בדיקת טרום-התאמה של משדרי WLAN

כבר לא מספיק לשלוט בהתקנים חכמים. כדי לרכוש את תשומת-הלב של הצרכן, ההתקן חייב להיות חכם ומקושר. זה אומר שהאלחוט חייב להיות גם כן חלק מהתכנון. האלחוט גם פותח אפשרויות תכנון חדשות רבות ומתחיל להופיע בכמה מקומות לא רגילים.

אחדות מהדוגמאות המעניינות ביותר באות מ-Velo Labs ו-Oral-B. חברת ההזנק (start-up) מפתחת מנעול לאופניים מוזן-שמש המסוגל להתחבר לרשתות WiFi כדי לשדר אזעקה לטלפון החכם של בעל האופניים אם גלאי התנועה חש שהאופניים הוזזו.
התקן נוסף הוא מברשת שיניים חשמלית חכמה מ-Oral-B. היא כוללת אלחוט כדי לקלוט מידע הודות הרגלי השימוש של המשתמש – דבר היכול להפוך לחלק מרישומי השיניים.
קיימים בפשטות אלפי מוצרים על המדפים, בפיתוח או עדיין שיש להמציא אשר יכללו יכולת אלחוטית בהספק נמוך כדי לענות לדרישות הצרכן או להפוך לחלק מהאינטרנט-של- דברים.
אחד האתגרים הוא שיצרני המוצרים – כאשר לרבים מהם יש ניסיון מועט או כלל לא ב-RF – צריכים ללמוד כיצד להוסיף יכולת אלחוט למוצרים. הגישה המקובלת והמעשית ביותר היא פשוט לכלול מודול WLAN ארוז מראש בתוך התכנון. לא מפתיע שהשוק עבור מודולים כאלה עולה בקצב חזק של סיפרה כפולה, עם תחזית של המשך הצמיחה.
בשעה שמודולים כאלה מבטלים הרבה סוגיות טכניות (ראה איור 1), עדיין יש לקבל החלטות. הקריטית ביותר היא להבטיח שהמוצר הסופי עונה לדרישות ה-FCC והגופים הבינלאומיים.
בדיקת ההתאמה הינה מתישה וצורכת זמן, וכשל בשלב זה עשוי לגרום לתכנון חוזר יקר ויצירת השהיה במוצר.
בדיקות טרום-ההתאמה (pre-compliance) מסדירות (regulatory) (שלב 6 באיור 1) יכולות למנוע תרחישים בתנאים קשים (worst-case). למרבית המזל, ניתן להשתמש בציוד בדיקה יעיל-לעלות ומוכר במפעל כדי לבצע בדיקת טרום-התאמה ולהבטיח שלמוצרים מתאימים לאלחוט יש הסתברות גבוהה של הצלחה בפעם הראשונה.
החל מהשידורים האלחוטיים הראשונים, פליטת הספקטרום היוותה דאגה עבור מהנדסי התכנון. גורמי הסדרה ברחבי העולם קבעו גבולות על רמת הפליטות, והגדירו שיטות מדידה לבדיקת ההתאמה. רישוי פורמאלי, שיש להשלימו לפני שניתן לשווק מוצר, חייב להתבצע במעבדה עצמאית ועלול לעלות בין $5,000
ל$10,000 ליום (לא כולל הוצאות נסיעה ואחרות).
השימוש במודולים מהמדף, גם אלה שהורשו, אינו מקל בהכרח על משימת הרישוי בהרבה, מאחר שיש לבדוק ולאשרר את כל המערך גם כן. סוגיות תכנון דוגמת מערך הכרטיס, תכנון האנטנה ומיקום או פעולות הדדיות של המערכת עשויות להוביל לכשלים.

בדיקת טרום-התאמה כנגד התאמה מלאה
בדיקת טרום-התאמה נעשית לאחר שילוב המערכת, כדי לגלות את כל התחומים הבעייתיים בתכנון. בדיקה טרום-התאמה אינה חייבת למפות כנגד כל תקן בינלאומי, מאחר שהמטרה היא פשוט לגלות בעיות פוטנציאליות ולהקטין את סיכון הכשל בשלב היקר של בדיקת ההתאמה. הציוד אינו חייב לכלול כל תכונה ומפרט הנדרש על-ידי התקן, ויכול להיות בעל רמה נמוכה יותר של דיוק ותחום דינמי לעומת מקלטים תואמים אם מפעילים מספיק מרווחים לתוצאות הבדיקה.
נתחי ספקטרום לשימוש כללי בעלי מסננים וגלאים לשימוש כללי מהווים נקודת התחלה טובה עבור בדיקת הטרום-התאמה וקרינת ה-EMI. אולם לשם ניתוח יותר כולל רצוי להשתמש בבדיקה מיוחדת ל-WLAN התומכת בכל תחום הבדיקה והניתוח הדרוש עבור תקני IEEE 802.11. פיתרון מסוג זה, במיוחד אם הוא מבוסס על אוסילוסקופ לתחום-מעורב ומשולב עם תוכנה של ניתוח אותות וקטוריים מאפשר למתכננים לקשור את האירועים במישור הזמן עם ניתוח במישור התדר לשם זיהוי מהיר של בעיות העלולות לגרום לכשל ברישוי. לדוגמה, תקלה קלה המופיעה רק במהלך ההתעוררות במישור הזמן עשויה לגרום לפליטה מחוץ-לתחום במישור התדר.
מעבדות חיצוניות מתחילות לרוב את הבדיקה על-ידי ביצוע של סריקה מהירה הכוללת גלאי-שיא כדי לגלות אזורי בעיה הגולשים מעבר או שהם קרובים לגבולות המוגדרים. עבור אותות המתקרבים או עוברים את הגבולות, הם מבצעים אזי מדידת QP .
גלאי ה-QP הוא שיטת גילוי מיוחדת המוגדרת על-ידי תקני מדידת ה-EMI המשמשת לגלות את ערך השיא הנמדד של מעטפת האות. הוא מודד אותות בתלות במשך וקצב החזרה שלהם. אותות המופיעים בתדירות גבוהה יותר יגרמו למדידת QP גבוהה יותר מאשר פולסים נדירים.
כלל שרצוי לזכור הוא ש-QP יהיה תמיד פחות או שווה לגילוי השיא, לעולם לא גדול יותר. גלאי שיא נותנים מרווח כך שניתן להשתמש בגילוי השיא עבור ניפוי ואבחון של פליטת ספקטרום. אין צורך להיות מדויק עד כדי התאמה מלאה או סריקת מעבדה; אם דו”ח המעבדה ששימש לגילוי ה-QP ומראה שהתכנון היה 3dB יותר וגילוי השיא 6dB יותר, עליך לממש תיקון אשר יפחית את האות ב-3dB- או יותר.
טכנולוגיית איתור ההפרעות (probing) בטרום-התאמה
במעבדה של התאמה מלאה, מקלטי EMI ואנטנות מכוילות היטב משמשים לבדיקת ההתקנים האלקטרוניים במרחק של 3 או 10 מטר. ניתן לבצע את המדידות בשדה הרחוק. בדיקה כזו יכולה לומר במדויק האם המוצר עובר או נכשל אך אינה יכולה להתמקד במקור הבעיה. שימוש בבדיקת שדה רחוק בלבד אינו יכול לבודד בעיות עד כדי רכיבים או מיקומים ספציפיים, כגון קיומן של יותר מידי אנרגיות RF הזולגות מפתח מיכל מתכת או סיוע בזיהוי כבל המקרין יותר מידי אנרגיות RF. בדיקה בשדה קרוב היא הדרך היחידה לאתר מקורות פליטה כגון אלה והיא מבוצעת לרוב תוך שימוש בנתח ספקטרום וגשש שדה קרוב.
גששי שדה קרוב (איור 3) עבור EMI הם לקטים (pickups) אלקטרו-מגנטיים המשמשים ללכוד או את השדה החשמלי (E) או המגנטי (H) באזור העניין ומשמשים עם נתח הספקטרום. יצרנים מספקים ערכות גששים המהוות את הפשרה הטובה ביותר בין גודל, רגישות ותחום תדרים. הבחירה בין גשש לשדה H או שדה E יכולה להתבצע בעזרת האיתור של האות בתכנון שלך, או על-ידי סוג המקור שלו (מתח או זרם). לדוגמה, נוכחותו של סיכוך מתכתי עשויה לבטל את השדה E, ולחייב שימוש בגשש שדה H עבור היישום. יש להשתמש בגששי שדה קרוב לשם קליטת האות על-ידי ההתקן הנבדק.
גששי מתח משמשים עם אוסילוסקופים ונתחי ספקטרום כדי להתחבר ישירות למעגל בעל העניין. גששי אוסילוסקופים מקובלים יכולים לשמש עם נתח ספקטרום תוך הפסד ברגישות התלוי בעכבת הגשש. לדוגמה, גשש של אוסילוסקופ המחובר לנתח ספקטרום 50Ω ייצור מחלק של 10:1 והפחתת האות במבוא של נתח הספקטרום של 20dB. אולם, כאשר מתחברים ישירות למעגל, האותות הם לרוב גדולים וניתן לראותם על-ידי נתח הספקטרום אף ברמת האות המופחתת. יתר על כן, רצפת הרעש והרגישות של נתח ספקטרום הן לרוב טובות יותר בסדרי גודל מאשר אוסילוסקופ, כך שההפסד מגשש הוא לעתים רחוקות גורם מגביל. יש לחבר ישירות למעגל את גששי המתח כדי ללכוד את האות.

שלושה שלבים בסיסיים לשם בדיקת טרום-התאמה
לשם בדיקת טרום-התאמה, מישור התדר מחולק לשלושה תת-מישורים או אזורים (איור 4). קיימת בדיקת טרום-התאמה של הספקטרום בעלת שלושה שלבים, המורכבת ממישור תוך-תחומי (ערוץ) (בודק את מוצא הספק השידור, רוחב-הפס של השידור וצפיפות ספקטרום ההספק); מישור חוץ-תחומי (בודק את פליטת הספקטרום או יחס הספק הערוץ הסמוך (adjacent channel power ratio -ACPR). המסכה מוגדרת בד”כ על-ידי תקני התקשורת דוגמת ה-IEEE והתחום האקראי, כדי לבדוק רמות פליטה אקראיות.
כאשר מתכננים או מעדכנים התקנה של התקן אלחוטי, חיוני לעתים קרובות לקבוע אם ציוד האלחוט יכול להשיג מרחק שידור מסוים. מידע זה איננו מופיע במפרטים של התקני האלחוט והאנטנות. יש לבדוק את התקנים והכללים כדי להבטיח שההתקן יכול לעבור את בדיקת ההתאמה. דבר זה מבוצע על-ידי תוכנה של ניתוח אותות וקטוריים ביחד עם נתח ספקטרום.
חשוב לציין שאותות WLAN אחדים עולים מעל רוחב-הפס של הנתח כדי לבצע את מדידת ההספק המשודר. לדוגמה, אות 802.11ac ידרוש רוחב-פס של לפחות 160 מגה-הרץ כדי לבצע את בדיקת הספק הפריצה (burst).
הצפיפות הספקטראלית של ההספק היא ההספק בתוך כל יחידה של תדר. ה-FCC דורש שהצפיפות הספקטראלית של הספק המובלת מהמקרין המכוון אל האנטנה לא יהיה גדול מ-8dBm בכל תחום של 3 קילו-הרץ במשך כל פרק זמן של שידור רציף. יש לכוון את תדר המרכז של נתח הספקטרום על תדר מרכז הערוץ, לכוון את ה-RBW ל-3 קילו-הרץ ולהשתמש בגלאי שיא וסמן כדי לקבוע אם רמת האמפליטודה המרבית היא גדולה מ-8dBm.

מדידת רוחב-פס תפוס
רוחב-פס תפוס היא מדידה של רוחב-הפס הכולל אחוז מסוים של ההספק הכולל של האות. רוחב-הפס התפוס היא מדידה של כמה רוחב-פס צורך אות בתוך ערוץ מוקדש. לרוב, רוחב-הפס התפוס מצוין כאחוז של ההספק הכולל בתוך רוחב-פס הערוץ המוקדש.
לאחר שמוצא ההספק המשודר של התקן עונה לדרישת ההתאמה בתוך-התחום, הוא ניתן להזזה כדי לבחון את השידורים מחוץ-לתחום. מסכה ספקטראלית היא ערכה מוגדרת מתמטית של קווים המתייחסת לרמות שידורי הרדיו. מסכה זו מספקת את הגבול עד שהספק האות מורשה להתחלק בתוך הערוץ. מסכת ספקטרום השידור מוגדרת עבור כל שוני מהתקן. ככלל, מישור מסכת שידור הספקטרום (או מחוץ לתחום) מתחיל בהיסט תדר של 0.5 פעמים רוחב-הפס הדרוש (רוחב-פס מוקדש לערוץ) ונמשך עד 2.5 פעמים רוחב-הפס הדרוש. לדוגמה, תחום מסכת השידור IEEE של אות 802.11g של 20 מגה-הרץ הוא מהיסט תדר של עד מגה-הרץ מהתדר המרכזי שלו.
שידור אקראי הוא כל תדר רדיו שלא נוצר או משודר במתכוון, במיוחד בהתקן היוצר בד”כ תדרים אחרים. אות הרמוני או אחר מחוץ לערוץ המשדר המוקצב ייחשב לפליטה אקראית. תקני ההסדר המקומיים מספקים את הגבול (ערך מורשה) של הספק פליטה אקראי של מישור פליטה בלתי-רצויה נתונה.

כיצד להתגבר על מורכבות שילוב ה-RF
יצרנים רבים מניחים שהם יכולים רק לקנות מודול אלחוט ולהשיג מוצר מורשה ומוכן לשיווק תוך מאמץ קטן ביותר. אולם גם עם מאמצי שילוב יחסית פשוטים, קיימים אזורים פוטנציאליים רבים של בעיות ודרישות הסדר מורכבות שיש למלא. בהתחשב בעלות הזמן הדרוש לגשת למתקן הרשאת התאמה, בדיקת טרום-התאמה היא הכרחית.
אולם, בחינה של כל התקנים והכללים היא קשה וגוזלת זמן. גם כאשר כל המידע אודות ההסדר נאסף, המהנדס צריך להכיר את ציוד הבדיקה ולוודא שכל המדידות נערכות כהלכה. נהלי טרום-התאמה עשויים להצטבר למאות קליקים בנתח הספקטרום.
כדי לפשט את התהליך, ספקי בדיקה ומדידה החלו מציעים הדרכה צעד-אחר-צעד או אשפים עבור השימוש באוסילוסקופ בעל תחום מעורב או נתחי ספקטרום כדי לבצע מדידות טרום-התאמה עבור התקני WLAN. יתר על כן, האבחונים אינם מוגבלים לבדיקות טרום התאמה. כלים אלה תומכים גם באבחון וניפוי נרחבים כדי להבטיח שתת-המערכת RF פועלת לפי הרמות המוגדרות מבלי להיות מופחתות על-ידי חלקים אחרים של המערכת המושלמת.

הכתבה נמסרה באדיבות חברת איסטרוניקס