתח יהיה צורך בזמן סופי כלשהו כדי שהמסנן יתייצב בטרם יהיה מוכן לדגום את האות, ובכך למנוע עיוותים. לכן, ניתן לומר שנתח ספקטרום סורק רגיל, אף אם זמן הסריקה מהיר באופן יוצא דופן, יהיה “עיוור” בחלק מזמן הסריקה.
נתח הספקטרום הסורק
נתח הספקטרום הסורק עבר פיתוחים רבים, למשל השימוש במסנני התמרת פורייה מהירה [FFT] כדי להקטין את הזמן הנדרש להתייצבות המסנן. שימוש זה משפר באופן משמעותי את זמן הסריקה של הנתח ומקטין את משך הזמן שבו הוא “עיוור”, על מנת להבטיח שניתן יהיה ללכוד גם אותות מעבר קצרים ביותר.
בין היתרונות של נתחי הספקטרום הסורקים אפשר למנות את היכולת שלהם לסרוק כמויות גדולות של ספקטרום במרחב זמן קצר ולהשתמש במבחר מגוון של סוגי גלאים (כגון RMS, AV2, PEOK). בנוסף אפשר להשתמש בהם עבור יישומי ת”ר [RF] רבים, לרבות חיפוש אותות מדומים [spurious] וחיפוש הרמוניות על פני ספקטרום רחב, במאמץ ובזמן עיבוד מינימליים.
עובדה ידועה נוספת היא שביצועי הת”ר של הנתחים הסורקים, בדרך כלל טובים יותר בהרבה מאשר נתחי זמן אמת שווי הערך שלהם, והם מספקים ביצועים משופרים מבחינת הטווח הדינמי, הרגישות וביצועי רעש הפאזה, שכולם טובים יותר. בהיותם “נתחים סורקים” האנשים בשוק עודם צריכים לקבל את העובדה ש”נתח זמן אמת שווה הערך “ מסוגל להחליף באופן מלא את שיטות הסריקה המסורתיות עבור רוב היישומים.
נתח הספקטרום לזמן אמת
בהשוואה לנתח ספקטרום סורק, נתח זמן אמת פועל בדרך שונה לחלוטין. הנתח מכוון לתדירות מרכזית נתונה ודוגם מהר מספיק כדי לעמוד בדרישות Nyquist, על מנת להקטין את תופעת קיפול התדרים [aliasing] שגורמת לעיוותים במדידות. המטרה היחידה של נתח זמן אמת היא ללכוד כל אירוע ברוחב פס מוגדר. אם המשתמש מעונין ללכוד ספקטרום רחב יותר מאשר רוחב הפס של המנוע לזמן אמת, הנתח יהיה חייב ללכוד בלוקים מרובים של נתונים כדי להרכיב את הספקטרום השלם. מסיבה זו מהירות הסריקה באזור ספקטראלי רחב מוקטנת באופן משמעותי.
בעולם של ניתוח ספקטרום, המשמעות של זמן אמת, אינה רק לעמוד בדרישות משפט הדגימה של Nyquist [Nyquist Sampling Theorem], אלא גם להבטיח שלא תאבד פיסת מידע כלשהי בזמן הנדרש לעיבוד הנתונים. נתח זמן האמת דוגם נתונים ברצף, ובמקביל מחשב את המרת פורייה, שממיר את הנתונים שנדגמו במישור הזמן, להצגה שלהם במישור התדר. תהליך העיבוד של המרת פורייה מתבצע מהר מספיק כדי לאפשר חפיפה בין תחומי ההמרה של המרת פורייה לבין עצמם, בכך מבטיח שלא יאבדו נתונים כלשהם במישור הזמן ומוודא שיתקיים דיוק של 100% עבור ההספק של כל אות שנלכד.
דגימה רציפה ועיבוד FFT בזמן אמת של רצף הנתונים הנכנס מבטלים את זמן העיוורון ומבטיחים גילוי של כל אירוע ואירוע. בעולם אידיאלי, המשתמשים זקוקים לפונקציונליות מלאה ולביצועי ת”ר של נתח ספקטרום סורק, עם היכולת הנוספת של ביצוע עיבוד בזמן אמת. על אף שקיים בשוק ציוד שהוא בחלקו לזמן אמת, בדרך כלל המקרה הוא שקיימים כמה מצבי עבודה לזמן אמת, אך לא ניתן להשתמש בהם בו בזמן עם מצבי עבודה אחרים.
נתח הספקטרום לזמן אמת FSVR שהוצג בשוק לא מכבר על ידי חברת
Rohde and Schwarz [R & S] מבוסס על נתח הספקטרום FSV, שהוא נתח הספקטרום הסורק המהיר ביותר שתוכן אי פעם (1,000 סריקות בשנייה בשליטה מרחוק). במצב סריקה, המשמעות היא שהוא הרבה פחות “עיוור” מנתחים אחרים, אך כעת נוספה לו הפונקציונליות של מצב זמן אמת. בעזרת נגיעה יחידה בלשונית היישום שעל ממשק מסך המגע של הנתח FSVR של R & S, המשתמש יכול לעבור מפס צר של חיפוש הפרעות של תופעות מעבר בפרקי זמן קצרים לחיפוש בפס רחב על פני אזורים רחבים של ספקטרום.
חשוב להבין שעל מנת שנתח ספקטרום מסורתי יוכל לבצע מדידות על אותות מאופננים, הוא חייב לבצע “דגימה בזמן אמת” של הנתונים שלו, כדי לבצע את תהליך העיבוד. אנו נוהגים לכנות זאת “זמן אמת לא–מקוון”, ולכן אפשר לסווג את כל נתחי הספקטרום כמכשירים המשמשים למדידות זמן אמת. אך עם זאת, המיוחד בנתח FSVR הוא יכולתו לבצע את תהליכי העיבוד של הספקטרום שלו במצב “זמן אמת מקוון” והמשמעות היא שאין הוא מחטיא פריטי מידע בזמן שהוא מעבד את הנתונים.
כתוצאה מכך הפך הנתח FSVR לנתח הספקטרום הראשון והיחיד שנמצא בשוק ושניתן להפעילו במצב ספקטרום תמידי, ובה בעת משתמש הן בעירור מסכת תדר [Frequency Mask Trigger] והן בספקטרוגרמה [Spectogram]. התוצאה המתקבלת היא היכולת – זו הפעם הראשונה בניתוחי ספקטרום – להשתמש בו זמנית בעירור מסכת התדר כדי ללכוד ולהציג התמדה ובספקטרוגרמה על פני זמן.
הספקטרוגרמה בזמן אמת של FSVR מקצה צבע למשרעת [אמפליטודה] של האות, ומאפשרת את הצגת הספקטרום על פני זמן בעזרת קו אופקי יחיד על המסך. הספקטרוגרמה נוצרת על ידי הוספה רציפה של קווים אופקיים, כך שבמהלך פעולה בזמן אמת, הספקטרוגרמה מספקת תמונה ללא פערים של ספקטרום התדר על פני הזמן. במצב זה הנתח FSVR לוכד ומבצע רישום בזיכרון עם עומק שמספיק לשמירה של עד 100,000 עקבות. בתלות בקצב העדכון שנבחר, הנתח FSVR של R & S יכול למדוד ברציפות במשך פרק זמן שמגיע עד חמש שעות.
בין יכולות הנתח FSVR אפשר למנות: יכולת לבצע סריקה של 30 ג’יגה הרץ ב-160 מילי שניות בלבד (לנתח FFT נדרשות כמה שניות כדי לבצע את המשימה הזו) ובמצב זמן אמת; יכולת לבצע לכידה חלקה וללא תקלות של רוחב פס של 40 מגה הרץ בקצב דגימה של 128 מגה הרץ, וחישוב של 250,000 חישובי FFT בשנייה. את כל היכולות האלו הוא מבצע בחומרה, תוך שימוש בהתקני FPGA כדי לחשב את FFT, ומספק חפיפה של 80% מינימום בין חלונות FFT.
פונקציונליות זמן האמת פועלת עד 110 ג’יגה הרץ ומשתמשת בערבלים חיצוניים של R & S כגון FS-Z110. יכולת זמן אמת זו בתדרים גבוהים כל כך מופיעה לראשונה בעולם של בדיקות ומדידות.
זמן אירוע מינימלי של אות עבור גילוי של 100% הוא רק 23.9 מיקרו שנייה. אך עם זאת, הנתח יכול לראות אירועים של כמה מאות ננו שניות בלבד, כאשר לא נדרש דיוק הספק. כאשר הוא משמש עם עירור מסכת תדר, ניתן להשתמש בו כדי לעורר אירועים קצרי זמן במיוחד במישור התדר, ולאחר מכן להציג מחדש את מה שאירע בספקטרום שסביב הזמן שבו ארע האירוע.
כמו כל נתחי הספקטרום של
Rohde & Schwarz, גם הנתח FSVR מציע באופן סטנדרטי טווח נרחב של פונקציות מדידה, כולל הספק ערוץ סמוך, מסכת פליטה בספקטרום, נקודת מפגש מסדר שלישי [T.O.I.], פונקציה פיזור מצטבר סטטסטי [CCDF] ומדידות פליטה מדומה, ספרת רעש ורעש פאזה, והוא כולל יכולות ניתוח מהשורה הראשונה עבור תקנים אלחוטיים כגון Wireless LAN, WiMAX ו-LTE.
מסקנה
השילוב של נתח ספקטרום סורק אמיתי עם הכוח והיכולת שמאפשרים לו לעבור למצב של ניתוח זמן אמת, הוא הטוב ביותר הקיים בשני העולמות של ניתוח ספקטרום. היכולת שלו להתביית על אותות הפרעה קצרי זמן ביותר המופיעים לסירוגין או לנתח רצפי דילוג במצב עבודה אחד, כאשר הוא מאפשר את קיומה של הגמישות לסריקת הפס כולו בזמן סריקה שיא, היא הראשונה בתעשייה ומהווה צעד חשוב לעבר איחוד הטכנולוגיות האלו יחד.
שתי השיטות לניתוח ספקטרום חשובות, מבטיחות שלעולם לא תהיה עיוור להפרעות לסירוגין, בשעה שיש לך כלי מעבדה קל לשימוש עבור כל אחד, לביצוע ניתוח מפורט או לביצוע מדידות למטרה כללית.
* נתח הספקטרום FSV זכה בפרס המוצר לשנת 2009 לתכנון ובדיקה על ידי Electronics Weekly Elektra.
