טקטרוניקס RSA306 מנתח אות קומפקטי רב – ביצועים

טקטרוניקס RSA306 הנו מנתח ספקטרום קומפקטי הפועל בהספק – נמוך מעוצב לנשיאה. אפשר להשתמש בו עם לפטופ ועם מחשב וטאבּלט אישיים בעלי חיבור USB 3.0. המכשיר מקבל את כל ההספק שלו (פחות מ-4.5 וואט), מחיבור זה. עיבוד הנתונים, התצוגה והאחסון, מתופעלים מעל גבי המחשב האישי, תכונה המאפשרת גודל קטן ויכולת נשיאה עבור המנתח עצמו, אך למגבלות הגודל וההספק נודעה השפעה על ביצועי תדר הרדיו הניתנים להשגה. מאמר זה ידון בפשרות הנחוצות על מנת ליצור מנתח ספקטרום רב – תכליתי הכולל את כל התכונות בתצורה מאד קטנה (מידות של “1”5″7.5, לערך), בעוד הרבה מהביצועים והשימושיות של מכשירים הרבה יותר גדולים, נשמרים.
מפרט ואיפיוני המכשיר
ה-RSA306 הנו מנתח ספקטרום זמן – אמיתי, ופירוש הדבר הוא כי הוא רוכש מדגמים עם דיגיטייזר (digitizer) מהיר ומעדכן באופן רציף את הספקטרום ברוחב פס הרכישה בזמן אמיתי באמצעות המרת פורְיֶה (Fourier). מרווחים גדולים יותר מיוצרים על ידי הזזה של התדירויות במתנד המקומי במכשיר והזרמה פנימה של מקטעי רוחב פס בזמן אמיתי אל תחום התדירות הרצוי. אפיוני הביצוע הבסיסיים עבור המכשיר RSA306, מוצגים בטבלה שלהלן (את המפרט המלא של ההתקן ניתן למצוא באתר החברה).
ניתן למצוא את רמת הרעש הממוצעת המוצגת (DANL) ואת רעש הפאזה עבור מרווחי תדר שונים בטבלה שלהלן. הסף הנמוך עבור RSA306 הינו טוב מאד והוא בר השוואה למכשיר מעבדה עצמאי, למשל, מכשיר טקטרוניקס RSA5106B, אך למכשיר המעבדה המצוי בתחום הביניים, כמו ה-RSA5106B, יש תחום דינמי ללא ספוריוס ורעש פאזה טובים יותר ב-25dB מזה של ה-RSA306. כמה מהפשרות בתכנון אשר נעשו ב-RSA306 ואשר משפיעות על מפרט הביצוע, יידונו בפרק שלהלן הדן בתכנון תדר הרדיו של המכשיר.

ארכיטקטורת המכשיר
קרוב לוודאי כי השינוי הבולט ביותר בארכיטקטורה של מכשיר זה בהשוואה למנתח זמן – אמיתי קונבנציונלי, הוא המקום בו נעשה עיבוד הנתונים. במנתח ספקטרום זמן – אמיתי טיפוסי, הנתונים מורדים ומומרים באופן ספרתי ומוכנסים לתוך זיכרון רכישה בתוך החומרה.
ב-RSA306, הנתונים הגולמיים מקודמים למחשב האישי על גבי ממשק ה-USB 3.0, וכל העיבוד הספרתי נעשה בתוך התוכנה שבמחשב האישי (איור 1). ההורדה וההמרה הספרתית לנתוני קלט – פלט (I-Q), הסינון, המרות הפורְיֶה, תיקוני הערוץ וחישובי תצוגת ה-DPX, נעשים כולם בתוך התוכנה. הדבר מצריך שימוש במעבד מודרני (אינטל 4 – ליבתי i7 או שווה ערך) על מנת שהעיבוד בתוך התוכנה יוכל לעקוב אחרי כמות הנתונים הרבה – 224MB/s, המגיעה מהמכשיר.
לחיבור הסופר מהיר USB 3.0 SuperSpeed יש שיעור איתות של 5.0Gb/s בכל כיוון. מאחר וה-USB 3.0 משתמש בקידוד 8B/10B, קצב העברת הנתונים מוגבל ל-4.0Gb/s, וכאשר פָּקֶטים טיפוסיים של תקורת פרוטוקול ו”לחיצת ידיים” נכללים בנתונים, קצב העברת הנתונים המעשי הוא קרוב מאד ל-3.2Gb/s. דיגיטייזר ה-14 ביטים שב-RSA306 דוגם את אות ה-IF בתדר של 112MHz, ומחולל זרימת נתונים של
224MB/s, מאחר וכל דגימת נתונים נארזת במילה בעלת 16 ביטים. תקורה נוספת של 0.2% מתווספת לנתונים עבור חותמות זמן ומידע מפעיל, וכך, מתקבל שיעור מידע כללי של 1.8Gb/s. בעוד נתון זה מצוי עמוק בתוך תחום שיעור ההעברה המעשי עבור ממשק ה-USB 3.0, טיבן המתפרץ של העברות המתבצעות באמצעות מערכת ההפעלה וינדוֹוּז של מייקרוסופט, עשויה עדיין להוות בעיה. למרבה המזל, לשבב הממשק Cypress FX3 USB 3.0 יש חוצצי זיכרון מסלול – נתונים להתניית זרם הנתונים. לצורך זה הוקמה מערכת של ארבעה חוצצים בעלת אותו האורך כאורך פרוטוקול המסגרת של ההתקן שלנו. החוצצים משמשים באופן של תזמון – הליכים – ולוח זמנים (round-robin fashion) להעברת נתונים. באופן מעשי, אנו מצאנו כי עם שימוש במעבד מהיר, אנו לא מאבדים מסגרות בפלטפורמות ההפעלה וינדווז 7 או 8 אלא אם רוחב פס מהותי נתפס על ידי תהליכים שאינם קשורים.
התוכנה הפועלת במחשב האישי מפקחת על כל ההיבטים של פעולת ה-RSA306. התוכנה מחולקת לשני חלקים: ה-RSA306 API ו-SignalVu-PC .SignalVu-PC הינו ממשק משתמש הפועל על גבי פלטפורמות רבות (מנתחי ספקטרום ומתנדים) ומציג תצוגות נתונים ובקרה באותו פורמט על גבי כל ההתקנים. התוכנה ניתנת לשימוש באופן עצמאי ללא היצמדות לפלטפורמת חומרה למטרות שחזור וניתוח נתונים שנקלטו. תוכנת ה-RSA306 API הינה רובד התאמת חומרה המתרגם את פקודות הבקרה המופקות על ידי SignalVu-PC לפקודות חומרה ספציפיות למנתח ספקטרום זה. רשימת פקודות ה-API היא ציבורית והיא ניתנת לשימוש בידי מתכנתים לכתיבת תוכנת תצוגה ובקרה משלהם עבור
ה-RSA306.
ב-SignalVu-PC ניתן לעבד ולראות באותו זמן תצוגות נתונים רבות. תצוגות בתוכנת רמת הבסיס, כוללות ספקטרום תדר, ספקטרוגרמת [spectrogram – עקומה מתגלגלת (מלשון scroll) של עצימות ספקטראלית כנגד זמן] תדר, סקירת זמן, משרעת לעומת זמן, קלט – פלט תדר – רדיו (RF I/Q), תצוגת אפנון אנלוגית (AM/FM/PM) ותצוגת ספקטרוגרמה/ספקטרום DPX. DPX הינו מפת צפיפות משתנה, בעלת צבעים שונים, המציגה את עצימות האותות בפס תדר נתון. הפעולה הטובענית ביותר מבחינת המעבד המתרחשת בתוכנה בעת פעולה רגילה, היא בניית תצוגת נתוני ה-DPX, אך מיטוב הקוד מאפשר עדכון מסך בזמן אמיתי בקצב של 24 מסגרות לשנייה.
תצוגות נוספות זמינות עבור מדידות של אפיוני אות עבור סוגים ספציפיים של אותות. תצוגות אלו זמינות כאופציות תוכנה לתצוגות הבסיסיות.
ניתוח אפנון דיגיטלי כולל את הכלים הבאים: תרשים קונסטלציה (constellation סוגי אפנון נתמכים, כולל QAM ,QPSK ,GMSK ,FSK ,APSK), קלט/פלט ממוצע – אפנון (demodulated) לעומת זמן, תרשים עין, משרעת וקטור שגיאה (EVM – error vector magnitude) לעומת זמן, סטיית תדר לעומת זמן, שגיאות משרעת לעומת זמן, שגיאת פאזה לעומת זמן, איכות אות, טבלת סימול מפוענח ותרשים סריג (trellis).
כלי המדידה של תדר רדיו משתנה בזמן, הינם תצוגות עקיבת זמן, סטטיסטיקות זמן וטבלת זמנים של השתנות התדר.
כלי ניתוח OFDM הינם כלהלן: תגובת ערוץ OFDM, תרשים קונסטלציה OFDM, מדידות OFDM EVM, OFDM שגיאת משרעת OFDM, שגיאת פאזה OFDM, סיכום איכות אות OFDM וטבלת סימול OFDM מפוענח.
כלי הניתוח (WLAN (WiFi הזמינים עבור 802.11a/b/g/j/n/p/ac כוללים את שלהלן: מדידות מסכת פלט ספקטרום, שטיחות ספקטרלית WLAN EVM, WLAN, שגיאת משרעת WLAN, שגיאת פאזה WLAN, הספק WLAN לעומת זמן, סיכום איכות אות WLAN וטבלת סימול WLAN מפוענח.
מדידות רדיו P25 של בטיחות הציבור כוללות מדידות MCPR (יחס הספק רב – נושא), תרשים קונסטלציה P25, תרשים עין P25, סטיית תדר לעומת זמן P25, הספק לעומת זמן P25, סיכום איכות אות P25 וטבלת סימול מפוענח P25.
לבסוף, כלי ניתוח אודיו כוללים תצוגה ספקטרום אודיו, מיצוי אפנון אודיו חי וסיכום מדידות אודיו.
תוכנת מיפוי זמינה גם, עבור תצוגה וקליטת מיקום אות, אם למחשב הבקרה יש מקלט GPS. קוד זה זמין עבור כל פלטפורמה המפעילה SignalVu-PC.
כמו כן, לתוכנת ה-SignalVu-PC הזמינה עבור מנתח RSA306, יש את היכולת לפעול כמקליט אות ברוחב פס של 40MHz. אם הדיסק במחשב האישי המפקח מהיר מספיק (נדרש דיסק קשיח בעל קצב כתיבה של 300MB/שנייה), ניתן להקליט נתונים ללא מרווחים על גבי הדיסק והדבר מוגבל רק על ידי קיבולת הדיסק. ניתן לאחסן נתונים כקובץ יחיד או כקבצים מרובים בעלי אורך זהה, לעיבוד מאוחר יותר. תוכנת Matlab זמינה לפתיחת הקבצים עבור עיבוד על ידי המשתמש, וניתן לערוך תיקוני מכשיר עבור .

תכנון עבור פעולה בהספק נמוך
מנתח הספקטרום RSA306 תוכנן מלכתחילה להיות התקן קומפקטי בהספק נמוך המסוגל לפעול רק עם ההספק המסופק באמצעות ממשק USB 3.0. מגבלות אלו חמורות: עם חיבורו, התקן ה-USB 3.0 מורשה לצרוך רק זרם של 100mA, והוא מסוגל לצרוך במירב 900mA לאחר חיבור מהמתח המסופק על ידי ממשק ה-USB 3.0 (אשר יכול להיות נמוך עד כדי 4.5 וולט לאחר הפסדי חיווט). לכן, ההתקן חייב לפעול בהספק של קרוב ל-4 וואט לרוחב כל התחום של טמפרטורות הפעולה, אשר הנו מ- -10° עד +55° עבור התקן ה-RSA306. מאחר שזרם הפעולה של RSA306 גדל עם הטמפרטורה, פעולה בטמפרטורת החדר חייבת להיות מוקטנת ב-30mA לערך על מנת שהיא תישאר בתוך תחום דרישות הפעולה של USB 3.0. לצורך השוואה, מנתח ספקטרום שולחני צורך 100 עד 400 וואט, בדרך כלל.
החלק הדיגיטלי של תכנון ה- (ADC ,FPGA ,USB3 I/F מקור שעון) צורך הסכם – 0.75 וואט, כולל הפסדים בהספקי המיתוג. שאר התכנון הכולל את שרשרת אות תדר הרדיו צורך כ-3.1 וואט. שרשרת אות תדר הרדיו (איור 2) כוללת מנחת קלט הניתן למיתוג, קדם – מגבר הניתן למיתוג, מנחת עדין – דרגות, ונקודת דרגה הניתנת למיתוג (המקונפגת באופן אוטומטי כפונקציה של קביעת רמת ייחוס לצמצום רעש ועיוות), אשר לאחריהם, נמצא אחד משבעה קדם – המסננים האנלוגיים הנבחרים על בסיס תדר הרדיו בקלט. בנקודה זו, האות נכנס למערבל הראשון שם הוא מומר לאחת משתי תדירויות ה-IF, 1190 או 2440MHz, כאשר התדירות נבחרת באופן אוטומטי על מנת למזער אותות מלאכותיים. לאחר סינון הגברה, האות מובל למערבל שני, שם התדירות IF השנייה של 140MHz מומרת כלפי מטה. תדר ה-IF מוגבר ולאחר מכן הוא מסונן עם מסנן SAW בעל רוחב פס של 42MHz, ולאחר מכן הוא עובר למסנן LC מדרגה שביעית לפני שהוא נשלח לדיגיטייזר.
מסלול אות תדר רדיו מסתמך מאד על ליניאריות הרכיבים על מנת למנוע הופעת דורבנות בעת הגברה וערבול. עבור שני רכיבים אלו, הליניאריות משתפרת, בדרך כלל, עם הגדלת ההספק. הרכיבים נבחרו בקפידה על מנת להבטיח ליניאריות טובה ורעש מצוין בעת פעולה בהספק נמוך. סינון להסרת דורבנות לא רצויים (הרמוניקות ותוצרי ערבול בין אות הקלט, מתנדים מקומיים ושעונים), מאפשר איפון תחום דינמי חופשי מתוצרים מלאכותיים – spurious-free dynamic range specification () של כ-50dBc לאורך תחום קלט אות תדר הרדיו. על מנת להשיג תכנון התקן נישא ובעל עלות נמוכה, נעשה שימוש בלוח יחיד של מעגל מודפס, עם מגנים מיניאטוריים, וקופסה אחת העשויה מיציקה. בהרבה תדירויות, ה-SFDR עומד ביעד המתוכנן של -65dBc; אך המגבלה העיקרית בנוגע לביצועים מלאכותיים, היא בידוד תדר הרדיו הניתן להשגה בין תת – המעגלים.
בחירה קריטית נוספת של רכיבים בתכנון, הייתה בתחום המסננים, אשר בהם, נעשה שימוש בחלקי ה-IF. למסננים SAW בעלי עלות נמוכה עם רוחב פס גדול, אדווה קטנה ודחייה טובה מחוץ – לפס, יש בדרך כלל גם הפסד גבוה באופן יחסי בתוך הפס. במקום שימוש בסינתסייזר תדר לולאה – מרובה, הבחירה בתכנון הייתה של רעש פאזה טוב לעומת ICים של סינתסייזר בעלי מתח נמוך על מנת לשמור על גודל ועלות קטנים. אלו נוספו למתנד גביש תדר גבוה ובעל סטייה מאד נמוכה, המשמש גם כשעון ה-ADC, דבר המביא לרעש פאזה מכובד והוגן ואשר הינו טוב מספיק עבור EVMים בסדר גודל של 1%.
ה-SFDR וביצועי רעש הפאזה מוגבלים, זאת עקב מגבלות הספק נמוך עבור התקן המקבל הספק מ-USB 3.0. עם זאת, סטנדרטים של מחשוב מתפתחים כל הזמן, ו-USB 3.1 מבטיח שיעורי העברת נתונים מהירים יותר וגם תוספת הספק בעתיד הקרוב. לעת עתה, למכשירי מעבדה, כמו סדרות ההתקן Tektronix RSA5k ו-RSA6k, יש מפרט תדר רדיו טוב יותר מאחר וההספק אינו מהווה בעיה, והם מבוקרים באמצעות שימוש באותה תוכנה ואותו ממשק משתמש.

יישומים טיפוסיים
הופעת תדר הרדיו הדיגיטלי (Digital RF) מהווה מקדם רב ערך של תופעת ה”אלחוטיות בכל מקום”, זאת בצירוף הופעת “אינטרנט הדברים” – (Internet of Things).
תדר הרדיו הספרתי הינו מיזוג טכנולוגיית מחשוב ספרתית בצורה של DSP ו-FPGAים לתוך יישומי תדר רדיו. הדבר הוביל לגידול מהיר של טכנולוגיות חדשות, כמו
ה-Bluetooth ,Wi-Fi ו-WiMAX, וכך הדבר הוביל גם למוצרי משתמש – קצה חדשים.
יישומים אלו נמצאים לעתים קרובות באותם חלקים של ספקטרום תדר הרדיו, דבר הדורש אותות מורכבים, משתנים בזמן, העושים שימוש באפנון המתאים את עצמו, קפיצות תדר וטכניקות – פרץ על מנת למנוע הפרעות.
עקב השתנות האות לאורך זמן, בעת בדיקת יישומי תדר רדיו אלו, יש צורך כעת בבדיקה באותה עת של תחומי הזמן, התדר והאפנון.
ה-RSA306A הנישא וקל המשקל, בעל מערך התכונות העשיר ויכולת הניתוח של תוכנת ה-SignalVu, הופך לפתרון בעל עלות נמוכה ביישומים רבים, כולל: צייד הפרעות – יחד עם “רוחב פס מביט” זמין גדול מאד עם תדר של 40MHz בצירוף DPX זמן – אמיתי, מיפוי וזרימת ספקטרום חברתי, ה-RSA306A מסוגל למצוא ולבודד במהירות אותות מעבר עד גודל של 10ms, כמו גם לזהות בקלות בעיות הפרעות בין – ערוציות.
חינוך – ה-RSA306A מעניק למורים ולתלמידים אפשרות לעבוד עם פתרון במחיר נמוך ומאפשר ניתוח רב – תחומי (ספקטרום, זמן, תדר ואפנון) במכשיר אחד, עם תוכנה חינם וחומר לימוד. ניתן להבין בקלות ולנתח באופן שאפשר לראות את האינטראקציה בין פרמטרים אנלוגיים וספרתיים ושל תדר רדיו, דבר אידיאלי ללימוד ולמעבדות מחקר.
התקנת רשת ותחזוקה – מנתח נישא ורגיש אך גם העומד בתנאים קשים והמקבל הספק מ-USB 3.0, מאפשר למהנדסים לבצע את כל מדידות תדר הרדיו במקום הבדיקה עצמה ולקבוע את מצב רשת הרדיו/האלחוט. תמיכה מלאה עבור טטרה
(), 25P ו-WLAN, הופכת את הדיאגנוזה של כשלים ברשת למהירה ונוחה והיא גם מעניקה אפשרות לבדיקת פעולה מלאה של רשתות רדיו ניידות פרטיות, מערכות רדיו תא – מטען והפעלת תחזוקה מונעת.

דייב מהטה הינו מנהל שיווק טכני בחברת טקטרוניקס
הכתבה נמסרה באדיבות מחלקת טקטרוניקס באיסטרוניקס