Craig Schmidt,
Agilent Technologes
התפתחות מגוון רחב של אתגרים חדשים בתחום התעופה והחלל, התעשייה הביטחונית והתקשורת האלחוטית, הפכו את מלאכת אפיון המערכת ופתרון התקלות לקשה יותר. כך למשל, מערכות רדאר ולוחמה אלקטרונית הופכות לדינמיות יותר ומתקדמות במהירות גבוהה יותר, ועשויות לכסות שטחי תעופה גדולים בשדה הקרב. ריבוי מערכות התקשורת הרב-תכליתיות בקצב גבוה מוביל להסתברות גבוהה יותר של בעיות בין מכשירים הפועלים יחד.
ככל שהמורכבות והזריזות של האותות ממשיכה להתפתח, כך שיטות מדידה נטולות פערים כגון ניתוח ספקטרום בזמן אמת ולכידת זמן זוכות לפופלאריות רבה יותר ביישומים המקובלים. כלים כגון נתח האותות מסוג PXA של Agilent, לוקח זאת שלב אחד קדימה, על ידי כך שיכולות אלו זמינות גם בנתחי אותות רגילים ולא רק בכלי ייעודי בעל מטרה אחת (איור 1).
היכולת לנתח בזמן אמת (RTSA), הינה אופצית שידרוג למערכות PXA חדשות וקיימות של Agilent, כך ש-PXA הוא נתח האותות הרגיל הראשון שמאפשר להוסיף ניתוח בזמן אמת לאחר רכישתו. כך, מקבלים יכולת ניתוח בזמן אמת בעלות של כעשירית מעלות הרכישה של נתח זמן אמת חדש.
הוספת אופצית RTSA מאפשרת למשתמש לראות, לקלוט ולהבין אותות חמקמקים מאוד במעבדה או בשדה. לניתוח מעמיק יותר, המשתמש יכול לשלב את ה-PXA בזמן אמת עם תוכנת ניתוח אותות וקטוריים- Agilent 89600 VSA כדי ליצור פתרון שמאפשר אפיון מקיף של אותות מורכבים ומשתנים.
הגדרת ניתוח בזמן אמת
למרות שאנשים שונים מפרשים באופן שונה את הביטוי “ניתוח בזמן אמת”, ניתן להגדיר עקרון אחד מרכזי כדלקמן: בנתח אותות או ספקטרום הכולל חלק דיגיטלי של תדרי ביניים (IF), פעולה בזמן אמת היא מצב שבו כל דגימות האותות מעובדות לקבלת תוצאת מדידה כלשהי או פעולת הפעלה (triggering, איור 2). במרבית המקרים, תוצאות המדידה הן סקלריות (כגון עוצמת המדידה), בדומה למדידות ספקטרום רגילות.
בנוסף לניתוח נטול פערים, ניתן להגדיר נתח RF בזמן אמת ככלי בעל ארבע תכונות מרכזיות נוספות: מדידות במהירות גבוהה, מהירות מדידה יציבה, הצגות מורכבות מתקדמות והפעלת מסכת תדרים (frequency-mask triggering, FMT).
באופן כללי, ניתן להשתמש בספקטרומים השונים המתקבלים מעיבוד בזמן אמת באחת משתי דרכים: ניתן לשלב כל ספקטרום וספקטרום לתוך תצוגת ספקטרום מורכבת או להשוות אותם בזה אחר זה למסכת המגבלה לצורך יישום FMT. שתי יכולות אלה קיימות ב-PXA זמן אמת הכולל את האפשרות של RTSA.
יישום ניתוח ספקטרום בזמן אמת ב-PXA
כמו בנתח ספקטרום ייעודי בזמן אמת, כך גם PXA זמן אמת משתמש במעגלי ASIC ו-FPGA כדי להמיר נתוני אותות שנדגמו לספקטרומים של אותות בקצב של כמעט 300,000 ספקטרומים בשנייה. נתוני הספקטרום משולבים ליצירת הצגות עשירות במידע כגון צפיפות או היסטוגרמות. לחילופין, ניתן להשתמש בספקטרומים השונים כדי להשוות אותם בזה אחר זה לערכי סף ולקריטריונים הלוגיים, כדי ליצור הפעלת מסכת תדרים בהתאם לספקטרום ולהתנהגות ספציפיים.
כדי להניב תוצאות בעלות ערך מניתוח ספקטרום בזמן אמת, צוות התכנון של Agilent התמקד בארבעה תחומים מרכזיים: רוחב הפס, טווח דינמי, סבירות הלכידה (POI) ויכולות ניתוח משולבות.
רוחב פס
ככל שגדלים רוחבי הפס של האותות וטווחי התדרים שאנו צריכים לנתח, כך צריך רוחב פס גדול יותר. עם רוחב פס מרבי לניתוח של 160MHz במדידות בזמן אמת, נתח PXA הכולל RTSA יכול לטפל באותות הרחבים ובסביבות האותות שישנן כיום. רוחב פס זה נטול הפערים אינו משמש רק את ניתוח הספקטרום בזמן אמת, אלא גם יישום FMT, לכידת זמן נטולת פערים וחישובי עוצמה בזמן אמת להפעלת IF.
נקודה מרכזית נוספת הינה שבניגוד לחלק מהנתחים הדומים, PXA בזמן אמת תמיד אוסף נתונים נטולי פערים לרוחבי פס של עד 160MHz. המשתמש יכול להיות סמוך ובטוח שמצב פעולה בזמן אמת רוכש באופן רציף מידע מפורט לגבי אותות מקוטעים או אותות שמשתנים במהירות.
טווח דינמי
PXA בזמן אמת מאפשר איתור של אותות קטנים, חמקמקים וחריגים כשהם יחד עם אותות גדולים, בזכות טווח דינמי נטול זיופים המגיע עד ל-75dB- ברוחב פס מלא של 160MHz. הטווח הדינמי משופר באמצעות רצפת הרעש הנמוכה של ה-PXA עצמו. בנוסף, כאשר מטפלים באותות קטנים מאוד, ניתן לשפר זאת אף יותר באמצעות האפשרות “נתיב רעש נמוך” שמשפרת את הרגישות ובו זמנית מטפלת גם באותות ברמות גבוהות. בכל המקרים, רצפת הרעש הנמוכה של PXA משפרת את ההפרדה בין אותות קטנים לבין רעש.
סבירות הלכידה
סבירות הלכידה (POI) היא אמת המידה המרכזית של ניתוח ספקטרום בזמן אמת ו- PXA בזמן אמת יכול לאתר אותות קצרים ברמה של 5.0ns ו-3.57 בסבירות יירוט של 100 אחוזים (ודיוק אמפליטודה מלא). ניתוח נטול פערים הוא רק אחד מהרכיבים של סבירות היירוט. בכלי עצמו ישנם גורמים נוספים שתורמים לסבירות, כולל הטווח הדינמי של הנתח ושל המעבד (כולל רגישות), רוחב פס הדגימה, רציפות העיבוד וחפיפת עיבוד FFT (אשר מפצה על הצורה של פונקציות חלונות).
יכולות ניתוח משולבות
בחלק מהמקרים, מספיק למצוא אות חמקמק: עצם הנוכחות של האות – ואולי אף הצורה הכללית של הספקטרומים שלו – היא כל שצריך כדי לענות על שאלה, לאשש בעיה או להציע פתרון. במקרים אחרים, מציאת האות היא רק השלב הראשון בדרך לפתרון של בעיה במערכת או בסביבת האותות.
שימוש בתוכנת ניתוח אותות וקטוריים (VSA) עם PXA בזמן אמת מאפשרת לבצע ניתוח מקיף ופיענוח אותות שנרכשו בזמן אמת. בנוסף, ניתן להשתמש ב-FMT בזמן אמת כדי למקד את כל פונקציות המדידה של תוכנת ה-VSA – כולל פיענוח ולכידת זמן – באותות חמקמקים מאוד (איור 3). יכולות אלו טובות במיוחד כאשר מודדים אותות ארעיים ומשתנים המדלגים בין תדרים, הרגעות תדרים (frequency settling) ואירועים ארעיים בלתי רצויים במקור האותות, כגון אוסילטור מבוקר מתח (VCO).
ניצול מלא של האותות שנתקבלו בזמן אמת
כדאי להסתכל מקרוב על שתי יכולות נוספות: הצגת היסטוגרמה או צפיפות והפעלת מסכת תדרים.
הצגת היסטוגרמה או צפיפות
כדי לקלוט את הדינמיקה של אותות זריזים או חמקמקים, נתחי ספקטרום בזמן אמת יוצרים אלפי ספקטרומים בכל שנייה. כיוון שמדובר בכמות רבה יותר מכפי שהעין האנושית יכולה לקלוט ולהבחין, צריך להציג כמויות גדולות של נתוני מדידה באמצעות קו אחד בתצוגה. למשל, PXA בזמן אמת יכול לייצר כמעט 300,000 ספקטרומים בשנייה, אך מרבית האנשים יכולים לראות רק 30 בשנייה. על כן, כדי להציג תוצאות בזמן אמת בצורה שימושית, כל עדכון תצוגה צריך לייצג כ-10,000 תוצאות.
במנתח בזמן אמת, תצוגות מידע נוצרות על ידי חיבור סטטיסטיקות והצגת שכיחות ההופעה של מדידה מסוימת (למשל, אמפליטודה ספציפית בתדר ספציפי). הסיטוגרמה זו של תוצאות המדידה היא למעשה מדידת ספקטרום ששופרה כך שהיא מציגה את שכיחות ההופעה. חלק מהאנשים מתייחסים לכך כגרסה של הסתכלות בדיעבד על הסבירות.
תצוגות אלה מקודדות באמצעות צבעים או צפיפות, וניתן להוסיף את פונקציית ההמשכיות (persistence) כדי להתמקד יותר על האירועים האחרונים, בזמן שנתונים ישנים נעלמים. בנוסף, ניתן להוסיף לתצוגה נתוני מעקב, כגון עדכון התצוגה האחרון, או ממוצע, בתור קו נוסף שנראה דומה למדידת הספקטרום הרגילה.
שיטה זו מאפשרת למהנדסים לראות ולהתמקד באירועים נדירים או ארעיים, ולאחר מכן להפריד אותם מההתנהגויות האחרות. על ידי שינוי ערכי, סכמות ההמשכיות או משקולות הצבע, ניתן לסמן התנהגויות ספציפיות. PXA בזמן אמת מאפשר לפרש ולנתח את התוצאות לקבלת מלוא יכולות סימון המעקב בתצוגות מתמשכות.
טכנולוגיית הפעלת מסכת תדרים (FMT) ושימושיה
כאשר מסתכלים על אות ספציפי, טכנולוגיית FMT משווה את זרם המידע במהירות גבוהה למסכת ספקטרום שהוגדרה על ידי המשתמש. הפעלה נוצרת כאשר האות חורג מהמסכה או כאשר האות נכנס לתחום שלה. יכולת זו שימושית יותר כאשר משתמשים בהפעלת מותנה על פעולות כגון יציאה או כניסה מחדש של האות למסכה.
ב-PXA בזמן אמת, המסכות יכולות להיות שילוב של ערך הסף העליון והתחתון, וניתן להזין אותן מספרית או גרפית. המנתח הוא תכונה חוסכת זמן שיכולה להשתמש בסביבת האותות שנמדדה כדי ליצור אוטומטית מסכה, אותה המשתמש יכול לשנות לפי הצורך. כדי לפשט את התהליך, המסכה מוצגת לאורך הקו שנמדד בזמן אמת.
ניתן להשתמש ב-FMT כדי ליצור הפעלות רציפות או בסיס שכיח יחסית. בניגוד לכך, אחד מהשימושים החזקים ביותר הם אותם המצבים שבהם ההתנהגות הנמדדת נדירה מאוד, עם פערים של דקות או שעות בין האירועים. אם תוכנת ניתוח אותות וקטורים כלולה, ניתן להשתמש בהשהיות לפני ואחרי ההפעלה כדי לקלוט את תחילת או סיום האירוע, או כל מה שבין לבין.
שיפור הניצול של
כלים מוכרים
במרבית החברות, המצב הכלכלי של היום מגביר את הלחץ לנצל עד הסוף את הציוד הקיים, כגון נתחי אותות רגילים. אולם, מצידו השני של המטבע, במקומות שבהם חוסכים בהוצאות, קשה להצדיק רכישת כלים שמשמשים למטרה אחת, כגון נתחים יעודיים בזמן אמת.
זו אחת מהסיבות לכך שAgilent החליטה ליצור את ה-RTSA כאפשרות שדרוג, אותה ניתן להוסיף למנתחי אותות PXA חדשים או קיימים. זו גם אחת מהסיבות
לכך שה-PXA תוכנן מהיום הראשון כארכיטקטורה שמאפשרת הוספת יכולות חדשות, כגון RTSA. כתוצאה מכך, הנתח כולל גם יכולות רגילות וגם יכולות בזמן אמת במכשיר אחד – ומעניק ביצועים יציבים כאשר משתמשים בכל אחד מהמצבים.
