מאת: ביאטה הונה, Agilent Technologies
הביקוש למידע זמין בכל מקום ובכל עת – הן במסגרת יישומים מסחריים והן במסגרת יישומים צבאיים – הולך וגדל בכל רחבי העולם. בעוד שבעשור הקודם היינו עדים להתמקדות בתקשורת ניידת, העשור הנוכחי מתאפיין בהתמקדות בפס רחב נייד. המוטו כיום הוא “גישה לכל דבר, מכל מקום” ואילו הצמיחה שחלה במספר המשתמשים וההתקנים מקדמת גידול אדיר בביקוש לנתוני פס רחב.
כמענה לצמיחה זו, הלוויינים הולכים והופכים לחלק קריטי של התשתית. אחת הדרכים להבטיח גידול בגישת הפס הרחב היא על-ידי מיקום לוויינים חדשים במסלול, ופרשני הענף אכן חוזים גידול במספר ההשקות. השילוח של ציפור חדשה לאוויר כרוך במספר אתגרים, ובמיוחד הצורך להבטיח יכולת פעולה הדדית בין קישורי תקשורת חדשים וקיימים. קישורים מעין אלה עשויים להידרש בין תקשורת קרקעית לתקשורת מבוססת חלל, או בין לוויינים לבין סוגים מרובים של התקני רדיו צבאיים.
כחלופה למיקום לוויינים נוספים במסלול, ניתן לשפר את יכולותיהם של הלוויינים הקיימים. טכניקות אפנון חדשות מאפשרות לדחוס מידע רב יותר לתוך רוחב הפס הקיים המשמש לתמסורת ודבר זה בתורו מאפשר קצבי נתונים גבוהים יותר ולפיכך גם הרחבה של קיבולת המערכת הכוללת. כדוגמה, שימוש ב-16QAM וב-1 GSymbol/s יכול לספק קצב נתונים של 4 Gb/s לשנייה.
עבור לוויינים חדשים או קיימים, קישור כרוך בתמסורת של אות מתחנה קרקעית אל הלוויין. הלוויין מקבל את האות, מגביר אותו ושולח אותו בחזרה לכדור הארץ. בדיקות מאמץ של קישורים אלה מחייבות תמסורות ארוכות של נתונים, אשר כוללות שינויים בפרמטרים שונים של האות.
כל הנאמר לעיל יוצר אתגרים משמעותיים בדרך ליצירתם של אותות הבדיקה שנדרשים לצורך הפעלת רסיברים לווייניים. כיום, רק מכשירים מעטים מסוגלים לתת מענה לצורך הקיים באותות איכותיים, שינויים המבוצעים on-the-fly וזמני הפעלה ממושכים.
תיאור סביבת הבדיקה הרצויה
בצד הרסיבר, הפריט הראשון של סביבת הבדיקה הוא מחולל צורת הגל השרירותי (AWG), אשר יכול לדמות את האותות המאופננים הדרושים. הפריט הבא הוא ה-upconverter, שמתרגם את האות המאופנן “כלפי מעלה”, לתדר ה-RF הנדרש.
מדידות שמבוצעות בצד המשדר יכולות להסתייע בשני התקנים: נתח אותות או ספקטרום וכן אוסילוסקופ רחב סרט. כל אחד מאלה ניתן לשיפור באמצעות תוכנת VSA (ניתוח אותות וקטוריים), אשר מספקת את יכולות הדה-מודולציה הדרושות ומדידות חיוניות, כגון error vector magnitude (EVM). בתמונה 1 מוצגת סביבה לדוגמה, אשר ניתן להשתמש בה לצורך בדיקת מקלטים ומשדרים לווייניים.
הבנת סוגי אותות אופייניים
הדור החדש של התקני AWG גבוהי מהירות מספק מספר יתרונות בתחום בדיקות הלוויינים. בנוסף לגמישותם המרובה, התקני ה-AWG מן הדור הנוכחי ממשיכים להתקדם בכל הנוגע לרוחב פס, תוך שהם מספקים איכות אותות משופרת בזכות הרזולוציה האנכית הגבוהה שלהם.
נקודה זו מעוררת שאלה בסיסית: האם מחולל צורת הגל השרירותי מהווה בחירה טובה לצורך דחיקת הקישור הלווייני עד קצה גבול היכולת שלו במסגרת בדיקת המאמץ? במקרה של המערכת הלוויינית, המטרה העיקרית היא לדחוס נתונים רבים ככל האפשר לתוך הספקטרום. דבר זה מחייב נצילות ספקטראלית גבוהה, אשר מאפשרת את מדידת התפוקה ברוחב הפס המוקצה והבעתו כסיביות לשנייה להרץ. אחת הטכניקות שמספקת נצילות ספקטראלית גבוהה היא quadrature amplitude modulation (QAM): כיוון ש-QAM עושה שימוש בשילובים של אמפליטודה ופאזה, היא יכולה להעביר יותר סיביות לסימבול.
במהלך בדיקה לוויינית, השימוש ב-QAM מצריך שינויים מתמשכים באמפליטודה ובפאזה, במיוחד בעת אפיון רגישות. על מנת לתמוך בבדיקות אלה, ה-AWG נדרש להתיר מודולציה ברמה גבוהה, ו- QAM1024מתאפשר עם מכשור מן הדור החדש (איור 2). ניתן לייצג אות QAM1024 כ-10 סיביות/סימבול.
מדידת ה-1024QAM מדגישה את ערך ה-AWG בכל הנוגע לאיכות אות גבוהה. לדוגמה, מיצוב מדויק של נקודות שונות הנו קריטי למודולציות ברמה גבוהה. בצד הקולט, הדה-מודולציה הופכת לבעייתית בנוכחות רעש, שקיים תמיד בסביבות אלחוטיות של העולם האמיתי.
טכניקת אפנון שימושית נוספת היא ה-OFDM (ריבוב חלוקת תדרים אורתוגונלי), אשר נמצא בשימוש נרחב במערכות תקשורת. ערוץ התמסורת מפוצל למספר “תת גלים נושאים” (subcarriers) ואילו השילוב של תת גלים נושאים עם מודולציות סטנדרטיות מספק קצב נתונים גבוה עם כמות מזערית או אפסית של “ערב דיבור” (crosstalk). כיוון שהתדירות והריווח של תת הגל הנושא הנם אורתוגונליים זה לזה, לא נגרמת הפרעה בין ספקטרום אחד למשנהו.
הוספה של “תת גלים נושאים” גורמת לאותות להפוך שטוחים יותר – ואילו מספר גדול יותר של “תת גלים נושאים” מקרב את האות לצורתו האידיאלית (איור 3). כיוון ש-OFDM מתאפיין ברגישות לתנודות שחלות בתדר הגל הנושא, הוא משדר אותות נושאי פיילוט לצד תת הגלים הנושאים, לצורך סנכרון בצד המקלט.
OFDM מתאפיין בנצילות ספקטראלית גבוהה בגין הריווח הקרוב שקיים בין הנושאים השונים. השיטה חסינה במיוחד כאשר קיימים הפרעות ורעש, כיוון שאובדנו של נושא בודד אינו הרסני מבחינת השידור כולו. ניתן לשחזר כל אובדן באמצעות אלגוריתם תיקון השגיאות של השיטה.
כאשר הן המשדר והן המקלט נמצאים בתנועה, נדרשת אמינות גבוהה. במקרים אלה, נראה כי OFDM הוא המנגנון המושלם, שכן הוא ממתן את הבעיה של “התפשטות רב נתיב” (multipath propagation).
לסיום, המורכבות שמאפיינת את ה-OFDM הופכת את הדה-מודולציה הבלתי מורשית לבלתי אפשרית. הסיבה: אותות OFDM יכולים להכיל סוגי מיפוי וקידוד שונים, אותות מבוא, מטענים ומספרים שונים של תת נושאים.
השימוש ב-OFDM אינו חף מחסרונות. לדוגמה, אותות OFDM מתאפיינים ביחס peak power גבוה, והדבר מצריך הגברה ליניארית ומכשירי בדיקה בעלי טווח דינמי גבוה.
בחינה מקרוב של ה-AWG
על מנת לייצר את האותות הדרושים, מחולל צורת הגל השרירותי צריך להיות בעל רזולוציה מספקת, שתאפשר להפיק אותות מאופננים בטווח דינמי גבוה. זמן ההפעלה מהווה שיקול חשוב נוסף. בדיקת מקלט במסגרת קישור תמסורת יחיד יכולה להתבצע במהלך בדיקה קצרה או באמצעות זמן הפעלה ארוך. בעבר, הפתרון כלל הוספת זיכרון למכשיר. אבל בפועל, הזיכרון לעולם אינו מספיק.
זו אחת הסיבות לכך, שהתקני AWG מהירים רבים מספקים כמות זיכרון עצומה; עם זאת, זמן ההפעלה האפשרי בפועל תלוי במספר גורמים, לרבות מהות האות עצמו. לדוגמה, נניח כי מדובר באות של 50 GSa/s ובזיכרון מובנה של 16 GSa: נתונים אלה מיתרגמים לזמן הפעלה של 320 ms בלבד. לרוע המזל, זמני המדידה הנדרשים נמדדים לרוב בדקות. הוספת יכולות ריצוף (sequencing) יכולה להאריך את זמן ההפעלה הזמין ורצף שתומך באותות חוזרים יכול להשיג למעשה זמן הפעלה אינסופי.
ומה אם תרחיש הבדיקה מצריך אותות ייחודיים בתרחישים שונים? התקני AWG סטנדרטיים אינם נטולי מגבלות. האות המופק עובר הורדה לזיכרון ה-AWG ולאחר מכן נשלח אל יציאת ה-DAC. בכל עת שנדרש שינוי של האות, יש לעצור את המדידה. מדובר בנקודה קריטית, כאשר תרחיש הבדיקה מחייב זרם נתונים שהנו קבוע ומשתנה בו-זמנית. סיבה אחת: הפסקת המדידה משמעותה גם הפסקת ערוץ התקשורת. כתוצאה מכך, לא ניתן להפיק את התרחישים הרציפים של אותות ה”עולם האמיתי” הדרושים לצורך ביצוע בדיקות מאמץ ממושכות.
לאחרונה, Agilent הוסיפה את ה-up-conversion הדיגיטלי ל- M8190A שלה, ויכולת זו מאפשרת להתגבר על מגבלת ה-AWG האופיינית. כעת יכולים מהנדסי הבדיקה לבצע שינויים בפרמטרים תוך כדי עבודה, לרבות אמפליטודה, תדרים ופאזה, מבלי שיידרשו לאתחל את ה-AWG. כך מתאפשרים שינויים של אותות קיימים מבלי שתידרש עצירה של המדידה או של ערוץ התקשורת.
הדבר אפשרי כיוון שפרמטרי האות מאוחסנים בנפרד מצורת הגל עצמה. כתוצאה מכך, ה-sequencer יכול לשנותם במהלך זמן ההרצה. אם נתייחס ספציפית לבדיקת לוויינים, הדבר מאפשר בדיקה מדויקת של הערוצים ושל המשדרים על-ידי כך שהוא מבטיח, כי לא תהיה סטייה או פגיעה באמפליטודה ובפאזה לאורך זמן.
גם זמן ההפעלה (Playback) הוא נושא חשוב ביותר בכל הנוגע ליישומי לוויין. מכשירי הבדיקה כוללים את ה-sequencer, אשר מאפשר זמני הפעלה ממושכים ביותר עבור צורות גל רפטטיביות. ה- M8190A תומך בהזרמה (streaming), על מנת לאפשר תפוקה רציפה או מתמשכת של צורות גל משתנות. המקור יכול להיות זרם נתונים רציף שמגיע מדיסק או אלגוריתם, ולחלופין, נתונים שהורדו לזיכרון מדיגיטייזר או אוסילוסקופ חיצוני, בעוד שה-AWG משדר את האות.
שידור של צורות גל מתמשכות ומשתנות עשוי להספיק עבור בדיקות מסוימות. עם זאת, במקרים אחרים חשוב לשלוט בתזמון: שליטה זו יכולה לסייע בזיהוי אוטומטי של סיבת הבעיה. במקרים אחרים, ייתכן שכדאי להגיב באופן דינמי לאירועים בזמן אמת ולשנות את צורת הגל מיד עם התרחשות האירוע. ה- M8190A מספק מצבי הזרמה עבור תזמון דטרמיניסטי, כמו גם תמיכה בתרחישי אותות דינמיים.
סיום
המטרה של דחיסת נתונים רבים יותר לתוך רוחב הפס הלווייני הקיים ניתנת למימוש באמצעות אותות מאופננים מורכבים. ההתמודדות עם טכנולוגיות אלה מחייבת שיפורים בחומרת הלוויינים ובמכשירים המשמשים לבדיקתה. התקני ה-AWG יוכלו לעמוד בדרישות החדשות, אם ימשיכו להתקדם בכל הנוגע לאיכות האותות, התדרים והזיכרון, ויכללו או יתמכו בפונקציונליות שמאריכה את זמן ההפעלה.
