Morgan Roddy, Signal Hound
הזמינות של רכיבים סטנדרטיים בעלי ביצועים גבוהים מהמדף (COTS – Commercial Off the Shelf) פותח אפשרויות חדשות בתעשיית מכשירי הבדיקה והמדידה. הצורך בציוד מדידה גדול, מגושם ויקר מסופק היום בהרבה מקרים על ידי מוצרים קומפקטיים, זולים ובעלי ביצועים גבוהים. מוצרים אלה מתאפשרים בזכות התקדמות גדולה מאד בזמינות של רכיבים בעלי ביצועים גבוהים מהמדף. דוגמא טובה למה שניתן להשיג באמצעות הנדסה טובה ובחירה נבונה של רכיבים וחומרים הוא Signal Hound® BB60A, נתח תחום בזמן אמיתי (BB60A) המיוצר על יד חברת Test Equipment Plus (). ה-BB60A הוא מכשיר קטן (19.4 ס”מ אורכו), קל (310 גרם), בעל מחיר נוח (פחות מ- $3K), שמכסה תחום תדר של 9KHz עד 6GHz, וניזון ופועל דרך תקשורת USB 3.0 של כל מחשב. TEP שמה לה למטרה להשיג ביצועים גבוהים ולהקטין עלות ככל האפשר בו זמנית. כל זה בא לידי ביטוי בקו נתחי התחום ומחוללי האות מבוססי ה-USB של TEP מזה מס’ שנים ועתה, True Real-Time Broadband Spectrum Analyzer, ה-BB60A, ובקרוב גרסה מתקדמת יותר.
ה-BB60A הושק בפברואר 2013 ותכונתו העיקרית היא יכולתו להזרים ל- 80 מיליון דגימות לשנייה של נתוני IF דיגיטליים דרך ערוץ USB 3.0. צינור נתונים זה הוא עמוד השדרה של ה-BB60A ומאפשר ניתוח תחום בזמן אמיתי של כל מקטע של 20MHz בתחום תדר ה-RF שבין 9KHz ל-6GHz. קצב העברת נתונים של 5Gbps שמספק ה-USB 3.0 מאפשר לציוד היקפי שתומך בפרוטוקול להעביר נתונים בקצב של מעל .
Cypress, מובילה עולמית בתחום הציוד ההיקפי ל-USB, פיתחה את סידרת ה-FX3 של מעגלים משולבים ל-USB, על מנת לנצל את הטכנולוגיה הזו. לשבב ה-FX3 היה תפקיד מרכזי בחשיבה על פיתוח ה-BB60A של TEP, וכאשר שולב עם הטכנולוגיה של המכשירים מבוססי USB של TEP, נולד ה-BB60A.
ניתוח תחום בזמן אמיתי
חשוב להגדיר את המשמעות של
ניתוח תחום בזמן אמיתי – RTSA
(Real Time Spectrum Analysis) מכיוון שישנם יצרני ציוד שמשתמשים במילים “זמן אמיתי” או “real-time” מבלי להסביר מה זה, דבר שמייצר עמימות באשר ליכולתם להציע פונקציונליות של RTSA. המאפיינים העיקריים של RTSA הם:
ניתוח תחום ללא מרווחים באמצעות חפיפה של ניתוח Fourier
מודולים של הצגת נתונים שיעבירו את כל האינפורמציה הזו אל המשתמש (התמדה, או Persistence)
100% הסתברות של קליטת אירועים בעלי משכי זמן מינימליים
– POI – . ה-BB60A הוא RTSA אמיתי מכיוון שיש לו את כל התכונות הנ”ל. ניתוח התחום חסר המרווחים וה-POI של 100% מושגים באמצעות שימוש בקצב חפיפה של 75% (Fast Fourier Transform), והתוצאה מועברת למשתמש באמצעות תכונת ההתמדה של יישום התצוגה של תוכנת ניתוח התחום של ה-BB60A. רמה גבוהה זו של ניתוח מושגת באמצעות היכולת של מחשב אישי לעבד 80 מיליון דגימות בשנייה, ויכולת המוצר לייצר רוחב סרט אמיתי של 20MHz. בלוק IF סיפרתי במרחב הזמן מעובד ע”י המחשב האישי דרך FFT. בלוק חדש שמעובד לאחריו חופף ב-75% את הבלוק הקודם. תהליך זה מבוצע בצורה רציפה כך שכל אירוע בודד מעובד ע”י ארבעה FFT לפחות, מה שאומר שלא פחות מ-320 מיליון data points מעובדות ומומרות בכל שנייה. התקדמות בתחום ההוראות של Single Instruction Multiple Data
() מאפשרת למחשב אישי עם מעבד third generation Intel Core-i7 quad-core לבצע עד 32 הכפלות לכל מחזור שעון ועדיין לאפשר טיפול במשימות אחרות. כוח מחשוב כזה שמשולב עם החומרה ויישום התוכנה של ב-BB60A מניב תוצאה של 16K עד מיליון של FFTs בשנייה אשר, אם משולב עם תכנית התמדה, מאפשר למשתמשים להדמות אירועים ספקטרליים של 4usec עם 100% POI על רוחב סרט אמיתי של 20MHz.
חומרה וטכנולוגיה
לאחר שנשקלו מס’ ארכיטקטורות אפשריות, הוחלט ב-TEP להעדיף ארכיטקטורה של המרה כפולה ו-superheterodyne על גישת דמודולציה של I/Q. הבחירה נותנת למשתמש 20MHz מלאים של ספקטרום ללא צורך לדאוג בעניין אותות בלתי רצויים (spurious) כתוצאה מאיזון I/Q. כמובן שמשתמשים אשר זקוקים ל-I/Q data, ערבול דיגיטלי (digitally mixing) ע”י ה-PC מייצר I/Q data חופשי מתוצרים בלתי רצויים שהיו מיוצרים ע”י דמודולציה של I/Q.
כניסת ה-RF עוברת דרך מנחת שנשלט ע”י המשתמש ולאחר מכן מסוננת
(low pass/band pass) כדי להנחית תדרי מראה. בהמרה הראשונה מתערבל אות הכניסה עם תדרי ביניים, קרוב ל-2,440MHz
ו-1,268MHz, אשר מסוננים על ידי בנק מסננים בטכנולוגית SAW. מיקסר יחיד מבצע את ההמרה הזאת עבור כל התדרים. כדי לאפשר למיקסר אחד לטפל בתחום תדר של 9KHz עד 6GHz, עושה שימוש במתג שהופך בין כניסות ה-RF וה-IF, שמאפשר ל-BB60A לבצע המרה למעלה של תדרים נמוכים כמו 9KHz, ולבצע המרה למטה של תדרים גבוהים כמו 6GHz. ה-IF הראשון עתה מומר מטה בזמן ההמרה השנייה, מסונן באמצעות 140MHz SAW, ולבסוף מוגבר ומומר לאות דיגיטלי. FPGA “אורז” את הנתונים הללו בחבילות נתונים אשר נשלחות ל-PC דרך ה-FX3 USB 3.0 peripheral controller. מכיוון שמשימת העיבוד נמסרת ל-PC, ניתן להשתמש ב-FPGA קטן וכך נחסכת עלות, אנרגיה ופיזור חום.
שמישות ויכולת תכנות
ה-BB60A מסופק עם אפליקציית תוכנה של ניתוח תחום מבוססת חלונות. לתוכנה יש את כל התכונות הקיימות בכל נתח תחום שולחני כגון בקרת span/center frequency, resolution bandwidth, video bandwidth, configurable traces, וסמנים (markers). מספר תכונות חדשות אשר מעניקות עוד ערך מוסף למוצר כוללות: two and three dimensional ‘waterfall history’ spectrogram plots, מאפשר למשתמש לצפות בהיסטוריה קצרה של אירועים בספקטרום; הקלטות של אירועים מאפשרות למשתמש ללכוד סדרה של סריקות “ולנגן” ולנתח אותן בזמן מאוחר יותר; ותצוגת התמדה.
ה-BB60A מסופק עם API מתועד בשפת
C/C. דבר זה מספק למשתמש מכשיר ליצירת אפליקציות תוכנה מותאמות אישית כדי לרתום את כל יכולות ניתוח הספקטרום של ה-BB60A, החל בסריקת הספקטרום וכלה בהבאת דגימות IF דיגיטליות או תזרימי מידע I/Q גלמי. כל היבט פונקציונלי של
ה-BB60A חשוף וניתן לשליטה דרך ה-API.
יישומים אפשריים של RTSA
תודות ליכולת ה-RTSA שלו, ה-BB60A תומך בצורה טובה מאד במס’ מסוים של יישומים. מס’ דוגמאות ליישומים אלה: intermittent interference hunting, spread spectrum signal analysis, ו-signal-in signal detection.
Intermittent Interference Hunting היא משימה מאתגרת עבור כל מהנדס, אפילו מנוסה, בעיקר כאשר נדרשת באתרים מרוחקים. הקושי לעיתים מועצם בגלל הסביבה בה המהנדס נאלץ לפעול והציוד המגושם והגדול איתו הוא נאלץ להתנייד. היכולת של ה-BB60A לגלות, ללכוד ולהציג אותות מפריעים עם כיסוי ספקטרום ללא מרווחים, ו-100% POI היא בעלת ערך בלתי רגיל בגילוי וזיהוי של אותות קטועים. התרחיש הגרוע ביותר עבור מהנדס הוא להגיע לאתר לצורך תחקור מסוים ולגלות שנעשה שם שימוש בציוד ניתוח ספקטרום שאינו מסוגל לבצע את המשימה או שפשוט לא יעיל במדידת אותות מפריעים שנמשכים זמן קצר מאד (דורש צבירה של כמויות גדולות מאד של מידע וזמן). משימה כזו מטופלת בצורה מיטבית ע”י התרשימים של ה-2D/3D waterfall אשר זמינים לכל המשתמשים, ואשר מצוינים לצורך הדמיית אותם אותות קטועים. יתרונות המשקל והגודל של ה-BB60A לעומת נתחי הספקטרום המסורתיים הגדולים והמגושמים ברורים. תיק נסיעות קטן יכול להכיל את ה-BB60A, אנטנה, מחשב נייד וכבלים למיניהם, probes, מתאמים וכו’, וכל אשר נדרש לביצוע המשימה.
אותות spread spectrum ()
הינם אותות שמשתמשים בסוג אפנון אשר “מורח” את תדר השידור על פני רוחב סרט גדול בהרבה מזה שנדרש ע”י האינפורמציה המשודרת. הערך של שיטה זו בא לידי ביטוי בביטחון, חסינות ואמינות של התקשורת. סוגי SSS שכיחים כוללים Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) ,Frequency Hopping Spread Spectrum
(), ו-Chirp Spread Spectrum
(). ה-BB60A מסוגל ללכוד ולנתח מיני SSS עד רוחב סרט של 20MHz בסך הכל. אין נתח ספקטרום מסחרי שמבוסס על תקשורת USB עם רוחב הסרט הנדרש לעבודה עם SSS, ואין נתח ספקטרום שמסוגל לבצע ניתוח מסוג זה בעלות כשל ה-BB60A.
ניתוח Signal-In-Signal () היא משימה שניתנת לביצוע אך ורק עם . SiS הוא מצב שנוצר כאשר אות בלתי רצוי או מקור שידור מפריע משדר באותו פס של פרוטוקול תקשורת אחר או ‘אות מארח’, כגון GSM ,ISM ,CDMA וכו’. דבר זה קשה מאד לגילוי באמצעות נתח ספקטרום מסורתי מכיוון שהאות הבלתי רצוי אינו מספיק חזק לגילוי חיובי. התוצאה הינה שביצועי האות המארח יורדים ללא כל הסבר או עדות ברורים, ונוצרות בעיות כגון high bit error rate. כאשר ה-BB60A פועל באופן של זמן אמיתי (real time mode), מסך ההתמדה יכול להציג בבירור תרחישי SiS בזכות האופן בו המידע מנותח ומוצג ע”י אפליקציית התוכנה.
שיפורים עתידיים ב-BB60A והיכן ניתן לרכוש
חברת TEP מפתחת בימים אלה את הדור הבא של RTSA אשר נבנה על גבי ההצלחה של ה-Signal Hound® BB60A RTSA. המוצר החדש אשר יושק בקרוב יהיה בעל ביצועים עדיפים בהרבה ב-Spurious Free Dynamic Range (), ויהיה בעל רוחב סרט של 30MHz בזמן אמיתי.
למידע נוסף בקרו באתר החברה.
תירגם את הכתבה עדי פלג, מ.ט.י הנדסה.
