ביט הונה, Agilent Technologies
נראה כי ספקי מערכות תקשורת באיכות גבוהה, מבוססות לווינים, מתמודדים עם ביקוש רב לשירותים חדשים, יכולות חדשות וקיבולת גדולה יותר של נתונים. כתוצאה מכך, מתכנני המערכת מאלצים את החומרה התומכת בתקשורת לפעול ברוחבי פס (bandwidths) גדולים יותר ובתדרי גל נושא (Carrier Frequencies) גבוהים יותר או שניהם גם יחד.
במשך שנים, רוחב פס של 1 סיפק תנאי מרחב מספקים עבור מגוון רחב של שירותים. כיום, לעומת זאת, הצורך להעביר כמות נתונים רבה יותר בפחות זמן דוחף את רוחבי פס האפנון עד ל- 2 או, במקרים מסוימים, עד ל- 5. בנוסף, רוחבי פס אלו חייבים להיות זמינים בתדרי גל נושא גבוהים יותר.
שינויים אלו מציבים אתגרים למתכננים, ולהם השלכות ניכרות על הבדיקות והניתוח של מערכות תקשורת, תת-מערכות ורכיבים. כפי שנראה בהמשך, ציוד הבדיקה הנדרש חייב לספק כיסוי תדר מספק ורוחב פס ובנוסף יכולות אפנון וגילוי.
איור 1. מערך בדיקות למקלט ומשדר הכולל AWG, Upconverter ,Spectrum Analyzer ו- Wideband Oscilloscope.
איור 2. שימוש ב- Error Vector Magnitude -EVM, כאינדיקטור מרכזי של ביצועי המערכת. במדידה שבדוגמא הוא פחות מאחוז אחד.
האתגרים הצפויים
הגלובליזציה המתבטאת ב”מידע בכל מקום ובכל עת” יכולה לאתגר ויחד עם זאת התרחישים המתבצעים הם שכיחים. לדוגמה, קל לדמיין שידור וידאו שמקורו בטלפון נייד מיפן הנקלט על ידי הצופה באירופה או בצפון אמריקה. האתגרים אינם מוגבלים ליישומים מסחריים: מערכות תקשורת צבאיות צפויות להתמודד עם כמות מידע רבה יותר בפחות זמן, והתקשורת חייבת להעשות באופן אמין ומאובטח.
על פני תרחישים אלה, מערכות אלו יכולות להתבסס על אפנון תקני (למשל, WCDMA, WiMAX), גרסאות מיוחדות המבוססות על אותו תקן או אפנון קנייני מלא (Fully Proprietary Modulation Schemes). מערכות תקשורת רחבות פס יכולות לספק אבטחה וחסינות משופרים מפני התערבות חיצונית באמצעות שימוש בטכניקות אפנון דיגיטליות.
איור 3. אות בעל 1000 בתמונה משמאל מספק הספק in-band גבוה יותר ולכן הדיוק גדל יחסית למדידת אות בעל 100 בתמונה מימין.
התמקדות במערכות תקשורת מבוססות לוויין
מכיוון שלוויינים רבים כל כך נמצאים במסלול, הגישה היעילה והחסכונית ביותר היא לשנות את התשתית הקיימת. ניתן לעשות זאת עם טכניקות אפנון חדשות המאפשרות קצבי נתונים גבוהים יותר ולהרחיב את קיבולת המערכת הכוללת. כדוגמה, באמצעות 16-QAM ו- 1 Gsymbol/s ניתן לספק קצב נתונים של
4.
החלופה היא שיגור לווין חדש או יותר לוויינים חדשים. לווין חדש בחלל מציג קבוצה נוספת של אתגרים, במיוחד בדרישה להבטיח פעולה הדדית בין קישורי תקשורת (Communication Links) חדשים וקיימים. קישורים אלה עשויים להידרש לטובת תקשורת יבשתית ובין תקשורת מבוססת לוויינים או בין סוגים שונים של מכשירי קשר צבאיים.
איור 4. AWG וספקטרום אנלייזר נשלטים מרחוק על ידי מחשב שמפעיל את שגרת ההשוואה.
איור 5. מדידות אלה מראות אות 100-tone signal לפני לפני תיקון האמפליטודה (בתמונה משמאל) ואחרי תיקון האמפליטודה (בתמונה מימין).
הגדרת מערכת בדיקה מעשית
התרחישים שקדמו התוו את האתגרים שבבדיקה ושל הניתוח. סיבוכים נוספים נובעים מטבעם של אותות בפס רחב: הם מכילים כמות משמעותית של עיוותים, המקשים על ביצוע מדידות תקפות.
ארבעה מרכיבים חיוניים של ציוד בדיקה יכולים לטפל באתגרים אלה (איור 1). בצד הקולט (Receiver), המרכיב הראשון הוא (Arbitrary Waveform Generator (AWGאשר יכול לדמות את האותות המאופננים. המרכיב הבא הוא Upconverter, ההופך את האות המאופנן לתדר ה-RF הנדרש.
מדידות בצד המשדר מתבצעות על ידי שני מכשירים: Spectrum Analyzer ו- Wideband Oscilloscope. ניתן לשפר כל אחד מהם עם תוכנת
(Vector Signal Analysis (VSA המספקת את יכולת השחזור (Demodulation) הדרושות ומדידות חיוניות כגון
(Error Vector Magnitude (EVM.
ביצוע המדידות החיוניות
תקני תקשורת רבים משתמשים ב- EVM כאינדיקטור מרכזי של ביצועי המערכת (איור 2). כתוצאה מכך, מערך הבדיקה עצמו חייב להיות בעל EVM נמוך מאוד. כך ישתפר הסיכוי לאיתור בעיות בתוך המכשיר הנבדק (DUT).
בדיקה נוספת שהוכיחה את עצמה, היא מדידת יחס הרעש להספק (Noise Power Ratio – NPR) באמצעות עירור Multi-Tone. למרות שטכניקה זו קיימת כבר מאז 1950, המדידה היא אינפורמטיבית ויכולה לשמש תחליף למדידות של עיוות אפנון (Intermodulation Distortion – IMD).
מדידת IMD מתמקדת באמצע רוחב הפס בו קיים האות. לעומת זאת, בדיקתMulti-Tone NPR יכולה לכסות את כל רוחב הפס באמצעות מדידה אחת. היא גם יוצרת פסגות (peaks) של אות חזק המעמיס את ערוץ התקשורת יותר מאשר, למשל, Two-Tone Test. כתוצאה מכך נקבל מבט מיידי על מאפייני הרעש והעיוותים של ערוץ התקשורת.
ל- Multi-tone יש יתרון נוסף: ככל שגדל מספר ה- Tones, כך גדל ההספק בתוך תחום התדרים וכך תוצאות הבדיקה מדוייקות יותר. על מנת להבטיח תוצאת מדידה יציבה, נדרש שימוש של מאות או אלפי Tones, וכולם חייבים לעמוד כנגד כל עיוות שקיים בערוץ (איור 3). בטכניקה זו משתמשים ב- Notch Filter, וניתן לכוון בקלות את התדר המרכזי ואת רוחב הסרט של המסנן. למעשה, הסקופ או הנתח (analyzer) מודדים את “השקט” של ה- NPR ביחידה הנבדקת DUT.
היתרון הסופי, בדיקת ה- Multi-Tone NPR היא פשוטה והדירה. כך ניתן לבצע השוואות משמעותיות של תוצאות הבדיקה לפני הכנסת שינויי תכן/ רכיב או אלגוריתם ואחרי הכנסת שינויים אלו.
מדידה חשובה נוספת היא תגובת תדר (Frequency Response) של DUT. קבלת תוצאה מדויקת תלויה בעקביות של ה- Amplitude Flatness על פני כל ה- Tones באות העירור. טכניקה זו הופכת להיות פחות יעילה אם יש צורך לכתוב רוטינות לתיקון שגיאות, תהליך שיכול להיות קשה, מורכב וגוזל זמן רב (איור 4).
למרבה המזל, ניתן למדוד ולתקן את ה- Amplitude Flatness באמצעות האות או על ידי Spectrum Analyzer. הדבר נעשה על ידי קריאת כל Tone של אות ה- Multi Tone Signal, חישוב ה- Pre Distortion הנדרש, ויצירת עדכון של אות ה- Multi Tone Signal שמספק את תיקון האמפליטודה הנחוץ.
כפי שניתן לראות בתרשים 5, תיקון זה מייצר אות Multi Tone Signal שטוח מאוד. החיסרון היחיד הוא ירידה ב-
Spurious-Free Dynamic Range. כתוצאה מכך, ה- AWG בו משתמשים ליצור את אות ה- Multi Tone Signal חייב להיות ברזולוציה מספיקה (כלומר, יש מספיק bits) כדי לספק SFDR של to 80dB .
בתמונה: M8190A Agilent AWG, המספק Signal Fidelity של האות עם רזולוציה של 14-bit ב- 8 או רזולוציה של 12-bit ב-12.
בחירת AWG מתאים
במערכות תקשורת, עיוות בלתי לינארי (Nonlinear Distortion) הוא מאפיין מפתח. רכיבים של Second Order Distortion שנופלים מחוץ לתחום האות אבל רכיבי Third-Order Distortion נופלים בתוך התחום. בתחומי התדר הטיפוסיים היום נדרש AWG בעל יכולת של 12 כדי לסמלץ אות של Third Order Distortion
יתר על כן, AWG המספק רוחב פס רחב מאפשר ליצור אפנון רחב יותר מאשר כמה מתחומי התדר הנפוצים כיום. לדוגמה, 5 ברוחב פס של אפנון אנלוגי מספקת עד 10 של רוחב פס של האפנון. בנוסף, AWG רחב סרט מאפשר גם Frequency Hopping על פני מספר תחומי תדר.
לאור סיכום הדרישות האלו ניתן להגדיר את המאפיינים העיקריים של AWG שמתאים להן:
High SFDR: הדבר מבטיח כי tones יבלטו מעבר לרמת ה- Distortion. כך גם נספק מרווח מספיק כדי לאפשר מדידות של תיקון אמפליטודה Amplitude Corrected.
Flat amplitude: מאפשר מדידות מדויקות מאוד של Frequency Response של ה- DUT.
רוחב פס רחב: מאפשר לסמלץ Third Order Distortion ולבדוק את תחום התדר של האות.
יכולות אלה מגולמות ב- M8190A Agilent AWG, המספק נאמנות מעולה (Signal Fidelity) של האות עם רזולוציה של 14-bit ב- 8 או רזולוציה של 12-bit ב- 12. בהשוואה ל- AWGs אחרים, ה- M8190A ייחודי ביכולתו לייצר רמות כאלה של רזולוציה גבוהה בפס רחב בו זמנית. כתוצאה מכך, AWG זה יכול ליצור תרחישי אותות שמסוגלים לדחוף את מפתחי התקשורת למגבלות תוך מתן אפשרות לקבל תובנות עמוקות יותר של ביצועי המערכת.
בעת ההפעלה במצב 14-bit, M8190A מספק ביצועי SFDR של עד 80, עם רוחב פס אנלוגי 5, הוא מציע מרווח מספק עבור תרחישי בדיקה שכיחים. הוא כולל גם זיכרון מובנה 2 לאחסון תרחישי בדיקה מרובים ויכולות Sequencing מתקדמות המאפשרים יצירת תרחישי אות מציאותיים מאוד. כאשר היכולות הללו משמשות בביצועים, ה- M8190A מאפשר בדיקה מהירה וגמישה יותר.
מסקנה
נראה הגיוני לצפות לביקוש של העברת מידע בכל מקום ובכל עת ולהמשיך לצמוח ללא הפרעה ביישומים מסחריים וצבאיים ברחבי העולם. במבט לעתיד, מילת המפתח היא “גמישות” בהתייחסות למערכות תקשורת וגם לציוד המשמש לבדיקת מערכות אלה.
בבדיקות, ניצול הגמישות של AWG בעל ביצועים גבוהים היא צעד חיוני לקראת הבטחת הגמישות בהווה ובעתיד במערך הבדיקות. יתר על כן, AWG המצויד בזיכרון משולב נרחב ויכולות sequencing מתקדמות מאפשר ליצור תרחישי אות מציאותיים מאוד המספקים אפשרות לבדיקה יסודית ומפורטת של מערכות תקשורת במהלך הפיתוח, במהלך אימות המערכת ולפני הפריסה בעולם האמיתי.
