רבים מכם זוכרים בוודאי את המסרון הראשון שקיבלתם, או את דף המרשתת הראשון שצפיתם בו בטלפון הנייד. כיום טלפונים נייידים יכולים להוריד סרטוני וידאו ברזולוציה גבוהה תוך שניות, ולספק קצב נתונים גבוה יותר מאשר סיפק המחשב הנייד הראשון שלכם. אולם האתגר העתידי העומד בפני תחום התקשורת האלחוטית – wireless -הוא גדול בהרבה מאשר מתן קצבי הורדה מהירים.
תוך עשור מספר ההתקנים המחוברים יעלה פי 10 על מספר האנשים המחוברים. לפיכך תקני התקשורת העתידיים מתפתחים על מנת שיוכלו לטפל במצבים חדשים הכוללים התקנים ולא רק אנשים. ההתקנים הללו לא רק שישתמשו בטכנולוגיות תקשורת אלחוטית, אלא גם ידרשו מכשור חדש ויצטרכו להיות בעלי תג מחיר נמוך. חברת נשיונל אינסטרומנטס – NI – ממשיכה לפתח את פלטפורמת ה-PXI על מנת שתוכל לענות על אתגרי המדידות של ההתקנים העתידיים.
עתיד התקשורת האלחוטית
התחזית של התאחדות התקשורת הבינלאומית (ITU) לתחום התקשורת הניידת הבינלאומית לשנת 2020, (IMT-2020), מתווה דרישות ברורות להתקנים המיועדים לתחומי השימוש בתקשורת אלחוטית. חזון זה, המתוכנן כמסגרת עבודה שתאגד את הדרישות הטכניות של דור התקשורת החמישי 5G, מתווה שלושה תחומי שימוש נפרדים. למרות שתחומי שימוש אלה מגדירים במיוחד את הדרישות מתקני התקשורת הניידת העתידית, הם גם משליכים על הדרישות המשתנות מטכנולוגיות כגון 802.11ad, 802.11ax, Bluetooth 5.0, NFC ואחרות.
התחום הראשון הוא תחום התקשורת הניידת המשופרת – Enhanced Mobile Broadband (eMBB) – המגדירה את ההתפתחויות בקיבולת הרשתות וקצב נתונים מירבי שרשתות התקשורת העתידיות ידרשו לענות עליהן. רשתות אלה מתוכננות לספק קצבי הורדה של כ-10Gbps, כלומר פי 100 ביחס למערכות LTE הפועלות עם גל נושא יחיד. תחום השימושים השני הוא תחום תקשורת עצימה בין מכונות – Massive Machine-Type Communication – תקשורת אלחוטית לקישור בין התקנים רבים במקומות מרובים במחיר נמוך. התחום השלישי מיועד לתקשורת אמינה במיוחד בין מכונות Ultra-reliable Machine-Type Communication – תחום זה מציב דרישות חדשות בתחום הקשור לקצבי שגיאות חבילה והשהייה.
איור 1. שלושה תחומי יישום לדור החמישי
הדרישות מהתקשורת העתידית הן לא רק קידום תקנים חדשים כגון NB-IoT, 5G ו-802.11ax אלא גם שינוי הדרך שבה מהנדסים מתכננים ובודקים את ההתקנים הניידים. למשל, רוחב סרט גדול יותר במכשירי הדור החמישי יחייב שלמכשירי המדידה יהיה רוחב סרט RF גדול אף יותר בהתאם. בנוסף, טכנולוגיות מרובות אנטנה כגון MIMO וטכנולוגיות עיצוב אלומה מציבים דרישה למכשור מדולרי גמיש שיוכל לתת מענה למערכות מדידה עבור מערכות תקשורת בעלות אנטנה יחיד ועד למערכי MIMO 8×8 ואף מעבר לכך. בנוסף התקני תקשורת זולים דורשים פיתוח גישה למדידות זולות. בתרחיש שבו מחירי מערכות תקשורת רדיו יוזלו לכדי 20% ממחירן כיום, מכשור המדידה העתידי חייב לספק יכולות מדידה מהירה וביצוע מדידות מרובות במקביל.
התפתחות מקמ”ש אות וקטרלי (VST) מתוצרת NI
בשנת 2012 NI הכריזה על מקמ”ש אות וקטרלי בתצורת PXI – PXI Vector Signal Transceiver . הנתח היה יחודי בכך ששילב במודול PXI יחיד מחולל אות RF בתדר 6GHz, נתח אות RF ל-6GHz, ו-FPGA לתכנות על ידי המשתמש. המכשיר התאפיין בביצועי RF מעולים שאפשרו לו לתפקד הן במעבדות מו”פ והן בבדיקת קווי יצור. שילוב ה-FPGA התאים את המכשיר למדידות ביישומים שונים, ממדידות תאוצה ועד לאמולציות ערוצי תקשורת. אך ההתפתחויות בתחום התקשורת חייבו שימוש בגישות חדשות לתכנון ומדידות RF. לפיכך NI הציגה את הדור השני של ה- VST, אשר היה בעל רוחב סרט גדול יותר, טווח תדרים גדול יותר, ורכיב FPGA משופר וכל זאת במכשיר בעל מקדם צורה קטן יותר.
איור 2. אלגוריתם DPD דורש רוחב סרט גדול פי 5
רוחב סרט
במהלך העשור הקודם התפתחו תקני התקשורת ורוחב הסרט שבו נעשה שמוש גדל באופן מאוד משמעותי, במטרה לאפשר קצבי שיא גבוהים יותר של תקשורת נתונים. למשל, מאז 2003 רוחב הפס בתחום ה- Wi-Fi גדל מ-20 מגהרץ ל-40 ואחר כך ל- 160 מגהרץ, כנדרש בתקן 802.11ax של ימינו. ערוצי תקשורת ניידת התרחבו מ-200 קילוהרץ ב-GSM ל-100 מגהרץ בתקן טכנולוגיות LTE-Advanced . בעתיד טכנולוגיות כגון LTE-Advanced Pro ו-5G ידחפו להגדלת רוחב הסרט עוד יותר.
כאשר מודדים התקני חצאי מוליכים נדרש רוחב פס גדול עוד יותר מאשר זה שנדרש בבדיקות מכשירי תקשורת. לדוגמא, כאשר בודקים מגברי הספק RF במצבי קדם עיוות ספרתי – digital predistortion (DPD) – מכשיר המדידה צריך להפיק בעצמו את המודל של מגבר ההספק, לתקן התנהגויות לא לינאריות ואז עליו להפיק צורת גל מתוקנת. אלגוריתם DPD מתקדם דורש לעתים קרובות רוחב סרט RF גדול פי 3 או אף 5 מרוחב הסרט של המגבר הנבדק ועל כן רוחב הפס של מכשיר המדידה צריך להגיע לכ-500 מגהרץ עבור בדיקת התקנים הפועלים בתקן LTE-Advanced (התקן דורש רוחב פס של 100 מגהרץ), ואילו עבור בדיקות בתקן 802.11ac/ax , שבו רוחב הפס הנדרש הוא 160 מגהרץ, צריך להשתמש במכשיר מדידה שרוחב הפס שלו מגיע ל-800 מגהרץ.
אחד השיפורים המשמעותיים ביותר של הדור השני של מכשירי VST הוא רוחב הפס הרציף שמגיע ל-1GHz. רוחב פס גדול זה מאפשר למהנדסים להשתמש במכשירי הדור השני על מנת להתמודד עם אתגרים שמכשירים קיימים לא יכלו להם.
סנכרון קל ומודולרי
תקני תקשורת מודרנית, מ-Wi-Fi ועד תקשורת ניידת, משלבים טכנולוגיות ריבוי אנטנות. במערכות בתצורת MIMO ניתן להגיע לשילוב של או קצבי נתונים גבוהים דרך יותר ערוצים מרחביים, או תקשורת יציבה יותר באמצעות עיצוב אלומה. בגלל היתרונות הללו של מערכות אנטנה בתצורת MIMO, טכנולוגיות התקשורת של הדור הבא, כגון 802.11ax, LTE-Advanced P ו-5G יעשו שימוש במערכות MIMO מורכבות אף יותר שיכללו עד ל-128 אנטנות עבור התקן יחיד. לא מפתיע הוא הדבר שמערכות MIMO מוסיפות מורכבות לתכנון ולבדיקות. לא רק שהן מגדילות את מספר ההדקים של ההתקן, אלא גם מציבות דרישות לסינכון ערוצים רבים. על מנת לבצע מדידות בהתקן MIMO מכשור הבדיקה חייב להיות בעל יכולת סינכרון מחוללי ונתחי RF רבים. לפיכך מנגנון הסינכרון של מכשיר המדידה, וגודלו, הם בעלי חשיבות קריטית.
למרבה המזל, הדור השני של מכשירי VST של NI הם קטנים למדי וכך המהנדסים יכולים לסנכרן עד 8 מודולי VST המשולבים באשיית PXI בעלת 18 חריצים, כאשר אחד מהם מיועד לבקר PXI.
איור 3. מערכת MIMO אופיינית בתצורת 8×8 בעלת 8 יחידות VST
מכשירי מדידה מוגדרי תוכנה
דרישה נוספת נדרשת ממכשירי מדידה לתקשורת אלחוטית של הדור הבא היא שמהנדסי הבדיקות יוכלו לתכנן אותם בתוכנה. לביצוע מדידות מתקדמות בתחום התקשורת אלחוטית המהנדס נדרש להתאים את קשחת (firmware) המכשיר. ביישומים שכאלה המהנדס ישיג שיפור ניכר של ביצועי מכשיר המדידה פשוט על ידי העברת פונקציות כגון לולאת בקרה בחוג סגור, האצת מדידה, עיבוד אות בזמן אמת ובקרת סינכרון התקנים נמדדים אל מכשיר המדידה עצמו.
תחום יישומים שבו מכשור מוגדר תוכנה יכול לספק לו פתרונות יחודיים הוא פיתוח אבי טיפוס למכ”ם. ביישום שכזה המתכנן יכול להשתמש ב-FPGA כסימולטור מטרות מושלם. מאפייני האות החוזר הנקלט במכ”ם, כגון השהיה והסטת תדר מכילים מידע על מרחק ומהירות המטרה. השילוב של רוחב הפס הגדול של ה-VST וה-FPGA מהווה שילוב אידיאלי לצורך אמולוציה של מטרות והקניית מאפיינים יעודיים למטרות בהתאם לסימולציה הנדרשת.
איור 4. תרשים מלבני של מערכת מכ”ם עם יחידת mmWave יעודית
השתלבות במערכת
אחד המאפיינים החשובים ביותר של ה-VST הוא ביכולתו להשתלב בפלטפורמה מוגמרת המשלבת חומרה ותוכנה. בעידן הנוכחי של רכיבים התקנים חכמים ומחוברים, מכשור מדידה מודרני השתנה ממכשיר בודד למערכת מדידה משולבת. מתן מענה לאתגרים כגון בדיקת מגברי הספק עוקבי מעטפת ופיתוח אבי טיפוס למערכות מכ”ם דורש פלטפורמת מכשור שניתנת לסינכרון, להתאמה ולבקרה בעזרת תוכנה. למרות שתקני התקשורת העתידית – החל בדור 5 וכלה ב-802.11ax יציבו אתגרי תכן ומדידה משמעותיים, הרי הדור השני של ה-VST של NI תוכננו במיוחד כך שיוכלו להתמודד אתם: הם בעלי רוחב סרט גדול יותר, מקדם צורה קטן יותר, ביצועי RF מעולים, ניתנים להתאמה יעודית באמצעות תוכנה, והם מסוגלים לספק מענה מתואם לאתגרי המדידה הקשים ביותר של היום ושל המחר.
