Skip navigation
All Places > Keysight Blogs > Keysight Russia > Blog
1 2 3 4 Previous Next

Keysight Russia

53 posts

В этой заметке мы обсудим “Основную причину закрытия глазковой диаграммы”.

После прочтения этой заметки загрузите прилагаемый проект ADS и поэкспериментируйте с преобразованием Фурье и симуляцией канала.

 

Введение

Если вам нужно передавать по длинным дорожкам петчатной платы сигналы на гигабитных скоростях, то даже если сделать всё правильно, т.е. использовать линии с согласованным импедансом и нагружать их корректно, потери по-прежнему остаются проблемой.

 

В частности, существуют частотно-зависимые потери, которые существенно снижают качество сигнала в приёмнике. На рисунке 1 показаны глазковые диаграммы частотно-зависимых потерь и постоянных потерь с одинаковой величиной потерь на частоте Найквиста.

Рисунок 1. Моделирование в САПР ADS двух разных каналов с равными потерями на частоте Котельникова. Закрытие глазка в канале с частотно-зависимыми потерями более заметно, чем в канале с постоянными потерями (глазковые диаграммы смещены, чтобы продемонстрировать закрытие глазка).

 

Для одинаковых передатчиков, приёмников и одинаковых потерь на частоте Найквиста канал с частотно-зависимыми потерями демонстрирует больше межсимвольной интерференции (ISI) и больше ухудшает глазок по горизонтали, чем канал с постоянными потерями.

Но почему?

В этой статье мы передадим по каналу одиночный импульс и используем наши знания о преобразовании временной области в частотную и обратно для оценки влияния частотно-зависимых потерь.

 

Одиночный импульс в частотной области

Чтобы рассмотреть импульс в частотной области, мы выполним преобразование Фурье и разложим входной сигнал, канал и выходной сигнал на соответствующие частотные спектры. На рисунке 2 показана математическая взаимосвязь входного сигнала, канала и выходного сигнала.

Рисунок 2. Применение преобразования Фурье к входному сигналу, каналу и выходному сигналу.

 

После преобразования свёртка во временной области соответствует перемножению в частотной области. Выходной спектр получается в результате умножения входного спектра на частотную характеристику канала.

 

На рисунке 3 показан проходящий через канал одиночный импульс во временной и частотной областях. Частотная и временная области являются двумя сторонами одной и той же медали, а значит, если мы знаем частотный спектр сигнала, то можем применить к нему обратное преобразование Фурье и получить представление сигнала во временной области.

Рисунок 3. Прохождение одиночного импульса через канал.

 

На рисунке 3 хорошо заметно отличие формы спектра входного и выходного импульса. Мы, конечно, знаем, что канал должен менять входной спектр, но ...

Почему частотная характеристика канала растягивает выходной сигнал во временной области?

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте внимательней рассмотрим взаимосвязь временной и частотной областей.

 

Реконструкция сигнала по его спектру

Представление в частотной области показывает, как разные частотные составляющие взаимодействуют друг с другом и создают сигнал во временной области. Синусоидальные сигналы разной частоты складываются с разными фазами и формируют сигнал во временной области.

 

Таким образом, форма частотного спектра очень важна, если вы хотите реконструировать форму исходного сигнала во временной области. Например, если мы разделим амплитуду всего спектра на два, то можно предположить, что результирующий сигнал во временной области будет тем же одиночным импульсом, но с вдвое меньшей амплитудой.

 

Рисунок 4. Представление исходного и видоизменённого сигнала во временной и частотной областях в САПР ADS. Поскольку разные частотные составляющие в сумме дают форму исходного импульса, то если отношение амплитуд составляющих не изменилось, форма сигнала во временной области остаётся прежней.

 

На рисунке 4 показан видоизменённый спектр той же формы и соответствующее ему обратное преобразование Фурье. Как и ожидалось, поскольку со всеми частотными составляющими была проделана одна и та же операция – деление на два, соотношение между ними осталось прежним. Следовательно, форма одиночного импульса во временной области остаётся той же, но амплитуда действительно уменьшается вдвое.

 

Однако если обработать не весь спектр целиком, а лишь небольшую его часть, то небольшое изменение спектра существенно повлияет на форму одиночного импульса, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Хотя спектр изменён незначительно, относительная амплитуда частотных составляющих изменилась. Новая форма спектра уже не соответствует исходному одиночному импульсу.

 

Хотя на рисунке 5 показан крайний случай, в котором удалена некоторая часть спектральной составляющей, он демонстрирует важность обработки спектра как единого целого, чтобы сохранить соответствующую форму сигнала во временной области.

 

Чтобы увидеть, как будет выглядеть одиночный импульс после прохождения через канал, давайте посмотрим, как канал влияет на разные частотные составляющие.

 

Частотная характеристика канала меняет спектр

На рисунке 6 показано, что частотная характеристика канала по-разному меняет разные составляющие спектра. Следовательно, можно предположить, что форма реконструированного импульса будет отличаться от исходной.

 

Рисунок 6. Частотная характеристика канала подавляет высокие частоты больше, чем низкие.

 

В частности, поскольку канал подавляет высокие частоты, в большей мере влияющие на быстрые перепады сигнала, чем низкочастотные составляющие, передний и задний фронты импульса на выходе канала растянутся.

 

Сравнение канала с потерями с каналом без потерь на рисунке 7 демонстрирует результат, соответствующий нашим предположениям. Канал с потерями неравномерно искажает спектр исходного входного импульса. Во временной области крутые фронты импульса растягиваются.

 

Рисунок 7. Поскольку канал с потерями подавляет высокие частоты больше, чем низкие, крутые фронты одиночного импульса растягиваются.

 

Растяжение одиночного импульса называют межсимвольной интерференцией (ISI), поскольку такой импульс начинает взаимодействовать с предшествующим и последующим импульсом. Снижение ISI способствует раскрытию глазка.

 

Как избежать закрытия глазка

Поскольку частотно-зависимые потери приводят к закрытию глазка, для его открытия можно сделать следующее:

  • Сократить уровень потерь
  • Устранить частотную зависимость потерь

 

Если скорость передачи данных фиксирована, то для сокращения уровня потерь можно:

  • Максимально сократить длину дорожки на печатной плате
  • Использовать подложку с меньшими Dk и Df
  • Использовать более прямолинейную трассировку проводников и добиться наименьшего сопротивления линии передачи, на сколько позволяет технологический процесс и бюджет

 

Чтобы устранить частотную зависимость потерь, можно скорректировать спектр каким-либо приемлемым методом:

  • CTLE: непрерывный линейный эквалайзер
  • FFE: эквалайзер с упреждающей связью
  • DFE: эквалайзер с решающей обратной связью

 

На рисунке 8 приведён пример применения эквалайзера для открытия глазка.

Рисунок 8. Результат коррекции в модели канала ADS (глазковые диаграммы смещены, чтобы продемонстрировать открытие глазка).

 

Не забудьте заказать бесплатную пробную версию ADS и загрузить прилагаемый проект для экспериментов с преобразованием Фурье и моделированием канала.

 

Знание ключевых параметров генератора сигналов произвольной формы (AWG) позволяет принять оптимальное решение при покупке, сэкономив время и деньги. Научитесь сравнивать параметры генераторов сигналов произвольной формы разных типов и производителей: объём памяти, частоту дискретизации, динамический диапазон и полосу сигнала. Давайте обсудим эти параметры подробнее.

 

Объём памяти

Объёмом памяти называется количество ячеек памяти, доступных для сохранения длинных сигнальных последовательностей, создаваемых пользователем. Этот параметр выражается в выборках (выб). Данные из памяти поступают на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который создаёт ступенчатое представление нужного сигнала. Большие частоты дискретизации и объёмы памяти нужны для более точного воспроизведения сигналов.

 

Частота дискретизации

Частотой дискретизации называется число выборок, которые может выдать ЦАП за определённый интервал времени. Этот параметр выражается в гигавыборках в секунду (Гвыб/с). Частота дискретизации определяет максимальную частотную составляющую выходного сигнала генератора. Кроме термина «частота дискретизации» часто используются термины «тактовая частота» и «частота выборок». Основная формула, связывающая объём памяти с частотой дискретизации выглядит так:

 

Объем памяти / Частота дискретизации = Время воспроизведения

 

Из этой формулы видно, что с ростом частоты дискретизации необходимый объём памяти растёт, а время воспроизведения сокращается. Время воспроизведения определяет максимальную длительность сигнала, которую может создать генератор сигналов произвольной формы. Также это время воспроизведения называют временем до повторения. Например, при объёме памяти 256 квыб и частоте дискретизации 64 Гвыб/с получается время воспроизведения 4 микросекунды. Это не очень большое значение. Вот почему для увеличения времени воспроизведения нужен большой объём памяти.

 

Динамический диапазон – вертикальное разрешение (разрядность ЦАП)

Этот параметр характеризует выходной сигнал ЦАП и выражается минимальным значением шага напряжения. Динамический диапазон измеряется в децибелах по отношению к амплитуде несущей (дБн). Например, 8-разрядный ЦАП для создания нужного сигнала может вывести два в восьмой степени или 256 значений напряжения. Сравнивая разрядность ЦАП генераторов сигналов произвольной формы разных моделей важно знать, что каждый дополнительный разряд ЦАП удваивает вертикальное разрешение.

 

Полоса частот сигнала

Выход генератора сигналов произвольной формы ограничен некоторой максимальной выходной частотой. Полосой сигнала генератора называют диапазон частот выходного сигнала, который он может надёжно воспроизвести. Этот параметр называют еще “скоростью передачи данных” и измеряют в гигабитах в секунду (Гбит/с). Заметьте, что полоса сигнала зависит от частоты дискретизации, но не равна ей. Давайте рассмотрим, почему это происходит:

  1. ЦАП должен точно воспроизводить сохранённый в памяти сигнал, создавая не менее двух значений сигнала за период. Это следует из теоремы Котельникова. В результате частота дискретизации 1 Гвыб/с соответствует частоте выходного сигнала ЦАП 500 МГц, что равно половине частоты дискретизации.
  2. Выходной сигнал ЦАП не гладкий, а является ступенчатым представлением сохранённой в памяти формы напряжения. В связи с этим выходной сигнал ЦАП нужно фильтровать. Для этого в генераторе сигналов произвольной формы используется так называемый восстанавливающий (реконструкционный) фильтр, который сглаживает выходной сигнал. Однако за такую фильтрацию приходится расплачиваться дополнительными 10 процентами отношения частоты дискретизации к частоте выходного сигнала. Формула этого соотношения приведена ниже. Например, упомянутая выше частота дискретизации 1 Гвыб/с позволяет получить максимальную частоту выходного сигнала 400 МГц.

 

Максимальная частота выходного сигнала генератора = Частота дискретизации x 40 %

 

Динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (SFDR)

Этот параметр измеряется в частотной области и определяется отношением амплитуд выбранной частоты к амплитуде наивысшей видимой паразитной или гармонической составляющей в заявленной полосе. Это значение измеряется в децибелах по отношению к амплитуде выбранной частоты. В центре экрана на рисунке 1 показана выходная частота генератора, а слева от неё видна паразитная составляющая, амплитуда которой на 94,54 дБ меньше.

 

Рисунок 1. Отношение уровня центральной частоты к уровню паразитной составляющей


Число эффективных разрядов (ENOB)

Число эффектинвных разрядов (англ. Effective Number of Bits) или просто ENOB определяется на основе разрядности ЦАП. Оно меньше разрядности ЦАП из-за влияния гармоник, паразитных сигналов и собственных шумов генератора. Заметьте, что этот параметр меняется в пределах полосы частот генератора, поэтому для получения значения на интересующей вас частоте нужно использовать график зависимости ENOB от частоты. Заметьте также, что график на рисунке 2 относится к 14-разрядной системе, но из-за влияния шумов и искажений приёмника видно, что на частоте 1,5 ГГц реальное разрешение снижается до 9 разрядов.

Рисунок 2. Зависимость ENOB от частоты

 

ENOB отлично демонстрирует реальные характеристики генератора сигналов произвольной формы с учётом эффектов, влияющих на качество сигнала. ENOB можно измерить или рассчитать (формула приведена ниже). Заметьте, что SINAD – это отношение полной мощности сигнала к мощности шумов и помех.


Джиттер

Джиттер сигнала может вызвать сдвиг фронтов и уровней сигнала, что может привести к возникновению ошибок в системе. Значение джиттера обычно определяется двойным размахом (от пика до пика) сдвига между тактовой частотой и выходными данными и измеряется в пикосекундах.

 

Заключение

  • Знайте основные параметры генератора сигналов произвольной формы, чтобы правильно выбрать генератор для своей задачи:
  • Объём памяти, частота дискретизации и время воспроизведения взаимосвязаны.
  • Полоса сигнала не совпадает с частотой дискретизации, а равна 40% от этого значения.
  • О реальном разрешении нужно судить по ENOB, а не по разрядности ЦАП.
  • Учитывайте параметры джиттера для оценки истинного качества сигнала.

 

Дополнительная информация о генераторах сигналов произвольной формы приведена в документе "Keysight Fundamentals of Arbitrary Waveform Generation - Reference Guide".

Инженеры, исследующие целостность сигналов и цепей питания используют САПР ADS для исследования эффектов прохождения высокоскоростных сигналов, таких как искажения, рассогласования и перекрёстные помехи. Опираясь на прочный интеллектуальный фундамент, САПР ADS развивается уже многие годы. ADS 2017 предлагает новые возможности и функции, которые делают ее инструментом, необходимым современным инженерам для успешной работы.

 

Последняя версия ADS является более мощной, быстрой и более универсальной платформой для анализа целостности сигналов и цепей питания. Прочтите о десяти новых возможностях САПР ADS 2017 для анализа целостности сигналов и цепей питания или посмотрите видео.

 

 

  1. Улучшенный редактор подложки

Новый усовершенствованный редактор подложки обладает эффективными функциями редактирования, поддерживающими большое число слоёв. Упрощённый интерфейс редактора сокращает время настройки моделирования и повышает производительность.

ads2017 substrate editor

  1. Быстрая маркировка цепей

Маркировка портов нужными именами занимает много времени, особенно если их много. Новая функция импорта маркировки в формате CSV позволяет эффективно маркировать десятки портов.

ads2017 fast wire labeling

  1. Параллельное свипирование в Windows

Пакетная (Batch) симуляция в САПР ADS 2017 может работать в турбо режиме, как в Linux, так и в Windows. Используя лицензию на пакет из восьми Элементов и менеджер симуляции, вы можете применить мощные параллельные вычисления на своей рабочей станции. Сократите время симуляции больших свипирований с помощью менеджера симуляции.

 ads2017 parallel sweep

  1. Статистический режим PAM-4

В процессе моделирования сигналов PAM-4, вплоть до BER=10-16, побитное моделирование может занимать часы. Теперь САПР ADS 2017 поддерживает PAM-4 в статистическом режиме. Вы можете моделировать PAM-4 до очень низких значений BER за считанные секунды или минуты.

 

  1. Функция проверки S-параметров смешанного режима

Теперь с улучшенной функцией проверки S-параметров можно несколькими щелчками мыши преобразовать несимметричные S-параметры в S-параметры смешанного режима.

ads2017 mixed mode s-param checker

  1. Спектральные пороги S-параметров

Обычно с ростом числа портов скорость моделирования снижается. Алгоритм обработки «спектральных порогов» в САПР ADS 2017 устраняет слабо связанные порты до проведения моделирования. В результате повышается скорость моделирования для большого числа портов без потери точности.

ads2017 faster simulation

  1. Новые и улучшенные компоненты IBIS

Вы ищете какие-то конкретные выводы в модели IBIS, чтобы взаимодействовать с ними? Улучшенный интерфейс компонентов IBIS помогает быстро отсортировать и выбрать нужные выводы. Благодаря удачно выбранным стандартным настройкам схема IBIS становится понятней, а время настройки сокращается.

ibis components

  1. Новый инструмент проектирования 3D переходных отверстий открывает доступ к их точным моделям

Серьёзной проблемой при моделировании высокоскоростных последовательных соединений является отсутствие моделей переходных отверстий, сохраняющих точность на высоких частотах. Для решения этой проблемы ADS 2017 представил инструмент Via Designer, позволяющий создавать и моделировать переходные отверстия печатной платы (для несимметричных и дифференциальных линий), позволяя полностью контролировать их параметры.

ads2017 3d via designer

  1. Оптимизация перечня блокировочных конденсаторов в PIPro

Функция оптимизации блокировочных конденсаторов в PIPro может учесть все расположенные на печатной плате конденсаторы и найти оптимальное решение, отвечающее заданному профилю импеданса. Пользователь может найти оптимальное решение, указав критерии оценки, такие как: число конденсаторов, модель конденсатора, производитель или цена. Алгоритм PIPro интеллектуально ранжирует возможные решения, достигая оптимального компромисса между ценой и эффективностью.

decap output

  1. Функции электротермических расчётов по постоянному току в PIPro

Чтобы найти истинное падение напряжения в цепях питания, нужно учитывать тепловые эффекты. PIPro выполняет автоматический поиск электрического и теплового решения для каждой цепи питания, позволяя понять распределение тепловой энергии по плате. PIPro рассчитывает распределение температур, позволяя убедиться в том, что температуры переходных отверстий, дорожек и элементов печатной платы находятся в допустимых пределах.

ads2017 electro-thermal

Эти 10 новых возможностей – лишь малая часть новых функций и улучшений, вошедших в последнюю версию САПР Advanced Design System (ADS) 2017. Наряду с улучшением анализа целостности сигналов и цепей питания в пакет внесены усовершенствования для разработчиков ВЧ/СВЧ цепей, занятых проектированием ВЧ плат, модулей и ИС. Все новые функции и возможности САПР описаны на нашем сайте. Здесь же можно заказать пробную версию ADS 2017.

 

БЕСПЛАТНАЯ пробная версия ADS | Keysight EEsof EDA

Обычно мы публикуем в этом блоге советы по работе с осциллографом, но сегодня мы хотим рассказать о другом контрольно-измерительном приборе, который часто используется вместе или наряду с осциллографами.

 

Генераторы сигналов произвольной формы (англ. - Arbitrary Waveform Generator (AWG)) являются самыми гибкими среди всех генераторов. Эти приборы могут генерировать любые математически описанные сигналы, включая синусоидальные, импульсные, модулированные, многотональные, поляризованные и фазоуправляемые сигналы. Часто генератор сигналов произвольной формы выступает в роли рабочей лошадки, поскольку может выполнять функции генераторов любого другого типа. Типовая структурная схема генератора сигналов произвольной формы показана ниже. Сначала цифровое описание сигнала извлекается из памяти. Затем выборки сигнала поступают на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), фильтруются, усиливаются и выводятся в виде аналогового сигнала.

 

Типовая структурная схема генератора сигналов произвольной формы

 

Подробное описание функциональных блоков генератора сигналов произвольной формы

1. Память

Цифровое представление сигнала может загружаться в память генератора сигналов произвольной формы из различных программных приложений, таких как MATLAB, LabView, Visual Studio Plus, IVI и SCPI. Память тактируется с максимальной частотой дискретизации, которую поддерживает генератор. Объём памяти определяет максимальное время воспроизведения сигнала. Для определения времени воспроизведения можно воспользоваться простым правилом: нужно разделить объём памяти на частоту дискретизации. Чем выше частота дискретизации, тем быстрее будет расходоваться память.

 

2. Секвенсор

Секвенсор может решить проблему ограниченного объёма памяти, позволяя строить сигнал из отдельных сегментов. Для этого секвенсору нужно извлекать из памяти только ключевые фрагменты сигнала, а не считывать её постоянно. Это можно представить себе так: допустим, вы записываете матч по гольфу. Сколько времени займёт запись, если записывать только те моменты, когда игроки бьют по мячу, а их прогулки и установку мяча не записывать? Секвенсор работает примерно так же, считывая из памяти только переходы сигнала, и не обращаясь к ней, когда сигнал не меняется. Синхронизация поддерживается генератором синхросигнала, который включает воспроизведение в нужные моменты. Синхрособытие может быть внутренним, внешним или поступать из другого генератора.

 

3. Маркеры и синхросигналы

Выходы маркеров нужны для синхронизации внешнего оборудования. Входы синхросигналов используются для изменения режима работы секвенсора, что приводит к подаче на ЦАП сигнала нужной формы. В приложениях, требующих точной синхронизации (например, для создания широкополосных ЛЧМ сигналов) могут использоваться аппаратные или программные синхрособытия. Кроме того, их можно использовать для синхронизации нескольких генераторов, которые надо запускать одновременно.

 

4. Генератор тактовой частоты

Генерация сигнала выполняется под управлением внутреннего или внешнего источника тактовой частоты. Контроллер памяти сохраняет элементы сигнала в памяти, а затем подаёт их в нужном порядке на ЦАП. Контроллер памяти экономит место, зацикливая повторяющиеся элементы, что позволяет записывать такие элементы в память сигнала лишь однократно. Генератор тактовой частоты управляет работой и ЦАПа и секвенсора.

 

5. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

Содержимое памяти сигнала считывается в ЦАП. Здесь цифровые значения напряжения преобразуются в аналоговые напряжения. Разрядность ЦАПа непосредственно характеризует вертикальное разрешение генератора сигналов произвольной формы. Чем выше разрядность ЦАПа, тем больше вертикальное разрешение, и тем больше деталей может содержать выходной сигнал. Для достижения большей скорости обновления сигнала по сравнению со скоростью чтения памяти, ЦАПы могут использовать интерполяцию.

 

6. Фильтр нижних частот

Поскольку сигнал на выходе ЦАПа представляет собой последовательность ступенек напряжения, он богат гармониками и требует фильтрации для получения сглаженного синусоидального аналогового сигнала.

 

7. Выходной усилитель

После фильтра сигнал поступает на усилитель. Усилитель контролирует коэффициент усиления и смещение. Это даёт гибкость, необходимую для настройки амплитуды и смещения выходного сигнала в зависимости от конкретного приложения. Например, вам может понадобиться широкий динамический диапазон для сигналов РЛС и спутникового оборудования или широкая полоса для высокоскоростных и когерентных оптических решений.

 

Используйте описанную в этом блоге структурную схему для понимания того, что происходит внутри генератора, и для полного использования его возможностей. Для более глубокого изучения работы генератора сигналов произвольной формы я рекомендую загрузить подробное руководство "Основы генераторов сигналов произвольной формы".

Полосой пропускания осциллографов и осциллографических пробников называется выраженный в герцах диапазон рабочих частот. Обычно полоса пропускания определяется по частоте, на которой сигнал ослабляется до 70,7 % от исходного значения входного сигнала, что соответствует снижению уровня на 3 дБ. Большинство производителей осциллографов стараются сделать амплитудно-частотную характеристику осциллографа/пробника в указанном частотном диапазоне как можно равномернее, и большинство потребителей просто полагаются на указанную полосу пропускания осциллографа или пробника, не задумываясь над тем, действительно ли они получают указанную полосу для всего измерительного тракта, начиная с наконечника пробника. Теперь вы можете воспользоваться приведенными ниже несложными пошаговыми инструкциями для проверки полосы пропускания своего пробника с осциллографом, которым вы пользуетесь.

 

Рис. 1 Пример гауссовой амплитудно-частотной характеристики осциллографа.

 

Для измерения полосы пропускания осциллографического пробника часто используют векторный анализатор цепей (VNA), который обычно дорого стоит и сложен в использовании. Кроме того, типичные пассивные пробники обладают высоким сопротивлением и рассчитаны на подключение ко входу осциллографа с входным сопротивлением 1 МОм, что делает традиционный метод измерения параметра S21, используемый векторным анализатором, сложно реализуемым в связи с тем, что эта система обладает волновым сопротивлением 50 Ом.

 

Другой способ измерения полосы пропускания заключается в непосредственном измерении АЧХ с помощью источника синусоидального сигнала, ответвителя и измерителя мощности. Для выполнения такого измерения вам придётся подключить эти приборы через интерфейс дистанционного управления, такой как GPIB или USB. Ручное выполнение этой работы очень трудоёмко, подвержено ошибкам и требует больших усилий при необходимости внесения изменений в измерительную схему.

 

Более простой способ измерения полосы пропускания пробника, а особенно пробника с узкой полосой (например, пассивного пробника с полосой <1 ГГц), заключается в выполнении измерения во временной области с помощью осциллографа, имеющего встроенный источник прямоугольного сигнала, функцию дифференцирования и функцию быстрого преобразования Фурье (БПФ). Для использования этого метода осциллограф должен поддерживать второй функциональный выход. В противном случае альтернативный метод заключается в сохранении осциллограммы осциллографом, импортировании её в компьютерное ПО анализа, такое как Matlab, и применении математических функций для обработки прямоугольного сигнала.

 

Когда вы подаёте на свою систему прямоугольный сигнал, вы получаете отклик на перепад. Если теперь применить к нему дифференцирование, вы получите импульсную характеристику; выполнив быстрое преобразование Фурье от этой импульсной характеристики, вы получите частотную характеристику системы.

 

Осциллограф реального времени Keysight Infiniium является превосходным инструментом для такой быстрой оценки полосы пропускания. Ниже приведена пошаговая процедура измерения. В данном примере измерения использовался пассивный пробник N2873A 500 МГц и осциллограф Infiniium DSO9404A с полосой пропускания 4 ГГц.

  • Подключите вспомогательный выход осциллографа ко входу осциллографа с помощью измерительной оснастки, такой как Keysight E2655C, и 50-омного кабеля с разъёмом BNC. Осциллограф Infiniium имеет вспомогательный выходной порт Aux, обеспечивающий прямоугольный сигнал с крутыми фронтами (~340 пс, 10-90 % для серии Infiniium 9000), который предназначен для калибровки пробника. Важно отметить, что длительность фронта сигнала источника должна быть короче фронта пробника, и АЧХ источника должна быть достаточно равномерной в исследуемой полосе частот.

 

Рис. 2. Измерение источника сигнала сопротивлением 25 Ом с помощью измерительной оснастки Keysight E2655C

 

  • Подключите пробник к измерительной оснастке для измерения одного фронта источника. Провод заземления пробника должен быть как можно короче для снижения влияния на исследуемую цепь.

Ch 1 (жёлтый) = источник (выход Aux), нагруженный пробником
Ch 2 (зелёный) = измеренный выход пробника

 

Рис. 3. Развертка крутого фронта

 

  • Расположите фронты сигналов по центру экрана, настройте запуск по выходу пробника (ch2) и используйте усреднение или захват с высоким разрешением для снижения шума сигнала.
  • Используйте встроенную математическую функцию осциллографа для дифференцирования реакции на перепад. Вы получите импульсную характеристику канала 2, к которому подключен пробник. Привяжите дифференцированный выход реакции на перепад к функции F1 осциллографа.

Рис. 4. Использование встроенной математической функции осциллографа для дифференцирования реакции на перепад

 

  • Примените к импульсной характеристике (F1) измеренного прямоугольного сигнала встроенную функцию FFT Magnitude. Измените масштаб БПФ на 100 МГц/дел (центральная частота на 500 МГц при полной полосе экрана 1 ГГц) и 3 дБ/дел по вертикали.

 

Рис. 5. Примените к импульсной характеристике встроенную функцию FFT Magnitude

 

  • Теперь вы получите график амплитудно-частотной характеристики. Поскольку вертикальный масштаб БПФ установлен на 3 дБ/дел, а горизонтальный масштаб – на 100 МГц/дел, можно увидеть, что пробник имеет полосу пропускания ~530 МГц.

 

Рис. 6. Теперь вы получили график АЧХ

 

Но есть одна хитрость. В некоторых осциллографах функция дифференцирования производит наилучшее приближение наклона по трём соседним точкам, а затем присваивает этот наклон центральной точке. Это может исказить результаты измерения, если плотность выборок на спаде характеристики окажется недостаточно большой, поэтому поэкспериментируйте с плотностью выборок и убедитесь, что она не влияет на полосу пропускания.

 

Заключение

Применение встроенных математических функций современных цифровых осциллографов позволяет измерить частотную характеристику или полосу пропускания пробника по его реакции на прямоугольный сигнал с крутыми фронтами. По сравнению с некоторыми другими методами измерения этот подход является самым простым и не требует применения дорогостоящих измерительных приборов.

Практически все, кому приходилось работать с осциллографом хотя бы раз, пользовались осциллографическим пробником. Некоторые остались довольны, а некоторые – нет, возможно, по своей собственной вине. В этой статье я постараюсь развеять некоторые мифы и заблуждения, сложившиеся вокруг осциллографических пробников, чтобы пользователи могли получать более достоверные результаты измерений.

 

МИФ 1 Для измерения сигнала частотой 100 МГц нужно брать пробник с полосой пропускания 100 МГц.


Полоса пропускания осциллографических пробников определяется тем же способом, что и полоса пропускания осциллографа, с которым они используются – по спаду амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) на 3 дБ. Чтобы проиллюстрировать этот факт, мы измерили синусоидальный сигнал с размахом амплитуды 1 В и частотой 100 МГц с помощью пробника с полосой 100 МГц. Амплитуда сигнала на выходе пробника снизилась до 0,7 В. Следовательно, пробник с полосой пропускания 100 МГц не вполне подходит для измерения сигнала 100 МГц. Согласно простому и широко известному правилу, полоса пропускания пробника должна в 3-5 раз превышать максимальную частотную составляющую измеряемого сигнала. Это позволяет захватывать третью и пятую гармонику основной частоты цифрового сигнала, и развёртка на экране осциллографа будет точнее воспроизводить реальный сигнал с крутыми фронтами.

 

Ещё одно полезное правило выражается формулой:

 

полоса пропускания × длительность перепада = 0,35,

где длительность перепада измеряется между уровнями 10%-90%.

 

С помощью этого правила можно определить полосу пропускания, необходимую для измерения перепада исследуемого сигнала, или определить самый крутой перепад, который можно измерить пробником с некоторой полосой пропускания.

 

МИФ 2. Активные пробники нужны только для широкополосных измерений.

 

Одним из преимуществ активного пробника, которым пренебрегают чаще всего, является его малая нагрузка на исследуемую схему. При каждом прикосновении пробника к исследуемой цепи он становится частью этой цепи. При подключении пробника к исследуемой цепи в схеме появляется дополнительная паразитная цепь, которую называют нагрузкой пробника. Чем больше эта нагрузка, тем больше пробник влияет на измеряемый сигнал. Производители пробников указывают входное сопротивление и ёмкость своих пробников.

 

Типичный пассивный пробник с полосой пропускания 500 МГц имеет входное сопротивление 10 МОм с параллельной ёмкостью 9,5 пФ, тогда как активный пробник с полосой пропускания 1 ГГц может иметь сопротивление 1 МОм с параллельной ёмкостью 1 пФ. На постоянном токе такой пассивный пробник выглядит для измеряемой цепи как подключенный к земле резистор 10 МОм, тогда как активный пробник будет иметь сопротивление 1 МОм. Оба эти сопротивления очень велики, а значит, не будут оказывать заметного влияния на низкочастотные сигналы. А вот на высокой частоте всё больше начинает сказываться отрицательное влияние ёмкости пробника на измеряемую цепь. Например, на частоте 75 МГц ёмкость пассивного пробника будет иметь импеданс 150 Ом, тогда как ёмкость активного пробника будет иметь импеданс 2,5 кОм. Меньшая ёмкость активного пробника приводит к тому, что на частотах выше 10 кГц он окажет меньшее влияние на переменные составляющие сигнала по сравнению с пассивным пробником.

 

МИФ 3. Все пробники ослабляют сигнал в пропорции 10:1.


Пробники ослабляют измеряемый сигнал так, чтобы напряжение на входе осциллографа не превышало допустимого значения. Большие коэффициенты ослабления 10:1, 50:1, 100:1 и т.п. используются для измерения больших напряжений, а меньшие коэффициенты ослабления – 2:1 и 1:1 – лучше подходят для малых напряжений. Это важно учитывать при выборе пробника. Так, для измерения сигнала с размахом амплитуды 1 В можно использовать пассивный пробник 10:1 или 1:1, но пассивный пробник 1:1 обеспечит значительно лучшее отношение сигнала к шуму.

 

МИФ 4. Просто подключите пробник, и всё будет хорошо.


Это недопонимание может возникать, когда вы видите огромное число соединительных принадлежностей, входящих в комплект поставки пробника, и думаете, что единственным их назначением является подключение пробника к тестируемому устройству. Эти принадлежности предназначены для удобства пользователя, чтобы он мог быстро и просто выполнять качественные измерения – увидеть, есть ли питание, и поступает ли тактовая частота. Выполняя же количественные измерения – длительности перепада, периода, выброса и т.п., лучше исключить все принадлежности и использовать максимально короткое соединение. Принадлежности большой длины добавляют в тракт сигнала индуктивность и сильно сужают его полосу пропускания, одновременно повышая нагрузку на измеряемую цепь.

 

МИФ 5. Земля – это всегда про заземление.


Это утверждение кажется совершенно очевидным, но для осциллографического пробника оно может быть несправедливым. Всё зависит от того, как именно пробник подключен к земле. Земляной провод пробника обладает некоторой индуктивностью, и его импеданс растёт пропорционально частоте. Чем длиннее земляной провод, тем больше его индуктивность, и тем меньше частота, на которой эта индуктивность начинает создавать проблемы. Дело в том, что обратный ток, протекающий по экрану пробника, сталкивается с этим импедансом. Это сужает полосу пропускания пробника и создаёт звоны на перепадах сигнала. Кроме того, чем длиннее земляной провод, тем больше площадь создаваемой им петли, которая ведёт себя как антенна, улавливающая посторонние шумы. Поэтому всегда нужно стремиться к тому, чтобы земляной провод был как можно короче.

 

МИФ 6. Для измерения мощности нужно использовать токовый пробник и пробник напряжения.


Мощность есть ток, перемноженный на напряжение, поэтому приведённое выше утверждение представляется истинным. Подвох в том, что оно неполное. Для точного измерения мощности осциллографом надо учитывать сдвиг фазы между пробником напряжения и пробником тока. Электрические длины пробников тока и напряжения, как правило, не равны. Это связано с длиной кабелей и задержками в активных цепях, и может приводить к тому, что сигналы двух пробников приходят в осциллограф не синхронно. При этом для таких систем, как импульсные источники питания, в которых ток и напряжение динамически меняются, результат произведения тока на напряжение окажется неверным. Коррекция сдвига фаз устраняет разницу времени прохождения сигналов по цепям пробников и исправляет эту ошибку. В прилагаемой к пробникам документации должно содержаться детальное описание этой процедуры, которая обычно подразумевает подключение пробников к известному сигналу, например, к предлагаемому производителем специальному приспособлению, и коррекцию сдвига фаз путём настройки задержки канала осциллографа. Многие осциллографы имеют встроенную процедуру коррекции сдвига фаз, которая выполняется автоматически при подключении к эталонному сигналу.

 

МИФ 7. Для устранения постоянной составляющей нужно применить фильтрацию постоянного тока или связь по переменному току.


Часто исследуемый сигнал представляет собой сигнал переменного тока со смещением сравнительно большой постоянной составляющей. Примером такого сигнала могут служить пульсации и шум источников питания постоянного тока. Классический подход заключается в том, чтобы включить последовательно с пробником конденсатор достаточно большой ёмкости, который не пропускает постоянную составляющую и позволяет расположить развёртку сигнала в центре экрана в наиболее комфортном для исследования масштабе. Но лучше использовать для этого пробник с встроенной функцией смещения, например, пробник Keysight N7020A Power Rail.

 

Смещением пробника называется процесс, в ходе которого осциллограф подаёт на пробник компенсирующее напряжение, в идеальном случае уже после большого сопротивления в наконечнике пробника. Преимущество смещения пробника в том, что устраняется только постоянное смещение. Если постоянное смещение блокируется конденсатором, то при этом подавляются и низкочастотные составляющие сигнала. При измерении пульсаций и шума источника питания, блокировка постоянной составляющей отфильтровывает низкочастотный дрейф источника и просадку питания. Ещё одно преимущество смещения пробника заключается в том, что пользователь сам вводит смещение, в результате осциллограф знает, насколько смещён сигнал, и может отобразить эту информацию и использовать её в расчётах и автоматических измерениях.

 

МИФ 8. Никогда не помещайте осциллографические пробники в климатическую камеру.


Были времена, когда это утверждение было справедливым. Однако сегодня имеются специальные возможности для высокотемпературных измерений. Например, Keysight предлагает широкий ассортимент датчиков тока и напряжения, которые могут применяться в климатических камерах и работать в диапазоне температур от -50 до +150 °C. Кроме способности выдерживать высокие температуры эти пробники имеют также и более длинные кабели, что позволяет проводить измерения непосредственно в камере, а наблюдать за измерениями на установленном снаружи контрольно-измерительного оборудовании.

 

МИФ 9. Пробники тока не подходят для измерения “малых” токов.


Многие пользователи осциллографических пробников тока имеют отрицательный опыт измерения малых токов (1-50 мА) и заметили, что разброс показаний пробников тока от измерения к измерению может быть больше, чем сам измеряемый ток. Это связано с целым рядом факторов, таких как изменение положения проводника, проходящего через пробник, тепловой дрейф пробника, остаточная намагниченность или наводка внешних сигналов на измерительный трансформатор тока. Но сейчас выпускаются новые модели пробников, такие как токовые пробники высокой чувствительности Keysight N2820A, которые специально предназначены для измерения очень малых токов (несколько мкА и ниже). Эти пробники отбросили прежний метод измерения на основе магнитного поля и эффекта Холла и вместо этого полагаются на закон Ома. Они представляют собой дифференциальные пробники напряжения, которые измеряют падение напряжения на резистивном датчике с сопротивлением в диапазоне от 1 мОм до 1 МОм, и выводят на осциллограф результаты измерения, выраженные в амперах. Такой подход устраняет перечисленные выше источники ошибок и позволяет точно измерять очень малые токи с помощью осциллографа.

 

МИФ 10. Нельзя использовать два пробника и одновременно управлять осциллографом.


Среди продуктов, выпускаемых производителями пробников, есть держатели и позиционеры пробников, которые не столь широко рекламируются и поэтому не получили широкой известности. Эти удобные принадлежности работают как дополнительная рука, позволяя пользователю управлять осциллографом и одновременно снимать сигналы в нескольких точках. Сложность этих приспособлений простирается от простой подставки с двумя ножками, которая пристёгивается к пробнику, образуя устойчивую треногу, в которой в роли третьей ноги выступает сам пробник, до многокоординатных гибко позиционируемых держателей, которые могут держать пробник в любой ориентации, позволяя контактировать не только с горизонтальными, но и вертикальными объектами.

 

МИФ 11. Сложно снимать сигнал в современных конструкциях с высокой плоскостью монтажа.


Снимать сигнал в устройствах с высокой плоскостью монтажа не так сложно, как многие думают. Производители пробников постоянно создают новые приспособления или линейки пробников, чтобы упростить доступ к сигналам при высокой плотности монтажа. Они уменьшают диаметр новых пассивных пробников, стремясь упростить обзор объектов, или в некоторых случаях снабжают активные пробники подсветкой. Выпускается даже новейшая магнитная головка пробника, Keysight N2851A, в которой пользователь припаивает к контрольной точке небольшую контактную площадку, а пробник подключается к площадке и удерживается на месте маленькими магнитами. Такой пробник можно легко перемещать между контрольными точками.

Введение

Вам нужно одновременно контролировать входы и выходы 16-разрядного счетчика, чтобы определить ошибку синхронизации, но при этом у вас есть только 2-канальный осциллограф. Как же увидеть все это одновременно? Вы только что построили диаграмму сигналов для цифровой схемы. Как ее проверить? Чем воспользоваться для захвата и анализа этих сигналов?

 

Без соответствующего инструмента решение этих задач отнимет массу времени. Лучшим решением для всех перечисленных проблем будет логический анализатор. В этой статье рассматриваются основные вопросы применения логических анализаторов. Прочтя ее, вы получите отличное представление о функциях логического анализатора.

 

Осциллограф или логический анализатор?

Выбирая между осциллографом и логическим анализатором, многие инженеры отдают предпочтение осциллографу. Однако в некоторых случаях польза от осциллографа весьма невелика. Существует множество задач, где логический анализатор может оказаться куда полезней.

 

Когда нужен осциллограф

  • Когда нужно увидеть небольшие выбросы на сигнале
  • Когда нужна высокая точность при определении временных интервалов

 

Когда нужен логический анализатор

  • Когда нужно увидеть много сигналов одновременно

  • Когда нужно представить сигналы именно так, как видит их само оборудование

  • Если нужно синхронизироваться от определенной комбинации сигналов на нескольких линиях и увидеть результат

 

Когда сигнал в вашей системе пересекает пороговое значение, логический анализатор реагирует на него точно так же, как и сама логическая схема. Он распознает лишь два состояния сигнала – «ноль» или «единица». Кроме того, он может синхронизироваться по определенному сочетанию нулей и единиц исследуемых сигналов.

 

В общем случае используйте логический анализатор тогда, когда вам нужно увидеть больше сигналов, чем может показать осциллограф. Логические анализаторы очень полезны для определения временных соотношений или для исследования данных, передаваемых по шине, например, адресов, данных или управляющих сигналов на шине микропроцессора. Они могут декодировать информацию на шинах микропроцессоров и представлять ее в осмысленном виде.

 

Если вы закончили параметрический этап проектирования и занялись исследованиями временных соотношений между многими сигналами, причем вам нужно синхронизироваться по определенному сочетанию логических уровней этих сигналов, то вам нужен именно логический анализатор.

 

Что такое логический анализатор?

Многие логические анализаторы состоят, по сути дела, из двух анализаторов. Первый из них – это анализатор временных диаграмм (АВД), а второй – анализатор логических состояний (АЛС).

 

Принцип работы анализатора временных диаграмм

Анализатор временных диаграмм выводит информацию практически в том же виде, что и осциллограф, откладывая по горизонтальной оси время, а по вертикальной – уровень напряжения. Поскольку форма сигналов в обоих приборах зависит от времени, говорят, что они представляют сигнал во временной области.

 

Выбор правильного метода дискретизации

Анализатор временных диаграмм подобен цифровому осциллографу с вертикальным разрешением один бит. При разрешении один бит анализатор видит только два состояния – «ноль» или «единицу». Для него существует лишь один, определенный пользователем порог напряжения. Если сигнал в момент дискретизации превышает порог, анализатор отображает его как сигнал высокого уровня или «единицу». Если сигнал оказывается ниже порога, он отображается как «ноль» или сигнал низкого уровня. В результате создается список нулей и единиц, представляющий собой однобитное представление входного сигнала. Этот список сохраняется в памяти и используется для восстановления однобитной формы входного сигнала, как показано на рис. 1.

 

Рисунок 1. Точки дискретизации анализатора временных диаграмм
1. Порог
2. Точка дискретизации
3. Результаты дискретизации (0 означает, что сигнал ниже порога)

Результаты дискретизации (1 означает, что сигнал выше порога)

Анализатор временных диаграмм показывает сигнал, реконструированный по результатам дискретизации

 

Анализатор временных диаграмм превращает все сигналы в сигналы прямоугольной формы, что, на первый взгляд, ограничивает его возможности. Однако если вам нужно проанализировать временные соотношения нескольких сотен сигналов путем одновременного их наблюдения, вам нужен именно логический анализатор.
Помните, что каждая точка дискретизации использует одну ячейку памяти. Поэтому, чем выше разрешение (выше частота дискретизации), тем меньше окно захвата.

 

Дискретизация переходов

При захвате пакетных данных, как показано на рис. 2, нужно выбрать максимальное разрешение (например, 4 нс), чтобы захватить быстрые импульсы в самом начале. Это значит, что анализатор временных диаграмм с объемом памяти 4K (4096 отсчетов) прекратит захват данных через 16,4 мкс, и второй пакет данных вы уже не захватите.

 

Во время повседневной отладки нам постоянно приходится регистрировать и сохранять данные в моменты, когда активность сигнала отсутствует. Это приводит к бесполезному расходу памяти анализатора, не давая никакой дополнительной информации. Эту проблему можно решить, если знать, в какие моменты времени возникает переходной процесс и какой будет полярность сигнала – положительной или отрицательной. Эта информация составляет основу анализа переходов и позволяет повысить эффективность использования памяти.

 

Для реализации эффективного анализа переходов нужно использовать на входе анализатора временных диаграмм «детектор переходов» и счетчик. Теперь анализатор будет сохранять только те отсчеты, которым предшествовал переход, вместе со временем, прошедшим от последнего перехода. При таком подходе используется всего две ячейки памяти на каждый переход, а при отсутствии активности – память вообще не используется.

 

В нашем примере мы можем захватить второй пакет, а также третий, четвертый и пятый, в зависимости от того, сколько импульсов входит в состав пакета. В то же время, мы можем сохранить максимальное разрешение 4 нс (рис. 3).

 

Рисунок 2. Дискретизация с высоким разрешением
1. Точки дискретизации (все сохраняются в памяти)
2. 36 нс
3. 50 мкс
4. Память заполнена
4096 х 4 нс = 16,4 мкс


Рисунок 3. Дискретизация с детектором переходов
1. Точки дискретизации
2. Точки дискретизации, сохраненные в памяти
3. 36 нс
4. 50 мкс
5. Потребовалось всего 28 ячеек памяти (14 точек дискретизации + 14 временных интервалов)

 

Захват выбросов

Выбросы имеют дурную привычку появляться в самые неподходящие моменты времени с самыми тяжелыми последствиями. Анализатор временных диаграмм дискретизирует входные сигналы, следит за переходами, возникающими между выборками, и может обнаружить появление выброса. В случае анализатора выброс определяется как переход, несколько раз пересекающий порог между соседними выборками. Для распознания выброса мы должны «научить» анализатор распознавать множественные переходы и показывать их, как выбросы.

 

Хотя отображение выбросов само по себе очень полезно, было бы еще полезней синхронизироваться от выброса и показывать данные, предшествующие ему. Это помогло бы определить причину, вызвавшую выброс. К тому же, такая способность позволила бы анализатору регистрировать данные только тогда, когда нужно – в момент появления выброса.

 

Предположим, что у нас есть система, которая периодически сбоит из-за выбросов на одной из линий. Поскольку выбросы появляются редко, постоянное сохранение данных приведет к невероятному увеличению объема анализируемой информации (при наличии достаточного объема памяти). Или можно взять анализатор без функции синхронизации по выбросам и сидеть перед ним, нажимая кнопку Пуск, пока не заметим выброс.

 

Синхронизация анализатора временных диаграмм

Логический анализатор постоянно захватывает данные и прекращает захват при обнаружении точки трассировки. Это позволяет анализатору показывать информацию, предшествующую точке трассировки (известную, как отрицательное время), а также информацию после точки трассировки.

 

Синхронизация по комбинации сигналов

Определение условий трассировки для анализатора временных диаграмм несколько отличается от настройки уровня синхронизации осциллографа. Многие анализаторы могут синхронизироваться от определенного сочетания нулей и единиц на входных линиях.

 

Для облегчения работы условия синхронизации в большинстве анализаторов можно вводить в виде двоичных (нулей и единиц), шестнадцатеричных, восьмеричных или десятичных чисел или в виде символов ASCII. Использование шестнадцатеричных чисел особенно удобно для анализа шин, имеющих разрядность 4, 8, 16, 24, или 32 бита. Представьте, как сложно было бы указать условия синхронизации 24-битной шины в виде двоичного числа.

 

Синхронизация по фронту

Настройку уровня запуска в осциллографе можно представить, как установку уровня на компараторе, который вызывает запуск осциллографа, когда входное напряжение пересекает этот уровень. При синхронизации по фронту анализатор временных диаграмм работает, в сущности, так же, за исключением того, что уровень запуска определяется установкой логического порога.

 

Хотя многие логические устройства реагируют на уровень, тактовые и управляющие сигналы этих устройств работают, как правило, по фронту. Синхронизация по фронту позволяет начать захват данных в момент тактирования устройства.

 

Можно настроить анализатор так, чтобы он начинал захват данных при появлении фронта тактовой частоты (переднего или заднего) и захватывал все выходы регистра сдвига. Конечно, в таком случае нужно обеспечить задержку точки трассировки, чтобы учесть задержку распространения в регистре сдвига.

 

Принцип работы анализатора логических состояний

Если вы никогда не пользовались анализатором логических состояний, вам может показаться, что это невероятно сложный прибор, на овладение которым нужно потратить массу времени. Истина в том, что многие разработчики аппаратуры считают анализатор логических состояний очень полезным инструментом.

 

Когда нужен анализатор логических состояний

"Логическим состоянием" логической схемы называется значение шины или линии в момент, когда данные достоверны.


Давайте рассмотрим обычный D-триггер. Данные на входе D недостоверны до тех пор, пока не появится положительный фронт тактового сигнала. Таким образом, состояние этого триггера соответствует моменту появления положительного фронта тактового сигнала.


Теперь представьте, что у нас есть восемь таких триггеров. Все восемь подключены к одному и тому же тактовому сигналу. При появлении положительного фронта тактового сигнала все восемь триггеров захватывают данные со своих "D" входов, и это происходит при каждом положительном фронте тактового сигнала. Эти восемь линий аналогичны шине микропроцессора.


Если мы подключим к этим восьми линиям логический анализатор и скажем ему, регистрировать данные при каждом появлении положительного фронта тактового сигнала, анализатор как раз и будет анализировать логические состояния. Никакая активность на входе не будет регистрироваться, пока сигнал тактовой частоты не перейдет в единицу.

 

Анализатор временных диаграмм использует для управления дискретизацией встроенный генератор тактовой частоты, в результате он асинхронно дискретизирует сигналы исследуемой системы. Анализатор состояния дискретизирует сигналы синхронно, поскольку он получает тактовую частоту от самой системы.
Как правило, анализатор состояния выводит данные в виде списка, тогда как анализатор временных диаграмм выводит данные в виде временной диаграммы.

 

Что такое тактовая частота

В анализаторе временных диаграмм дискретизация выполняется под управлением внутреннего генератора тактовой частоты. Это сильно упрощает ситуацию. Однако в микропроцессорных схемах система может иметь несколько тактовых частот.


Предположим, что мы хотим засинхронизироваться от определенного адреса памяти и увидеть сохраненные в нем данные. Будем считать, что в системе используется процессор Zilog Z80.


Чтобы наш анализатор мог захватывать адреса процессора Z80, он должен регистрировать данные в тот момент, когда линия MREQ переходит в ноль. Однако для захвата данных анализатор должен делать выборку в момент, когда в ноль переходит линия WR (цикл записи) или когда в ноль переходит линия RD (цикл чтения). Некоторые процессоры передают данные и адрес по одним и тем же линиям. Анализатор должен уметь считывать информацию с одной и той же шины, но в разные моменты времени.

 

Рисунок 4. Временная диаграмма работы памяти
1. Операция чтения
2. Операция записи
3. Тактовая частота
4. Ожидание
5. Достоверный адрес
6. Достоверные данные
7. Выходные данные

 

Во время цикла чтения или записи Z80 сначала выводит адрес на шину адреса. Затем он устанавливает сигнал MREQ, показывая, что на шине присутствует достоверный адрес для чтения или записи в память. После этого устанавливается линия RD или WR, в зависимости от того, что выполняется, чтение или запись. Причем линия WR устанавливается только при наличии на шине достоверных данных.


Таким образом, анализатор временных диаграмм выступает в роли демультиплексора, который в нужное время захватывает адрес, а затем захватывает данные, которые появляются на тех же линиях.

 

Синхронизация анализатора логических состояний

Подобно анализатору временных диаграмм, анализатор логических состояний способен классифицировать данные, которые мы хотим сохранить. Если нас интересует определенное сочетание нулей и единиц на шине адреса, мы можем сказать анализатору, начать сохранение при обнаружении этого сочетания и продолжить сохранение до заполнения памяти.

 

Информацию можно отображать в шестнадцатеричной или в двоичной форме. Может оказаться полезным декодировать шестнадцатеричный код в команды ассемблера. В случае процессора шестнадцатеричные коды представляют собой его команды. Большинство производителей анализаторов разработали специальные пакеты программ, которые называются дизассемблерами или обратными ассемблерами. Назначение этих пакетов – преобразовать шестнадцатеричный код в команды ассемблера, чтобы упростить их интерпретацию.

 


Рисунок 5. Преобразование шестнадцатеричного кода в команды ассемблера

 

Что такое уровни последовательности

Анализаторы состояния имеют "уровни последовательности", которые облегчают синхронизацию и сохранение. Уровни последовательности позволяют более точно классифицировать сохраняемые данные, нежели отдельные точки синхронизации. Это значит, что вы можете точно установить окно регистрации данных, не сохраняя информацию, которая вам не нужна. Обычно уровни последовательности выглядят примерно так:

 

1 find xxxx
else on xxxx go to level x 2 then find xxxx
else on xxxx go to level x 3 trigger on xxxx

 

Селективное сохранение экономит память и время

Под селективным сохранением подразумевается сохранение некоторой части большого целого. Например, предположим, что у нас есть процедура на ассемблере, которая возводит в квадрат заданное число. Если эта процедура выполняет возведение в квадрат с ошибкой, мы может заставить анализатор логических состояний захватить эту процедуру. Для этого мы сначала говорим анализатору, найти начало процедуры. Когда он найдет начальный адрес, мы говорим ему, искать конечный адрес, одновременно сохраняя все промежуточные данные. При обнаружении конца процедуры, мы говорим анализатору, остановить сохранение.

 

Как подключить исследуемую систему

До сих пор мы обсуждали некоторые различия между осциллографами и анализаторами временных диаграмм и логических состояний. Но перед тем как мы сможем воспользоваться этими новыми приборами, нужно обсудить еще один вопрос – систему пробников.

 

Конструкция пробника логического анализатора позволяет подключать большое число каналов к исследуемой системе за счет некоторой потери точности по амплитуде. По традиции, логические анализаторы используют активные пробники со встроенными детекторами, рассчитанные на подключение восьми каналов и обладающие общей емкостью 16 пФ на канал.

 

Подключение пробников

Физическое подключение к цифровым системам должно быть надежным и удобным, чтобы точно передавать данные в логический анализатор с минимальным влиянием на исследуемую систему.

 

Типичным решением является пассивный пробник с шестнадцатью каналами на один кабель. Каждый кабель терминируется с обоих концов нагрузкой с сопротивлением 100 кОм и емкостью 8 пФ. Попробуйте сравнить электрические параметры пассивного пробника с пробником осциллографа. Кроме небольших размеров и высокой надежности, преимущество пассивной системы пробников заключаются в том, что можно терминировать пробник непосредственно в точке подключения его к исследуемой системе. Это позволяет исключить дополнительную паразитную емкость, связанную с проводами, соединяющими большие активные пробники с исследуемой системой. В результате тестируемая система «видит» емкость всего 8 пФ вместо 16 пФ, как в прежних системах снятия сигнала.

 

Пробники логического анализатора и другие принадлежности

Подключение анализатора логических состояний к микропроцессорной системе требует некоторых усилий, касающихся обеспечения механического подключения и выбора тактовых сигналов. Не забывайте, что нам надо тактировать анализатор логических состояний в моменты появления на шине достоверного адреса или данных. С некоторыми микропроцессорами может потребоваться применение внешних цепей для декодирования нескольких сигналов, чтобы получить сигнал тактовой частоты для анализатора. Пробник логического анализатора обеспечивает не только быстрое и надежное механическое соединение к исследуемой системе, но и все необходимые электрические адаптеры, такие как схемы тактирования и демультиплексирования.

 

Рисунок 6. Пробник логического анализатора

Заключение

В этой статье рассказывается, что такое логический анализатор и какие функции он выполняет. Поскольку большинство анализаторов состоит из двух основных частей, анализатора временных диаграмм и анализатора логических состояний, мы рассмотрели их отдельно. Но вместе они образуют мощный инструмент для разработчика цифровых схем.

 

Анализатор временных диаграмм больше подходит для схем и приложений с использованием шины, где приходится иметь дело с несколькими линиями. Также он может синхронизироваться по комбинации логических состояний линий или по выбросам.

 

Анализатор логических состояний чаще рассматривается, как программное средство. На самом деле он находит широкое применение и в аппаратной сфере. Поскольку он получает тактовую частоту из исследуемой системы, его можно использовать для захвата данных в тот момент, когда их видит система – по тактовой частоте самой системы.

 

Теперь, вооружившись фундаментальными знаниями, вы сможете уверенно пользоваться логическим анализатором для отладки своих схем.

На Европейской конференции по оптическим телекоммуникациям (ECOC 2017), которая прошла 18–20 сентября в Гётеборге, Швеция, компания Keysight Technologies продемонстрировала новейшие контрольно-измерительные решения для тестирования оптических линий связи, сетей, облачных технологий и информационной инфраструктуры. Эти решения призваны способствовать дальнейшему развитию центров обработки данных (ЦОД).

 

Решения компании Keysight обеспечивают дальнейшее развитие технологий, применяемых внутри и за пределами ЦОДов – от моделирования до реализации продукта и от отдельных компонентов до готовых систем. Компания Keysight продемонстрировала решения, направленные на решение наиболее актуальных технических проблем, таких как повышение пропускной способности и увеличение ёмкости сетей при минимальных затратах в ЦОДах нового поколения. В числе представленных Keysight решений:

  • Система для тестирования интерфейса QSFP-DD линий связи 400G от Ixia Solutions Group (принадлежащей Keysight). Компания Keysight завершила приобретение Ixia в апреле 2017 года и разместила экспозицию Ixia на конференции ECOC в своём павильоне. Контрольно-измерительная система QSFP-DD 400GE компании Ixia использует метод упреждающей коррекции ошибок IEEE 802.3bs KP4 и сокращает сроки проектирования и тестирования для производителей сетевого оборудования, способствуя скорейшему продвижению изделий на рынок.
  • Высокопроизводительный тестер коэффициента битовых ошибок (BERT) M8040A, работающий на скоростях до 64 Гбод, упрощает измерение параметров приёмников 400G и поддерживает сигналы с кодированием NRZ и PAM-4 на скоростях до 64 Гбод. Тестер M8040A является новейшим представителем семейства модульных решений M8000 для измерения коэффициента битовых ошибок, и содержит встроенный регулируемый корректор АЧХ и средства истинного анализа ошибок PAM-4.
  • Быстродействующее автоматизированное решение для тестирования оптических трансиверов 400GE на соответствие стандарту, поддерживающее спецификации IEEE 802.3bs, которые требуют подачи прецизионного оптического испытательного сигнала, и обеспечивающее автоматическую калибровку. Данное решение было продемонстрировано на конференции ECOC впервые.
  • Симулятор PAM-4 для анализа взаимного влияния параметров высокоскоростных цифровых каналов с помощью Симулятора каналов ADS. Это решение позволяет сравнивать между собой методы кодирования PAM-4 и NRZ, внося такие искажения, как джиттер, шум, потери в канале и межсимвольные помехи для имитации предполагаемого влияния на высокоскоростные цифровые каналы связи.
  • Модульное решение M8290A в формате AXIe для тестирования компонентов когерентных оптических  сетей 400G, построенное на базе модуля анализатора оптической модуляции M8292A и модуля широкополосного четырехканального дигитайзера M8296A. Эту компактную и гибкую контрольно-измерительную систему (с дополнительным программным обеспечением) можно использовать для измерения параметров интегральных когерентных приёмников (ICR) и аналоговых когерентных оптических модулей (ACO). На конференции ECOC состоялась всемирная премьера системы M8290A.

 

Компания Keysight проводила в своём павильоне семинары по различным темам, таким как последние тенденции на рынке и технические инновации в области оптической связи. Лекции читали специалисты Keysight, Ixia и представители ВУЗов и предприятий, являющихся партнёрами Keysight по многим проектам.

Фотографии можно сгрузить по ссылке.

Добрый день, уважаемые коллеги.

 

Эта статья продолжает цикл статей-инструкций и сегодня я рассмотрю еще одну крайне необходимую операцию - это запрос и перенос программных лицензий Keysight с помощью Keysight Software Manager.

На странице Keysight Technologies на YouTube есть видеоролик на английском языке, кратко поясняющий процесс получения лицензии:

Ниже приведена подробная инструкция, которая поможет Вам быстро разобраться с процессом получения лицензионного ключа для активации программной опции Вашего прибора.

 

 

Оглавление:

  1. Лицензионный сертификат
  2. Как зарегистрироваться в Keysight Software Manager (KSM), если у Вас еще нет профиля на нашем портале
  3. Как добавить возможности Keysight Software Manager (KSM) к Вашему профилю
  4. Как зарегистрировать Ваш сертификат, если у Вас есть профиль на портале и включены возможности KSM
  5. Запрос лицензий (Перенос на другой прибор/ПК)
  6. E-mail с запрошенной лицензией

 

 

1. Лицензионный сертификат

 

При заказе Вы получаете Лицензионный сертификат, образец которого представлен на картинке ниже. В правом верхнем углу указаны номер заказа и номер сертификата. Эта информация Вам понадобится.

 

 

 

В нижней части приведены общие инструкции по тому, как запросить лицензии для приобретенных Вами опций.

 

 

2. Как зарегистрироваться в Keysight Software Manager (KSM), если у Вас еще нет профиля на нашем портале

 

Шаг 1: Пройдите по этой ссылке: http://www.keysight.com/find/softwaremanager и нажмите на кнопку Register (Зарегистрироваться)

 

Шаг 2: Введите информацию о себе в первой секции. Во второй секции введите номера заказа и сертификата, указанные в Вашем Лицензионном Сертификате. Затем нажмите на кнопку Create Account (Создать профиль) и подтвердите действие. Затем нажмите Continue (Продолжить) для перехода к окну лицензий. Эти действия создают Ваш профиль на нашем портале с уже включенными возможностями KSM. Вы получите e-mail на указанный Вами адрес с подтверждением регистрации на портале myKeysight.

 

 

3. Как добавить возможности Keysight Software Manager (KSM) к Вашему профилю

 

Шаг 1: Войдите на портал myKeysight, нажав на кнопку в правом верхнем углу под лупой на нашем сайте www.keysight.ru. Затем в открывшемся окне нажмите Add a Capability (Добавить возможность)

 

 

Шаг 2: В появившемся всплывающем окне спуститесь в самый низ списка и выберите пункт Keysight Software Manager. Затем нажмите на кнопку Add Capability.

 

 

Шаг 3: На следующей странице введите номера заказа и сертификата. Нажмите кнопку Add Capability. Вы получите письмо с подтверждением на Ваш адрес электронной почты. Нажмите Continue, чтобы продолжить.

 

 

4. Как зарегистрировать Ваш сертификат, если у Вас есть профиль на портале и включены возможности KSM

 

Шаг 1: Войдите в свой профиль myKeysight с нашего сайта www.keysight.ru и нажмите на ссылку Keysight Software Manager

 

 

Шаг 2: Нажмите на кнопку, чтобы добавить новый сертификат.

 

 

Шаг 3: Введите номер заказа и номер сертификата и нажмите Continue.

 

5. Запрос лицензий (Перенос на другой прибор/ПК)

 

Шаг 1: После того, как Вы ввели номера заказа и сертификата, Вы попадете на страницу подтверждения сертификата. Вам будет предложено получить Ваши лицензии немедленно или позднее. Выберите необходимый Вам вариант и нажмите OK.

 

 

Если Вы выберете "No, I will get them later", Вы всегда можете вернуться к выбору лицензий, войдя на портал myKeysight, кликнув по ссылке KSM и выбрав "Request license for a host" (Запросить лицензию для устройства).

 

 

Шаг 2: Кликните по выпадающему меню "Click to add a new host" и выберите "Add a new host". (Добавить новое устройство).

 

 

Шаг 3: Введите информацию об устройстве (host), опираясь на информацию справа. Пожалуйста, аккуратно следуйте указаниям инструкции. В противном случае лицензия может быть привязана некорректно и не будет распознана Вашим прибором или ПК!

 

 

Шаг 4: Поставьте галочки рядом с лицензиями, которые Вы хотите привязать к прибору и нажмите Assign Licenses. (Привязать лицензии)

 

 

Шаг 5: Проверьте блок Assigned Licenses, чтобы убедиться, что введённая Вами информация верна. Затем нажмите Continue (Продолжить).

 

 

Шаг 6: Введите e-mail адрес, на который Вы хотите получить лицензии. Вы можете ввести дополнительные адреса в поле CC (копия), если захотите.

 

 

Шаг 7: Вы увидите страницу подтверждения. Нажмите OK, чтобы завершить процесс. Теперь проверьте Вашу электронную почту, на которую Вы запросили лицензии.

 

 

6. E-mail с запрошенной лицензией.

 

После того, как Вы зарегистрируете Ваш Лицензионный Сертификат и запросите лицензии, Вы получите e-mail от license_support@keysight.com. В письме будет содержаться лицензионный код или файл лицензии (в зависимости от прибора). Лицензионный ключ будет указан в теле письма, а лицензионный файл будет приложен как вложение. Не забудьте разрешить загрузку вложений из этого письма, если у Вас стоит такая проверка.

Лицензионные файлы будут иметь расширение .LIC. Это простые ASCII текстовые файлы, которые могут быть открыты с помощью Блокнота. Не изменяйте эти файлы (кроме тех случаев, когда это отдельно оговорено в письме), иначе лицензия не активируется.

Также в теле письма будут общие инструкции, как установить лицензию. Следуйте инструкциям для Вашего прибора.

 

 

В последней секции письма будет прорезюмирована информация о приложенных лицензионных файлах.

 

 

 

Надеюсь, данная инструкция была Вам полезна. Неважно, что именно Вы хотите сделать - перенести лицензию VSA с одного ПК на другой или активировать новую программную опцию демодуляции сигналов на анализаторе спектра, алгоритм действий именно такой.

Если у Вас остались дополнительные вопросы, задавайте их в комментариях или отправляйте на tmo_russia@keysight.com, и я с радостью на них отвечу.

   Доброго времени суток, уважаемые коллеги!

   К нам в техподдержку часто обращаются с вопросом "Что нам нужно для удаленного управления приборами Keysight?". В данной статье я постараюсь достаточно поверхностно, но тем не менее системно раскрыть данную тему.

1. Управление приборами без использования библиотек ввода-вывода и драйверов

В первой группе объединены самые простые методы управления приборами, для которых не требуется установки дополнительных программных средств. Эти методы работают только при подключении прибора через интерфейс LAN.

   1.1. Веб-интерфейс

Практически у всех приборов Keysight Technologies имеется возможность управления посредством веб-интерфейса. Необходимо, чтобы прибор соответствовал стандарту LXI. На сегодняшний день этот стандарт поддерживается практически всеми приборами Keysight.

 

   1.2. Удаленный рабочий стол

   Данный метод доступен для управления приборами Keysight Technologies с установленной ОС Windows XP или Windows 7. Используется или протокол Remote Desktop, или ПО VNC.

   1.3. Telnet

Пользователь может управлять прибором посредством сетевого протокола Telnet, отправляя на прибор SCPI команды (Standard Commands for Programmable Instruments - стандартные команды для программируемых приборов, язык ASCII команд для приборов).

 

2. Управление прибором с использованием библиотек ввода-вывода и драйверов

Для работы всех нижеследующих методов потребуются библиотеки ввода-вывода или драйверы. В двух словах: существуют специальные библиотеки VISA, VXI, Agilent 488, PTP и драйверы (IVI, MATLAB), с помощью которых пользовательское ПО или ПО Keysight может управлять приборами.

Подключение к приборам может осуществляться через интерфейсы GPIB, LAN или USB.

Ознакомиться с процессом установки библиотек ввода-вывода и подключения через Connection Expert можно в этой статье блога

   2.1. Command Expert

Данное бесплатное ПО представляет собой инструмент для быстрого создания последовательности SCPI команд, их сохранения на ПК, загрузки ранее сохраненных и экспорта команд в форматах, читаемых другими средами программирования (MATLAB, Excel, VEE, SystemVue, Visual Studio, Python и LabVIEW). Пользователь вручную выбирает из списка нужные ему SCPI команды.

   2.2. BenchVue

Программа BenchVue представляет собой универсальное приложение, которое обеспечивает:

  • наглядное представление результатов измерений, полученных одновременно с помощью нескольких приборов;
  • удобный инструмент для регистрации данных, снимков экрана и настроек системы;
  • вызов последних настроек испытательной установки для достоверного воспроизведения результатов измерений;
  • быстрое создание моделей специализированных алгоритмов испытаний;
  • быстрый экспорт измерительных данных в нужных форматах;
  • быстрый доступ к руководствам, драйверам, прошивкам, ответам на часто задаваемые вопросы и видеороликам;
  • контроль и управление испытательной установкой с помощью мобильных устройств.

   2.3. TAP 

   Мощный инструмент для создания и оптимизации последовательностей тестов

  • Графический интерфейс
  • Масштабируемая архитектура, позволяющая подключать пользовательские модули и компоненты .NET
  • Визуализация времени выполнения каждого шага последовательности тестов
  • Диаграммы Парето
  • Сравнение различных последовательностей тестов
  • Удобные средства для визуализации результатов тестов

 

   2.4. MATLAB

ПО для самого сложного анализа и обработки данных.

Программное обеспечение MATLAB представляет собой интерактивную среду программирования и высокоуровневый язык программирования, созданный компанией MathWorks. Программу MATLAB можно заказать непосредственно в компании Keysight в качестве опции для большинства генераторов сигналов, анализаторов сигналов и анализаторов спектра.

   2.5. VEE 

   Графическая среда программирования, оптимизированная для создания контрольно-измерительных приложений и программ с дружественным интерфейсом оператора.

3. Сравнительная таблица

   В заключение привожу сравнительную таблицу, которая поможет выбрать наиболее подходящий для Вас способ удаленного управления контрольно-измерительным оборудованием Keysight Technologies.

 

Веб-интерфейс, удаленный рабочий стол, Telnet

Command Expert

BenchVue

TAP

MATLAB

VEE

Скорость работы
последовательности тестов

0

+

+

++

+

+

Масштабируемость тестов

0

+

+++

+

++

Совместимость с приборами

все 

наиболее популярные современные 
приборы

наиболее популярные современные 
приборы

 все

 все

 все

Стоимость 

 0

 +

++

++

+

Требуемая для работы квалификация персонала 

 +

 +

++

+++

+++ 

 

Дополнительные ресурсы:

Техническая поддержка Keysight в России

Руководства по программированию

Библиотека раздела "удаленное управление и автоматизация"

Образцы по программированию 1

Образцы по программированию 2

Keysight Developer Network

Драйверы

Как было сказано в предыдущей статье по теме, наиболее гибкое детектирование обеспечивают гетеродинные приемники, работающие во временной области, которые можно применять к испытательным и реальным сигналам, и которые работают независимо от вида модуляции. На рис. 1 такой IQ-детектор показан слева. Кроме того, здесь видно, что перед идентификацией и дальнейшей обработкой сгруппированные в символы входные биты должны пройти несколько этапов преобразования. Показанная здесь архитектура приёмника рекомендована Optical Internetworking Forum (OIF) и позволяет извлекать всю содержащуюся в сигнале информацию. Давайте рассмотрим эту архитектуру подробней.

 

Рис. 1. Архитектура приёмника, рекомендованная OIF для реализации интегрированных интрадинных когерентных приёмников

 

Уменьшение искажений

После аналого-цифрового преобразования любой когерентный оптический приёмник выполняет цифровую обработку сигнала. Применение цифровой обработки сигнала вносит существенные положительные отличия по сравнению с обычной амплитудной манипуляцией (on-off keying), где нужно учитывать хроматическую дисперсию (CD), поляризационную модовую дисперсию (PMD) и другие искажения. Цифровая обработка сигнала поддерживает алгоритмическую компенсацию CD, PMD и других искажений, поскольку когерентное детектирование предоставляет полную информацию об оптическом сигнале. Это значит, что комплексная оптическая модуляция избавляет нас от необходимости применения компенсаторов PMD или оптоволокна с компенсированием дисперсии, а также предотвращает рост задержки, порождаемой этими компонентами.

 

Предварительная коррекция устраняет искажения приёмника. К этим искажениям можно отнести разбаланс четырёх электрических каналов, погрешность фазового угла IQ в IQ-смесителе, временной сдвиг между четырьмя каналами АЦП и дифференциальный разбаланс номинально сбалансированного приёмника. Для устранения этих искажений, во время калибровки прибора выполняется измерение параметров компонента во всем диапазоне длин волн.

 

Помимо искажений, вносимых приёмником, цифровая обработка сигнала компенсирует искажения, возникающие в оптическом тракте между приёмником и передатчиком. К этим искажениям относятся CD и PMD, зависящие от поляризации потери (PDL), вращение поляризации или трансформация состояния поляризации (PST) и фазовый шум.

 

Для оценки влияния фазового шума нужно отследить изменение шума несущей во времени. Однако этот этап в схеме когерентного приёмника не обязателен.

 

Восстановление фазы несущей

Добавив гетеродин, мы получаем возможность отслеживать изменения фазы сигнала по отношению к фазе гетеродинного сигнала. Но тот факт, что частота гетеродина приёмника отличается от частоты сигнала, приводит к линейному сдвигу фазы во времени. Это легко понять, если вспомнить, что в гетеродинном приёмнике ток IPhoto пропорционален cos(Δф + Δωt). На рис. 2 показано это «вращающееся» созвездие на примере модуляции QPSK.

 

Рис. 2. Разность частот передающего лазера и гетеродина порождает «вращающееся» сигнальное созвездие

 

Для устранения неопределённости фаза не должна изменяться быстрее, чем на pi/4 за длительность одного символа, что равно половине разности фаз между двумя соседними символами. Это, в свою очередь, означает, что сдвиг частоты между гетеродином и сигналом должен быть для QPSK меньше 1/8 тактовой частоты символов.

 

Чтобы отследить фазу, нужно делать выборки сигнала в моменты времени с предсказуемыми значениями фазы, например, в моменты появления символов. Для сигналов с ограниченной полосой частота дискретизации фазы меньше символьной скорости. Красная линия на рис. 3 показывает, что фаза может быть восстановлена неточно.

 

Рис. 3. В реальной системе связи часто не удаётся восстановить фазу из-за слишком низкой частоты дискретизации, фазового шума и смещения

 

Для восстановления фазы в такой ситуации фазовый шум и смещение несущей должны удовлетворять жестким требованиям. В реальной системе связи это условие обычно не соблюдается, поскольку в реальных линейных картах, использующих дискретизацию в масштабе реального времени, столь жёсткие характеристики не требуются.

 

На рис. 4 показано влияние полосы несущей на восстановление фазы лазера с распредёленной обратной связью (РОС). Слева приведён пример широкой полосы обзора. Точки сигнального созвездия IQ искусственно заужены, поскольку в этом случае отслеживание фазы уменьшает угловую ширину символов. В меньшей полосе мы получаем более реалистичные круглые символы. В ещё меньшей полосе мы достигаем предела на фазовой диаграмме несущей, где фазу отслеживать больше не удаётся. Угловое распределение символов явно подвержено влиянию фазового шума, который нельзя подавить.

 

Рис. 4. Примеры отслеживания фазы несущей лазера с распредёленной обратной связью в зависимости от полосы слежения

 

Вычисление матрицы Джонса

Поскольку цифровому демодулятору нужны два независимых модулирующих сигнала (для плоскостей поляризации x и y), важным этапом цифровой обработки сигнала является демультиплексирование поляризации. На этом этапе мы компенсируем PMD и PDL и учитываем, что состояние поляризации в одномодовом оптоволокне в процессе распространения не сохраняется.

 

Направление поляризации меняется по мере прохождения сигнала по оптоволокну (см. рис. 5), поэтому состояние поляризации сложно связано с ориентацией приёмника. Вот почему разделитель поляризации в приёмнике не позволяет получить два независимых сигнала, давая вместо этого линейную комбинацию двух составляющих поляризации. Волокно, сохраняющее поляризацию, конечно, сохраняет состояние поляризации, но не используется для передачи данных из-за сильного затухания и высокой стоимости.

 

Рис. 5. Одномодовое оптоволокно меняет состояние поляризации передаваемого сигнала, поэтому разделитель поляризации на стороне приёмника не даёт два независимых сигнала, а создаёт вместо этого их линейную комбинацию. Здесь показаны сигнальные созвездия QPSK с двойной поляризацией после демультиплексирования поляризации.

 

Все искажения полностью поляризованного света в оптоволоконном канале можно математически описать так называемой матрицей Джонса. Передаваемый сигнал S перемножается с матрицей Джонса, давая в результате принимаемый сигнал R. Для идеального канала без поляризационных искажений матрица Джонса представляет собой единичную матрицу. В этом случае принимаемый сигнал совпадает с излучаемым сигналом (см. рис. 6). В общем виде матрица Джонса представляет собой комплексную матрицу 2×2 соответственно с восемью (для реальной и мнимой части) независимыми параметрами.

 

Поэтому для восстановления исходного сигнала по измеренному принимаемому сигналу нужно найти матрицу Джонса. Это сделать довольно трудно, потому что обычно мы имеем очень мало информации о численных значениях искажений, воздействующих на сигнал в канале, или не имеем такой информации вообще.

 

Рис. 6. Матрица Джонса идеального канала

 

Поэтому для аппроксимации исходного сигнала часто используются так называемые слепые алгоритмы. Эти алгоритмы представляют собой методы оценки, не требующие знания исходного сигнала (кроме вида модуляции). В этом случае обратная матрица Джонса представляется применёнными к принимаемому сигналу корректирующими фильтрами (см. рис. 7). Каждый элементарный фильтр моделирует некоторый эффект искажения сигнала. Алгоритм итерационно подбирает переменные фильтров (a, β, k...), добиваясь схождения, то есть того, чтобы измеренная карта символов имела минимальные расхождения с символами, рассчитанными алгоритмом.

 

Недостаток этого метода в том, что он может дважды восстановить один и тот же канал поляризации. Эта проблема известна как сингулярность алгоритма. Кроме того, этот метод очень сложен, поскольку для расчёта следующего шага итерации каждый символ должен обрабатываться индивидуально.

 

Рис. 7. Модель корректирующих фильтров для компенсации хроматической дисперсии (CD), дифференциальной групповой задержки (DGD), зависящих от поляризации потерь (PDL) и трансформации состояния поляризации (PST)

 

Проще - в координатном пространстве Стокса

Оценку проще выполнить с помощью параметров Стокса, где демультиплексирование поляризации является истинно слепой процедурой, поскольку не требуется ни демодуляция, ни знание используемого вида модуляции или частоты несущей. Кроме того, в пространстве Стокса мы не сталкиваемся с проблемой сингулярности.

 

Пространство Стокса помогает визуализировать состояния поляризации оптических сигналов и, следовательно, отлично подходит для наблюдения изменения поляризации вдоль оптического канала. Любое состояние поляризации полностью поляризованного света можно описать точкой в этом трёхмерном пространстве, которая лежит на поверхности сферы – так называемой сферы Пуанкаре, центр которой расположен в начале координат. Радиус сферы соответствует амплитуде светового сигнала. Круговая поляризация располагается вдоль оси S3. Вдоль экватора в плоскости, образованной осями S1 и S2, располагается состояние линейной поляризации, а промежуточные положения соответствуют эллиптической поляризации. На рис. 8 зелёным цветом показано расположение на сфере разных состояний поляризации.

 

Также на рис. 8 показан измеренный сигнал QPSK, поляризованный по плоскостям x и y. В точках выборки возможны четыре состояния разности фаз между двумя сигналами. Комбинация этих сигналов x и y с этими разностями фаз даёт измеренные «облака» синих точек в пространстве Стокса. (Используя сигнал QPSK с одним направлением поляризации, мы получим одно скопление на оси S1).

 

Рис. 8. Сфера Пуанкаре в пространстве Стокса для сигнала QPSK с поляризационным разделением (PDM)

 

Переходы между четырьмя состояниями определяют в пространстве Стокса объект, напоминающий линзу (см. рис. 9). Можно доказать, что сигналы с мультиплексированной поляризацией любого формата всегда определяют такие линзы.

 

Рис. 9. Межсимвольные переходы сигнала PDM QPSK: в левой полусфере расположены переходы сигнала с поляризацией по оси x (H, горизонтальная), а в правой полусфере – переходы сигнала с поляризацией по оси y (V, вертикальная)

 

Когда мы сталкиваемся с трансформацией состояния поляризации вдоль оптического тракта одномодового волокна, линзы в пространстве Стокса поворачиваются (см. рис. 10). По этому повороту можно получить матрицу Джонса, которая представляется нормалью линзоподобного объекта.

 

Рис. 10. Трансформация состояния поляризации приводит к повороту линз в пространстве Стокса. Нормаль к линзе определяет матрицу Джонса – здесь приведён пример сигнала PDM QPSK.

 

 А как представлены в пространстве Стокса другие искажения? В случае PDL линзы деформируются и смещаются. Тем не менее, это не вызывает проблем с восстановлением матрицы Джонса. Деформация позволяет количественно оценить PDL. CD не зависит от поляризации и не препятствует её демультиплексированию. В этом случае количественные характеристики можно получить по сигнальному созвездию.

 

Определение символов

После успешной цифровой обработки сигнала и демультиплексирования поляризации мы можем, наконец, определить принимаемые символы. В QPSK критерием принятия решения являются значения I и Q в измеренной точке сигнального созвездия (см. рис. 11), например, все точки с положительными значениями I и Q можно интерпретировать, как “11”. В более сложных форматах использовать I и Q в качестве критерия принятия решения нельзя. В этом случае точки привязываются к ближайшему символу. По размытым «облакам» в правой части рис. 11 можно сказать, что даже когерентное детектирование не избавляет нас от битовых ошибок. Как же выполнить количественную оценку? Этот вопрос будет обсуждаться в следующей статье данной серии, посвящённой когерентным оптическим сигналам.

 

Рис. 11. В QPSK критерий принятия решения основывается на значениях I и Q, а в более сложных форматах - на расстоянии до ближайшего соседнего символа

 

Литература

Рис. 1 взят из статьи «Соглашение OIF о реализации интегрированных интрадинных когерентных приёмников с двойной поляризацией», IAOIF-DPC-RX-01.2, 14 ноября, 2013 г.

Рис. 7 взят из статьи Дж.К. Геера, Ф.Н. Хауске, К.Р.С. Флуджера, Т. Дутела, К. Шульена, М. Кушнерова, К. Пьяванно, Д. Ван-дер-Борна, Е.-Д. Шмидта, Б. Спинлера, Х. де Ваардта, Б. Ланкла и Б. Шмаусса “Оценка параметров канала для когерентных приёмников с разной поляризацией”, IEEE Photonics Technology Letters, том 20, № 10, 15 мая, 2008 г. Все другие рисунки предоставили Тодд Маршалл, Стефани Мичел, Бернд Небендал и Богдан Шанфранек.

Требования к широкополосным ВЧ-измерениям постоянно меняются, и вместе с ними меняются приборы, необходимые для исследования сигналов. Современным радиолокационным системам требуется более высокое разрешение для отслеживания цели, системам связи нужна большая пропускная способность – а для удовлетворения этих требований вам нужны более широкополосные схемы модуляции соответствующих сигналов, чтобы проверять прототипы устройств и промышленные образцы.

 

Давно прошли те дни, когда мгновенной полосы анализа 510 МГц, которая долго была стандартом в анализаторах сигналов и спектра, вполне хватало для измерения параметров модуляции. Некоторые системы перешагнули ширину полосы модуляции 1 ГГц и даже 2 ГГц. Поэтому для выполнения качественных, достоверных широкополосных ВЧ-измерений нужен иной подход.

 

Насколько же отличается этот подход? Он требует применения широкополосных цифровых осциллографов реального времени. Дигитайзеры и осциллографы предлагают достаточно широкую рабочую полосу и частоту дискретизации для прямой оцифровки модулированной несущей, либо непосредственно, либо в совокупности с понижающим преобразователем частоты перед осциллографом.

 

Важно только знать, что и как использовать. Один из способов оценки вариантов выполнения широкополосных измерений заключается в построении диаграммы возможностей. Отложим по вертикальной оси полосу анализа, а по горизонтальной оси – частоту несущей, которую можно измерять. Не утруждайте себя построением этой диаграммы – мы уже об этом позаботились:

Рисунок 1. Частота несущей и полоса анализа для различных приборов (на основе портфолио Keysight Technologies)

 

Как видите, классический анализатор сигналов имеет собственную полосу анализа до 1 ГГц и может работать с частотой несущей до 110 ГГц (с недавних пор). В отличие от этого, осциллографы средней ценовой категории обладают полосой пропускания до 8 ГГц, что позволяет измерять сигналы с частотой несущей до 8 ГГц и с очень широкой полосой модуляции, близкой к 8 ГГц. Пока суммарный спектр несущей и модуляции не выходит за пределы полосы пропускания осциллографа, вы можете выполнять достоверные измерения.

 

Но и этого может быть недостаточно. В широкополосных аэрокосмических/оборонных приложениях, включая РЭБ, РЛС и радиоразведку, исследуемые сигналы могут иметь частоту несущей выше 8 ГГц. Здесь можно вспомнить о высокопроизводительных осциллографах, которые имеют более широкую полосу пропускания – до 33 ГГц или 63 ГГц – и, разумеется, стоят существенно дороже. Зато они предлагают впечатляющие значения таких параметров, как равномерность АЧХ и уровень шумов. В качестве альтернативного решения можно включить перед осциллографом средней ценовой категории понижающий преобразователь частоты. При этом вы платите меньше, но можете работать с высокочастотными сигналами с широкополосной модуляцией, однако при условии, что вы согласны до некоторой степени пожертвовать линейностью фазы и амплитуды.

 

Во-первых, в качестве понижающего преобразователя частоты можно включить перед осциллографом средней ценовой категории стандартный анализатор сигналов и снимать сигнал с выхода ПЧ тракта этого анализатора. Как правило, в этом случае понадобится калибровка, чтобы выровнять общую амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики системы. Как правило, решения подобного рода могут работать в диапазоне частот до 50 ГГц.

 

Во-вторых, в качестве понижающего преобразователя частоты можно включить перед осциллографом средней ценовой категории недорогой гармонический смеситель. Это решение будет узкополосным: можно будет анализировать очень высокие несущие частоты, но, как правило, существует некоторый узкий диапазон несущих частот, с которыми может работать данный смеситель. Поэтому этот вариант наиболее удобен для таких приложений, как 5G, WiGig и автомобильные радары.

 

Типовые ВЧ-характеристики широкополосных осциллографов реального времени

Итак, что же нужно знать, прежде чем делать БПФ или широкополосные ВЧ измерения с помощью осциллографа или осциллографа в сочетании с программным обеспечением векторного анализа сигналов (VSA)? Нужно знать, что ВЧ характеристики осциллографа могут оказывать сильное влияние на результаты измерений, поэтому, в первую очередь, надо оценить такое влияние.


Сегодня можно найти осциллографы, оснащенные встроенной схемой коррекции амплитуды и фазы, который обеспечивает превосходную абсолютную точность амплитуды и малое отклонение от линейной фазы во всём частотном диапазоне. Это позволяет выполнять высококачественные ВЧ-измерения. Кроме того, такие осциллографы предлагают превосходные значения плотности шума (около -160 дБм/Гц) и широкий динамический диапазон и отношение сигнал/шум с учётом предлагаемой ими широкой полосы пропускания.

 

Что это даёт? Вы можете исследовать широкополосные сигналы очень малой амплитуды на фоне сильных сигналов. Вы можете поднимать чувствительность осциллографа для измерения сигналов малой амплитуды. Кроме того, схема развёртки таких осциллографов обладает низким значением фазового шума при малой отстройке от несущей, что соответствует низкому джиттеру для трасс большой длительности. Если вам нужна более подробная информация, ознакомьтесь с ВЧ-характеристиками высокопроизводительного осциллографа с полосой пропускания 33 ГГц, приведёнными в таблице 1.

 

Таблица 1. Типовые ВЧ характеристики широкополосного осциллографа

Типовые значения для осциллографов серии V (полоса пропускания 33 ГГц, 1 канал в одном осциллографе, если не указано иное)

Чувствительность/плотность шума (1 мВ/дел; диапазон –38 дБм)

Измерение спектральной плотности мощности на 1,0001 ГГц, центральная частота 1,0001 ГГц, полоса обзора 500 кГц, полоса разрешения 3 кГц

-159 дБм/Гц

Коэффициент шума (для описанного выше измерения)

+15 дБ

Отношение сигнал/шум / динамический диапазон

(-1 дБм, частота несущей 1 ГГц, входной диапазон осциллографа 0 дБм) центральная частота 1 ГГц, полоса обзора 100 МГц, полоса разрешения 1 кГц, измерение при отстройке +20 МГц от центральной частоты

+111 дБ

Абсолютная погрешность амплитуды (от 0 до 30 ГГц)

±0,5 дБ

Нелинейность фазы (от 0 до 33 ГГц)

±3 градуса

Фазовый шум (на 1 ГГц)

                отстройка 10 кГц

                отстройка 100 кГц

 

-125 дБн/Гц

-131 дБн/Гц

Амплитуда вектора ошибки (EVM)

(802.121, несущая 2,4 ГГц, полоса 20 МГц, 64QAM)

-47 дБ (0,47%)

Паразитные составляющие (входной сигнал –4,6 дБм, входной диапазон –4 дБм)

Динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (SFDR)

Входной сигнал 1 ГГцуровень входного сигнала -4,6 дБм, полоса обзора 5 ГГц, центральная частота 3 ГГц, полоса разрешения 100 кГц

 

+67 дБ

Уровень 2ой гармоники

Входной сигнал 1 ГГц, -4,6 дБм, полоса обзора 5 ГГц, центральная частота 3 ГГц, полоса разрешения 100 кГц

-51 дБн

Уровень 3ей гармоники

Входной сигнал 1 ГГц, -4,6 дБм, полоса обзора 5 ГГц, центральная частота 3 ГГц, полоса разрешения 100 кГц

-51 дБн

Точка пересечения по интермодуляционным составляющим 3-го порядка для двухтонального сигнала

Входные тональные сигналы –6,6 дБм, 2,435 ГГц и 2,439 ГГц, разнесение 2 МГц, центральная частота 2,437 ГГц, полоса обзора 10 МГц, полоса разрешения 100 кГц, диапазон 8 дБм

+28 дБ

Согласование по входу (S11)

(<50 мВ/дел, 0-30 ГГц, без аттенюатора)

(>=50 мВ/дел, 0-30 ГГц, без аттенюатора)

 

-15 дБ; КСВ 1,4

-21 дБ; КСВ 1,2

 

Широкополосные импульсные ВЧ-измерения во временной области – огибающая, частота и ЛЧМ

Теперь, когда мы знаем возможности нашего широкополосного осциллографа, давайте посмотрим, как он без посторонней помощи выполняет измерения во временной области и анализ широкополосных импульсных ВЧ-сигналов. Выбор конкретного осциллографа зависит от максимального суммарного значения частоты несущей и полосы модуляции. Давайте рассмотрим пример, в котором исследуемый сигнал содержит импульсы длительностью 1 мкс с интервалом повторения 100 мкс. Сигнал представляет собой импульсы с ЛЧМ с полосой модуляции 2 ГГц и несущей частотой 15 ГГц.


Пример нескольких измерений одного ВЧ-импульса, включая параметры огибающей и ЛЧМ, приведён на рисунке 2. Стабильный запуск по этому импульсу обеспечивается путём установки удержания запуска на значение чуть больше длительности импульса – 1 мкс.

 

Рисунок 2. Измерение во временной области с помощью осциллографа с полосой пропускания 33 ГГц импульса со следующими параметрами: длительность 1 мкс, несущая 15 ГГц, ЛЧМ с полосой модуляции 2 ГГц

Для измерения амплитуды использовалась математическая функция “Envelope” (Огибающая), после чего импульсные измерения выполнялись по видимой огибающей ВЧ импульса. Измерение частоты выполнялось по ВЧ импульсу (а не по огибающей), а в качестве источника математической функции “Measurement Trend” (Тренд результатов измерения) использовалось измерение частоты. Затем к тренду результатов измерения применялась математическая функция сглаживания, что дало линейное нарастание частоты модуляции, как показано на рисунке 2. Линейность амплитуды осциллографа в интересующей нас полосе обзора непосредственно влияет на качество измерения огибающей. Чтобы увидеть это влияние, взгляните на график зависимости амплитуды от частоты для осциллографа с полосой пропускания 33 ГГц, показанный на рисунке 3.

 

Рисунок 3. Типовая зависимость амплитуды от частоты для четырёх отдельных каналов с полосой пропускания 33 ГГц

Стробируемые измерения спектра широкополосных ВЧ-импульсов с использованием БПФ

Широкополосные измерения с использованием БПФ можно выполнить, выбрав математическую функцию “FFT Magnitude” (Амплитуда БПФ) с прямоугольной (“Rectangular”) весовой функцией. После этого можно выполнить стробируемые измерения БПФ за счёт применения математической функции “Timing Gate” (Стробирование по времени). После настройки функции стробирования по времени, можно настроить математическую функцию БПФ, которая рассчитывается по записи в пределах временного окна, как показано на рисунке 4.

 

Рисунок 4. Обычные и стробируемые измерения БПФ во временном окне в начале ВЧ-импульса

Широкополосные измерения ВЧ-импульсов во временной и частотной областях с помощью осциллографа и ПО векторного анализа

Но это ещё не всё. ВЧ- и БПФ-измерения с помощью широкополосного осциллографа можно дополнительно расширить, импортировав захваченные осциллографом сигналы в программное обеспечение векторного анализа сигналов. Некоторые преимущества такого подхода включают:

  • широкий выбор встроенных ВЧ-измерений;
  • возможность применения входного полосового фильтра осциллографа для оцифровки и прореживания сигнала перед расчётом БПФ, что снижает шум и повышает скорость расчётов;
  • множество опциональных цифровых и аналоговых демодуляторов, таких как 16QAM и ЧМ;
  • представление импульса во временной области с пониженным уровнем шумов за счёт цифровой обработки;
  • коррекция частоты и фазы в пределах импульса при прохождении через демодулятор.


Если захваченные осциллографом данные импортированы в ПО векторного анализа сигналов, их можно преобразовать в цифровом виде в модулирующие сигналы I и Q, пропустить через полосовой фильтр и затем повторно дискретизировать. Эта процедура может существенно снизить шум измерения. В сущности, процесс заключается в “настройке” на центральную частоту сигнала и в “растяжке” сигнала для анализа модуляции. Это часто называется “цифровым расширением”.


В этом примере исходная измеряемая полоса 8 ГГц с соответствующим уровнем шумов была сокращена до 500 МГц с центром на частоте 3,7 ГГц и мгновенной полосой измерения немного шире полосы модуляции сигнала. Это соответствует улучшению отношения сигнал/шум (С/Ш) на:

 

10log*(Полоса пропускания осциллографа/Полоса обзора) = 10log*(8E+09/500E+6) = 12 дБ.

 

Благодаря цифровому расширению в сочетании со способностью ПО векторного анализа сигналов представлять амплитуду в логарифмическом масштабе и применению усреднения, мы смогли увидеть импульс с уровнем на 50 дБ меньше, как показано на рисунке 5. При измерении в полосе 8 ГГц этот импульс не был виден.

 

Рисунок 5. ПО векторного анализа сигналов с установленной “Центральной частотой” и “Полосой обзора” показывает импульс с уровнем на 50 дБ ниже

Секрет захвата длинных последовательностей и статистического анализа импульсов

Если осциллограф применяется для регистрации широкополосных ВЧ-сигналов, то для точного захвата несущей и модулирующего сигнала он должен обладать достаточно высокой частотой дискретизации. Это значит, что при высокой частоте дискретизации потребуется очень большой объём памяти осциллографа, чтобы захватить продолжительный интервал сигнала.


Но эту проблему можно решить, воспользовавшись сегментированной памятью осциллографа. Сегментированная память может существенно увеличить время регистрации сигналов с большой скважностью, таких как импульсные ВЧ-сигналы РЛС. В этом режиме память осциллографа делится на небольшие фрагменты, соответствующие фиксированным интервалам времени, которые немного шире самого широкого ВЧ-импульса. Осциллограф запускается по событию, например, по началу ВЧ-импульса, после чего заносит этот ВЧ-импульс в сегмент памяти. Затем осциллограф прекращает захват, взводит систему запуска и ждёт следующего ВЧ-импульса. Второй ВЧ-импульс помещается во второй сегмент памяти. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не заполнятся все сегменты памяти осциллографа.


Современное ПО анализа импульсов позволяет воспользоваться преимуществами сегментированной памяти осциллографа и выполнить множество встроенных измерений импульсных ВЧ-сигналов. Захват нескольких ВЧ-импульсов с помощью сегментированной памяти осциллографа в сочетании с измерительными функциями ПО анализа импульсов показан на рисунке 6. Здесь выполняется измерение импульса ЛЧМ частотой 1 ГГц и сдвиг фазы вдоль импульса, которые сравниваются с идеальным линейным нарастанием и идеальной параболой соответственно. В увеличенном масштабе показана разность между измеренным и опорным сигналами для частоты на кривой S и фазы на кривой J.

 

Рисунок 6. Расчёты ПО анализа импульсов основаны на измерениях, выполненных осциллографом с сегментированной памятью

Заключение

Ограничение полосы пропускания анализаторов сигналов и спектра вынуждает разработчиков применять дигитайзеры и осциллографы с понижающими преобразователями частоты или без таковых. Очень полезны для анализа функционирования и диагностики неисправностей целевой системы такие математические функции, как "Огибающая", "Тренд результатов измерения" и БПФ. Объединение осциллографа с ПО векторного анализа сигналов позволяет создать мощный измерительный инструмент для выполнения разнообразных измерений, включая демодуляцию, представление во временной области с пониженным отношением сигнал/шум и статистический анализ ВЧ импульсов. И хотя существует некоторый компромисс между динамическим диапазоном/шумом и доступной мгновенной полосой пропускания, это не мешает выполнять многие важные широкополосные измерения для оценки прототипов или серийно выпускаемых изделий.

Построение систем 5G и IoT из серийно выпускаемых компонентов

Хау-Сянг Яп (How-Siang Yap), Keysight Technologies, Inc.

Аннотация. Данная статья рассказывает о том, как наиболее эффективно моделировать ВЧ системы для технологий мобильной связи 5го поколения (5G) и приложений интернета вещей (IoT), используя серийно выпускаемые компоненты и быстрый синтез многокаскадных схем согласования импеданса на печатных платах.

 

5G - это грядущее пятое поколение радиосетей мобильной связи, работающих в диапазоне от 24 до 95 ГГц. Это поколение обещает чрезвычайно высокие скорости передачи данных по радиоканалу, например, передачу видеопотоков для телевидения сверхвысокой чёткости 4k/8k. Другим быстроразвивающимся приложением беспроводных технологий является интернет вещей (IoT). IoT это подключение к сети окружающих нас вещей – от бытовых приборов до промышленных датчиков и систем отслеживания грузов в мировом масштабе. По прогнозам к 2020 году к сети будет подключено более 50 миллиардов объектов IoT. Всё это создаст огромную нагрузку на радиоинженеров, вынуждая их быстро проектировать и выпускать продукты 5G и IoT, чтобы успешно конкурировать на рынке.

 

Моделирование ВЧ-систем 5G на частоте 28 ГГц

 

Проектирование и построение ВЧ-систем, работающих на частоте 24 ГГц и выше, связано с определёнными проблемами из-за паразитных эффектов межсоединений в печатной плате, взаимовлияния компонентов и отсутствия моделей новых компонентов для моделирования на уровне системы. Использование электронных таблиц для оценки характеристик системы и последующее макетирование на макетных платах с помощью реальных элементов обходится очень дорого, отнимая много времени, требуя множества приборов и значительной трудоёмкости на каждую итерацию.

 

Однако теперь появилась эффективная возможность проектировать, создавать прототип и налаживать производство законченной ВЧ системы за один цикл без лишних итераций, и эта возможность иллюстрируется приведённым ниже примером. На рисунке 1 показана структурная схема системы с входным сигналом 28 ГГц и двумя гетеродинами 22 ГГц и 7 ГГц, понижающими частоту до промежуточной частоты 1 ГГц. Структурная схема смоделирована в системе Keysight Genesys Spectrasys, причём системные блоки моделировались следующим образом:

 

  • X-параметры для нелинейных цепей
  • Поведенческие модели устройств на основе системных параметров Keysight Sys-parameters, описывающих характеристики отдельных узлов системы в зависимости от частоты, смещения и температуры
  • S-параметры для линейных цепей
  • Поведенческие модели, описанные уравнениями

 

Рисунок 1. Приёмник 5G на 28 ГГц с двойным преобразованием до промежуточной частоты 1 ГГц. Моделировался с помощью системного ВЧ симулятора Keysight Genesys.

 

Технология моделирования ВЧ-систем прошла долгий путь, оставив далеко позади использование электронных таблиц. Повышение точности и расширение диагностических возможностей просто невероятны. Примеры таких улучшений включают идентификацию происхождения составляющих спектра, расчёт нелинейной интермодуляции, определение того, какие системные блоки и их характеристики при подаче на вход ВЧ сигнала с цифровой модуляцией вносят вклад в ухудшение таких параметров, как модуль вектора ошибки (EVM), коэффициент битовых ошибок (BER) и соотношение мощностей соседнего и основного канала (ACPR).

На рисунке 2 показ ан анализ зависимости
EVM от расположения системных компонентов, который позволяет мгновенно выявлять основные причины деградации EVM, такие как фазовый шум гетеродина и нелинейность смесителей и усилителей. Щёлкнув на подозреваемом компоненте, можно настроить его параметры и улучшить характеристики системы. Это позволяет выбрать оптимальное расположение системных компонентов, избегая чрезмерного их сближения или разнесения, и достичь наилучших характеристик при минимальных затратах.

 

Рисунок 2. Новейший метод анализа амплитуды вектора ошибки позволяет выявить компоненты, вызывающие деградацию ВЧ сигналов с цифровой модуляцией, и исключить дорогостоящие итерации в процессе создания прототипа.

Определение характеристик на этапе проектирования и последующий поиск реальных компонентов, обладающих такими характеристиками, на этапе реализации является широко распространённым, но неэффективным подходом, который неизбежно порождает необходимость в нескольких итерациях. Sys-параметры, представляющие собой  поведенческие модели реальных серийных компонентов, или X-параметры нелинейных компонентов могут непосредственно использоваться в ВЧ моделировании, и в результате к концу проектирования компоненты будут уже определены и проверены на работоспособность в системе. После этого система готова к аппаратной реализации.

 

Построение систем 5G из серийно выпускаемых компонентов

 

Рисунок 3. Аппаратный прототип приёмника 28 ГГц, использующий X-блоки из X-Microwave. Вы получаете то, что моделируете, без расхождений, вызванных паразитными связями или неточными моделями.

 

В конструкции приёмника 5G на 28 ГГц использовались серийно выпускаемые компоненты таких производителей, как Mini-circuits, Analog Devices, Qorvo, Marki, и Avago, реализованные в виде модулей X-Microwave, как показано на рисунке 3. Все модули, называемые X-блоками, включают необходимые внешние цепи питания и пассивные периферийные компоненты для таких активных устройств, как гетеродины, смесители и усилители. Они характеризуются моделями X-параметров на основе измерений или моделями на основе Sys-параметров, что позволяет точно моделировать их применение в реальной системе. Модули представляют собой печатные платы с компонентами поверхностного монтажа, соединенные между собой посредством термокомпрессионного метода без пайки, что обеспечивает надёжную работу в диапазоне до 67 ГГц. Измерительные разъёмы 1,9 мм тоже закреплены термокомпрессией, поэтому X-блоки можно использовать повторно без повреждения. Когда сборка прототипа завершена, такую же композитную топологию можно использовать в производстве, поскольку все компоненты располагаются на аналогичной многослойной подложке.

 

Измеренные параметры системы соответствуют смоделированным, как показано на рисунке 4, разница объясняется погрешностью измерений на векторном анализаторе сигналов.

 

Входная мощность, дБм

Измеренная EVM, % ср.кв.

Оценка EVM, % ср.кв.

-50

1,8

2,2

-60

3,1

3,5

-70

9,3

9,3

-75

17,9

16,3

-78

20,0

22,9

Таблица. Сравнение измеренного и смоделированного модуля вектора ошибки для разной входной мощности. Наблюдается превосходная корреляция в пределах погрешности измерительных приборов.

 

Проектирование для интернета вещей

 

Для IoT разрабатывается несколько стандартов, отличающихся зоной покрытия, полосой передачи данных и рабочей частотой. Рабочие частоты IoT обычно подразделяются на 2 категории: нижние и верхние, а именно в диапазонах ISM 2,4 ГГц и 5,8 ГГц (диапазон для промышленного, научного и медицинского применения). С точки зрения проектирования физических радиоканалов IoT, работающих в этих частотных диапазонах, основной упор должен делаться на согласование импеданса чипсета IoT с антенной. Для увеличения дальности действия можно включать усилители между чипсетом и антенной.

 

В идеале схема согласования импеданса должна быть компактной и недорогой. Многокаскадные схемы, согласующие импеданс в широкой полосе частот (30 % и более) со сложными частотно-зависимыми импедансами таких устройств, как антенны, измеренными S-параметрами чипсетов IoT или нестабильными не-однонаправленными усилителями на дискретных транзисторах, чрезвычайно сложно рассчитать с помощью традиционной диаграммы Смита или методом проб и ошибок.

 

Рисунок 5. Синтез схемы согласования импеданса и микрополосковая топология 3-каскадной согласующей схемы, работающей в диапазоне от 2 до 3 ГГц и позволяющей достичь обратных потерь –20 дБ и усиления 35 дБ, выполняется менее чем за час.

 

Более эффективный подход заключается в применении автоматического синтеза согласующей схемы, который использует для решения упомянутых выше сложных случаев согласования несколько методов – от простых Т-образных схем до метода «реальных частот» (real frequency). Поскольку такой синтез может выполнять сложные одновременные многокаскадные согласования в считанные секунды с помощью цепей с распределёнными или сосредоточенными параметрами, разработчики IoT могут быстро опробовать несколько многокаскадных вариантов и выбрать из них наиболее экономичный. На рисунке 5 показаны результаты одновременного синтеза 3-каскадной схемы, согласующей антенну с малошумящим стабилизированным транзисторным усилителем, с последующим измерением S-параметров чипсета усилителя мощности. В результате этого синтеза удалось получить обратные потери –20 дБ в диапазоне от 2 до 3 ГГц при усилении 35 дБ. Кроме того, были синтезированы размеры микрополосковой топологии с автоматической вставкой неоднородностей, таких как Т-образные соединения и разомкнутые шлейфы. Весь процесс занял менее часа.

 

Теперь ВЧ-системы для приложений 5G и IoT можно эффективно моделировать, создавать их прототипы и изготавливать из серийно выпускаемых компонентов, благодаря революционным диагностическим функциям, позволяющим выявлять компоненты с неподходящими параметрами. Точные модели X- и Sys-параметров для серийно выпускаемых ВЧ компонентов позволяют эффективно получать то, что вы моделировали, на всех этапах – от проектирования до создания прототипа и производства, причём без лишних итераций. Синтез согласующих цепей заменяет сложную ручную разработку и оптимизацию мгновенным выбором нескольких подходящих согласующих топологий, позволяющих получить наиболее экономичную реализацию. Дополнительную информацию можно найти на сайтах www.keysight.com/find/eesof-genesys-info и www.xmicrowave.com.

 

Данная статья на русском языке была опубликована  журнале «Беспроводные технологии» № 6, декабрь 2016». http://wireless-e.ru/

Сейчас осциллографы реального времени часто обозначают DSO или MSO (цифровые запоминающие осциллографы или осциллографы смешанного сигнала). Большинство продаваемых сегодня осциллографов являются осциллографами реального времени. Полоса пропускания осциллографов реального времени составляет от нескольких МГц до десятков ГГц при стоимости прибора от нескольких сотен до нескольких сотен тысяч долларов. Стробоскопические осциллографы, как правило, имеют обозначение DCA (цифровые коммуникационные анализаторы). Их полоса пропускания обычно превышает десятки ГГц, и применяются они в первую очередь для анализа высокоскоростных последовательных шин, оптических устройств и сигналов тактовой частоты. Тем не менее, с ростом полосы используемых сигналов, сферы применения стробоскопических осциллографов и осциллографов реального времени начали пересекаться.

 

Тракт дискретизации в обоих типах осциллографов практически одинаков. Входной сигнал проходит через цепь предварительной обработки входного интерфейса, дискретизируется, сохраняется в памяти, а затем отображается на экране. Тем не менее, используемые в них технологии в корне отличаются.

 

Осциллографы реального времени

Как работает осциллограф реального времени? Осциллограф реального времени содержит специализированную ИС управления запуском, которая позволяет указать интересующие события, такие как пороговый уровень перепада напряжения, нарушение условий установки и удержания или появление определенной кодовой последовательности. В обычном режиме регистрации, когда система запуска обнаруживает указанное событие, осциллограф захватывает и сохраняет непрерывную последовательность выборок сигнала до и после события запуска и выводит на экран захваченные данные. Осциллографы реального времени могут работать в режиме однократного или периодического запуска. В режиме однократного запуска осциллограф захватывает и отображает одну порцию последовательных выборок, определяемую доступным объемом памяти и выбранной частотой дискретизации. После однократного захвата осциллограммы пользователь может просматривать ее в режиме прокрутки и растягивать любой фрагмент с интересующим его событием. В непрерывном режиме осциллограф периодически захватывает и отображает сигнал при каждом появлении заданных условий запуска. Переменное или бесконечное послесвечение позволяет накладывать последовательные захваты сигнала друг на друга. Периодический режим используется чаще, поскольку он дает живое представление об исследуемом сигнале. Измерения таких параметров, как длительность фронта или импульса, математический анализ или быстрое преобразование Фурье (БПФ) могут выполняться и в однократном режиме, и в течение некоторого времени в периодическом режиме. Большинство осциллографов реального времени с полосой пропускания до 6 ГГц имеет два входа – 1 МОм и 50 Ом, к которым подключаются различные пробники и кабели.

 

Осциллографы реального времени характеризуются тремя ключевыми параметрами – полосой пропускания, частотой дискретизации и глубиной памяти. Конечно, существуют и другие важные параметры, которые надо учитывать при выборе осциллографа реального времени.

 

Осциллограф с большой глубиной памяти имеет три явных преимущества:

  1. Большая глубина памяти позволяет захватывать сигнал в большем временном окне при той же частоте дискретизации. Глубина памяти определяет, сколько выборок можно сохранить за один захват и, следовательно, определяет длительность захвата. Чем больше выборок можно сохранить за один захват, тем больше вероятность обнаружения редко происходящих событий.
  2. Большая глубина памяти позволяет использовать большую частоту дискретизации при меньших скоростях развертки, что повышает точность измерения. Например, при глубине памяти 10 млн. выборок, частоте дискретизации 10 Гвыб/с и скорости развертки 1 мкс/дел будет отображаться 1 млрд. точек данных (это абсолютный предел для большинства современных осциллографов). Если переключить развертку на 10 мкс/дел, осциллограф снизит частоту дискретизации в 10 раз, чтобы захватить тот же временной интервал. Однако осциллограф с глубиной памяти 100 млн. выборок сохранит ту же частоту дискретизации 10 Гвыб/с, захватывая при этом интервал длительностью 20 мкс.
  3. Большая глубина памяти повышает точность статистических измерений и математических расчетов. Исследование большого числа фронтов, быстрое преобразование Фурье и измерения джиттера выигрывают от большой глубины памяти захвата.

 

Стробоскопические осциллографы

Как работает стробоскопический осциллограф? Стробоскопические осциллографы предназначены исключительно для захвата, отображения и анализа периодически повторяющихся сигналов. Система запуска таких осциллографов тоже ориентирована на работу с периодическими сигналами. При первом появлении условий запуска стробоскопический осциллограф захватывает группу разнесенных во времени выборок. Затем осциллограф сдвигает точку запуска, захватывает следующую группу выборок и выводит их на экран вместе с первой группой. Он повторяет этот процесс, создавая осциллограмму в режиме с бесконечным послесвечением, используя данные многих последовательных захватов. Ключевым компонентом этой технологии является интерполяция запуска, которая контролирует интервалы времени между запусками для повышения точности измерений. Глубина памяти при этом не критична, поскольку используется только для захвата и обработки нескольких выборок при каждом запуске. Частота дискретизации тоже не важна. Определяющую роль играет точность задержки от первого запуска до следующего.

 

Сравнение стробоскопических осциллографов с осциллографами реального времени

Как уже говорилось, полоса пропускания современных осциллографов реального времени может превышать 60 ГГц, тогда как полоса стробоскопических осциллографов может достигать значения 90 ГГц и выше. В результате для большинства цифровых приложений полоса пропускания уже не является однозначным критерием выбора осциллографа. С другой стороны, важным параметром является цена. Полнофункциональные стробоскопические осциллографы с полосой пропускания 50 ГГц будут стоить менее 150 000 долларов, тогда как цена осциллографа реального времени с такой же полосой приближается к 400 000 долларов. Разработчик должен решить, стоит ли повышенная гибкость осциллографа реального времени таких денег.

 

Шум и отношение сигнал/шум

Существуют и более существенные различия между стробоскопическими осциллографами и осциллографами реального времени. Стробоскопический осциллограф имеет 14-разрядный АЦП и в результате обладает очень большим динамическим диапазоном, что позволяет рассматривать сигналы амплитудой от нескольких милливольт до единиц вольт без применения аттенюаторов. В результате стробоскопический осциллограф имеет очень малый уровень шума при разных значениях входной чувствительности. Динамический диапазон осциллографа реального времени ограничен 8 разрядами, но эффективное разрешение зачастую равно примерно 6 разрядам. В связи с ограниченным отношением сигнал/шум необходимо применять аттенюаторы для корректного отображения сигналов в диапазоне от нескольких милливольт до нескольких вольт. В конечном итоге это значит, что осциллографы реального времени обладают большим уровнем шумов, чем стробоскопические осциллографы. Благодаря малым шумам, стробоскопические осциллографы принято считать “золотым эталоном” измерений. Тем не менее, осциллографы реального времени постоянно улучшаются, и разрыв в качестве сигнала со стробоскопическими осциллографами постоянно сокращается.

 

Амплитудно-частотная характеристика

Еще одним параметром, который надо учитывать при выборе между осциллографом реального времени и стробоскопическим осциллографом, является их амплитудно-частотная характеристика. Обычно стробоскопический осциллограф не использует цифровую коррекцию (с применением цифрового сигнального процессора) и поэтому обладает медленно спадающей частотной характеристикой, определяемой используемым оборудованием и близкой по форме к гауссовой кривой. Осциллографы реального времени могут использовать ЦСП и тем самым корректировать амплитудно-частотную характеристику. Например, осциллографы Agilent DSOX93304Q обладают равномерной АЧХ во всей полосе пропускания, то есть их коэффициент усиления меняется не более чем на 1 дБ во всем частотном диапазоне осциллографа.

 

Частотные характеристики осциллографов реального времени могут варьироваться. Некоторые производители осциллографов предлагают до пяти частотных характеристик с разными параметрами. Непосредственное сравнение плоской и гауссовой АЧХ может показать, что результаты одного и того же измерения будут выглядеть совершенно по-разному. Например, гауссова АЧХ может повлиять на результаты измерения и добавить межсимвольные помехи. Плоская АЧХ с крутым спадом может порождать нечто вроде звона, если скорость нарастания и спада сигнала настолько высока, что не укладывается в полосу пропускания осциллографа. В любом случае нужно знать, как оборудование может влиять на результаты измерений.


Разные способы восстановления тактовой частоты

Ключевой процедурой осциллографических измерений является восстановление тактовой частоты. Восстановление тактовой частоты позволяет строить глазковую диаграмму реального времени, выполнять тестирование по маске и выделять джиттер. В сущности, восстановленная тактовая частота представляет собой опорную тактовую частоту, используемую для сравнения измерений. До недавнего времени стробоскопические осциллографы выполняли только аппаратное восстановление тактовой частоты. В результате независимо от того, использовалась ли внешняя тактовая частота или внутренняя тактовая частота 10 МГц самого стробоскопического осциллографа, система восстановления была подвержена ошибкам. Сейчас эта проблема устранена, поскольку стробоскопические осциллографы Agilent используют программную систему восстановления тактовой частоты, которая идеально справляется с этой задачей. Осциллографы реального времени почти всегда использовали программное восстановление тактовой частоты, однако они имели и дополнительную возможность использования внешней тактовой частоты. В этом случае также преимущество программного восстановления тактовой частоты заключается в том, что оно не подвержено аппаратным ошибкам, но оно сдает свои позиции, когда тактовая частота не должна зависеть от скорости передачи данных.

 

Кроме разницы между аппаратным и программным восстановлением тактовой частоты нужно учитывать и алгоритм восстановления. Обычно стробоскопические осциллографы используют передаточную функцию джиттера (JTF) (рис. 1), тогда как осциллографы реального времени используют функцию OJTF (рис.2). OJTF в большей степени подавляет низкочастотный джиттер, чем JTF. В результате вы увидите значительно меньше низкочастотных составляющих джиттера на осциллографе реального времени, чем на стробоскопическом осциллографе. Эти значения можно уравнять, просто переключив оба осциллографа на одну передаточную функцию. Это стало возможным благодаря недавним достижениям в развитии стробоскопических осциллографов, и значительно облегчает сравнение джиттера.


Когда использовать стробоскопический осциллограф, и когда осциллограф реального времени

Исторически сложилось так, что стробоскопические осциллографы на порядок превосходят осциллографы реального времени по полосе пропускания и собственному джиттеру. Однако в последнее десятилетие осциллографы реального времени существенно сократили этот разрыв, предложив пользователям, занимающимся тестированием трансиверов, выбор между осциллографами реального времени и стробоскопическими осциллографами. Стробоскопические осциллографы по-прежнему обладают меньшим джиттером и значительно более широким динамическим диапазоном, что делает их идеальными для измерения характеристик в определенных условиях. Если ваш сигнал периодически повторяется и может захватываться в реальном временном интервале, стробоскопический осциллограф даст верное представление такого сигнала.

 

Осциллографы реального времени привлекают своей гибкостью. Если пользователь занят отладкой и хочет настроить запуск по трудно обнаруживаемым событиям, ему идеально подойдет осциллограф реального времени. Пользователям осциллографов реального времени доступно множество приложений для тестирования на соответствие стандартам, декодирования сигналов различных протоколов, запуска по этим сигналам и анализа. Кроме того, осциллографы реального времени могут измерять джиттер по одному захвату, что облегчает анализ причин неисправностей. Многие методы измерений, рекомендуемые в стандартах, используют для тестирования приемников осциллографы реального времени. Это значит, что пользователь должен использовать осциллограф реального времени, чтобы гарантировать соответствие своих устройств требованиям стандарта.

 

Рис. 1. Стробоскопические осциллографы, как и осциллографы реального времени, могут строить глазковые диаграммы, гистограммы и измерять джиттер. Благодаря широкой полосе пропускания, модульной конструкции и небольшой стоимости, стробоскопические осциллографы обычно лучше отвечают требованиям производственного тестирования, чем осциллографы реального времени.

 

Рис. 2. Современные осциллографы реального времени имеют полосу пропускания до 63 ГГц и могут выполнять расширенный анализ джиттера, стирая грань между осциллографами реального времени и стробоскопическими осциллографами в научных исследованиях и разработке.

 


Заключение

Осциллографы реального времени идеально отвечают требованиям большинства приложений. Эти осциллографы выпускаются с разными значениями полосы пропускания, позволяют захватывать однократные и периодически повторяющиеся сигналы и все чаще применяются для выполнении высокочастотных измерений, таких как измерения джиттера и параметров передатчиков. Если ваше приложение использует периодически повторяющиеся сигналы, характеризующиеся малым джиттером и широким динамическим диапазоном, то хорошим выбором может оказаться стробоскопический осциллограф. Кроме того, стробоскопические осциллографы обладают меньшей начальной стоимостью и поддерживают модульное обновление, что делает их пригодными для производственного тестирования электрических и оптических параметров. Если вы работаете с частотами выше 20 ГГц и не знаете, какой тип осциллографа выбрать, обратитесь к производителю осциллографов, который выпускает и стробоскопические осциллографы, и осциллографы реального времени. Такой производитель больше заинтересован в том, чтобы выбранный вами осциллограф точно соответствовал вашим потребностям, чем производитель, впускающий только осциллографы реального времени, или предлагающий ограниченный выбор стробоскопических осциллографов.

Представление о том, что такое глубина памяти осциллографа, часто бывает неверным. На самом деле, многие пользователи даже не знают, какова память их осциллографа. В этой статье мы обсудим, что представляет собой память осциллографа, почему она важна, а также преимущества и допускаемые компромиссы использования памяти в осциллографах с различной архитектурой. Также читатели узнают, что не все области памяти одинаковы.

 

Какова глубина памяти вашего настольного осциллографа? Затрудняетесь ответить? Не расстраивайтесь, большинство людей тоже этого не знают. Но вы уверены в том, что чем больше глубина памяти, тем лучше, не так ли? Как и в большинстве случаев, ответ не столь прост, как кажется.

 

Давайте начнем с того, что попытаемся понять, что такое память захвата осциллографа и насколько важен этот параметр. В простейшем случае на входной каскад поступает аналоговый сигнал, а затем в аналого-цифровом преобразователе этот сигнал преобразуется в цифровую форму. После оцифровки данные должны быть сохранены в памяти, обработаны и отображены на экране в виде осциллограммы. Память осциллографа непосредственно связана с частотой дискретизации. Чем больше объем памяти, тем более длинную выборку можно сохранить при захвате сигналов за более длительный период времени. Чем выше частота дискретизации, тем выше эффективная полоса пропускания осциллографа.

 

Как мы уже говорили раньше, чем глубже память осциллографа, тем он лучше, не так ли? В идеальном случае ответ будет «да». Но давайте сравним два осциллографа с аналогичными характеристиками, за исключением величины глубины памяти. У одного осциллографа полоса пропускания 1 ГГц, частота дискретизации 5 Гвыб/с и возможность сохранения в памяти захвата 4 000 000 выборок (мы назовем это "Архитектура MegaZoom"). Другой осциллограф обеспечивает полосу пропускания 1 ГГц, частоту дискретизации 5 Гвыб/с и память захвата на 20 000 000 выборок (назовем это "Архитектура на основе центрального процессора (ЦП)"). В таблице 1 приведены данные о настройках скорости развертки и частоте дискретизации. Есть простая формула для расчета требуемой частоты дискретизации при заданной скорости развертки и определенного объема памяти (для 10 делений на экране и без сигналов, захваченных вне развертки экрана):

 

Глубина памяти / ((установленная скорость развертки) * 10 делений) = частота дискретизации (до максимально возможного значения частоты дискретизации АЦП).

 

Например, при скорости развертки 160 мкс/дел и максимальной глубине памяти 4 000 000 выборок получаем: 4 000 000 / ((160 мкс/дел. * 10 делений) = 2,5 Гвыб/с.

 

Таблица 1. Частота дискретизации для двух идентичных осциллографов

с различной глубиной памяти при стандартных значениях скоростей развертки.

 

 

4 млн. выборок

20 млн. Выборок

10

нс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

20

нс/дел

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

40

нс/дел

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

100

нс/дел

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

200

нс/дел

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

400

нс/дел

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

1

мкс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

2

мкс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

4

мкс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

10

мкс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

20

мкс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

40

мкс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

100

мкс/дел.

4 Гвыб/с

5 Гвыб/с

200

мкс/дел.

2 Гвыб/с

5 Гвыб/с

400

мкс/дел.

1 Гвыб/с

5 Гвыб/с

800

мкс/дел.

500 Мвыб/с

2,5 Гвыб/с

2

мс/дел.

200 Мвыб/с

1 Гвыб/с

4

мс/дел.

100 Мвыб/с

500 Мвыб/с

8

мс/дел.

50 Мвыб/с

250 Мвыб/с

20

мс/дел.

20 Мвыб/с

100 Мвыб/с

 

Из таблицы 1 следует, что чем больше глубина памяти, тем выше частота дискретизации по мере снижения скорости развертки – время/дел. Поддержание высокой частоты дискретизации – важная функция, позволяющая осциллографу работать с максимальной эффективностью. В современных осциллографах доступен широкий диапазон значений глубины памяти при частоте дискретизации 5 Гвыб/с – от 10 000 выборок (10 квыб) вплоть до 2 000 000 000 (2 Гвыб).

 

Понятно, что глубокая память полезна, когда речь идет о высокой частоте дискретизации, но когда она не является преимуществом? Когда она замедляет работу осциллографа до такой степени, что уже не помогает решать проблемы при отладке схем? Глубокая память – это большая нагрузка на систему. Некоторые осциллографы, будучи настроенными на быстрый захват сигналов и высокую скорость обновления сигналов на экране, продолжают быстро реагировать на управление; другие осциллографы обладают высокими заявленными характеристиками лишь на бумаге, а в действительности ими нельзя воспользоваться, т. к. при прочих равных условиях скорость обновления у них падает на несколько порядков. Давайте вновь обратимся к тем же двум осциллографам. При 20 нс/дел (высокая скорость развертки) оба осциллографа позволяют реализовать свои максимально возможные скорости обновления. И ни один из осциллографов не задействует всю свою память, значение которой указано в техническом описании. Но что происходит в случае более медленных скоростей развертки, например, 400 нс/дел? Осциллограф с архитектурой MegaZoom автоматически задействует больше памяти для того, чтобы сохранить максимально возможную частоту дискретизации – осциллограф будет вести себя так же, как и следовало ожидать от прибора с глубокой памятью (он будет поддерживать частоту дискретизации 5 Гвыб/с и все еще высокую скорость обновления). Осциллограф с архитектурой на основе ЦП по-прежнему будет использовать то же заданное по умолчанию значение глубины памяти, чтобы не возросло время реакции осциллографа на управление, и не сможет при этом поддерживать такую же высокую частоту дискретизации, да и скорость обновления может снизиться. Что произойдет, если мы будем регулировать глубину памяти для сохранения высокого значения частоты дискретизации? Мы начинаем замечать, что в осциллографе, не способном регулировать глубину памяти, частота дискретизации максимальна (5 Гвыб/с), а скорость обновления сигналов на экране составляет 1/3 от аналогичного значения для осциллографа с MegaZoom. Причём она становится еще ниже для более медленных скоростей развертки (например, при 4 мкс/дел скорость обновления осциллографа с MegaZoom в 20 раз выше, чем у осциллографа на основе ЦП).


Табл. 2. Сравнение скорости обновления, частоты дискретизации и глубины памяти.

 

Архитектура MegaZoom

Архитектура на основе ЦП

Скорость развертки

Частота дискретизации

Скорость обновления

Глубина памяти

Частота дискретизации

Скорость обновления

Глубина памяти

20 нс/дел

5 Гвыб/с

860 000 осц./с

Авторегулировка

5 Гвыб/с

72 000 осц./с

10 квыб

400 нс/дел

5 Гвыб/с

75 000 осц./с

Авторегулировка

2,5 Гвыб/с

64 000 осц./с

10 квыб

400 нс/дел

5 Гвыб/с

75 000 осц./с

Авторегулировка

5 Гвыб/с

20 000 осц./с

100 квыб

4 мкс/дел

5 Гвыб/с

8 000 осц./с

Авторегулировка

5 Гвыб/с

400 осц./с

1 Мвыб

 

Что же отличает один осциллограф, оптимизированный по глубине памяти, от другого, который имеет фиксированную настройку используемой памяти 10 квыб, чтобы сохранить быструю реакцию на управление? В основном это связано с архитектурой осциллографа. В некоторых осциллографах используется центральный процессор общего назначения («архитектура на основе ЦП»), и от степени его адаптации для данной задачи зависит, насколько быстро осциллограф может обрабатывать информацию и отображать ее на экране. Если ЦП не способен решать задачи управления глубиной памяти при регистрации захваченных сигналов, то он будет замедлять процесс обработки и отображения данных, тем самым снижая скорость обновления сигналов (иногда существенно). На рис. 1 представлен пример такой архитектуры.

 

Рис. 1. Структурная схема осциллографа на основе ЦП, демонстрирующая каким образом ЦП ограничивает полноценную регистрацию сигналов.

 

К счастью, существует другой путь. В осциллографах, оптимизированных по глубине памяти, используется специализированная ИС, которая позволяет отказаться от ЦП, как составной части архитектуры осциллографа. Остался ли в осциллографе центральный процессор? Конечно, но теперь он используется для периферийной обработки данных, что позволяет осциллографу сосредоточиться на том, для чего он предназначен – на отображении сигналов. На рис. 2 показан пример этой инновационной архитектуры, используемой в осциллографах DSO серии 3000 X компании Keysight. В них применяется специализированная ИС (названная MegaZoom IV), позволяющая обеспечить высокую скорость обновления при максимально возможных глубине памяти и частоте дискретизации.

 

Рис. 2. Архитектура MegaZoom со специализированной ИС, управляющей выводом на дисплей сигналов из памяти захвата

 

Память и архитектура осциллографа настолько взаимосвязаны, что существуют причины, по которым нельзя поддерживать по умолчанию значение глубины основной памяти 10 квыб. Например, одним из лучших усовершенствований в осциллографах за последние 15 лет стало добавление цифровых каналов, но не все цифровые каналы реализованы одинаково. Включение цифровых каналов в архитектуру на основе ЦП, которую мы обсуждали выше, вызовет на самом деле такое замедление работы осциллографа, что скорость обновления никогда не будет выше 135 осциллограмм в секунду, независимо от глубины памяти или скорости развертки. Это на несколько порядков медленнее, чем максимальная скорость обновления, указываемая производителем. Почему это происходит? Опять же, это связано с архитектурой осциллографа. Как видно из рис. 1, цифровые каналы осциллографа смешанных сигналов (MSO) не слишком удачно вписываются в архитектуру на основе ЦП, в которой процессору отводится основная роль в формировании изображения развертки. Можно заметить, что в осциллографах с архитектурой MegaZoom (рис. 2) цифровые каналы являются неотъемлемой частью специализированной ИС, которая выполняет формирование изображения развертки сигналов для всех каналах. Архитектура MegaZoom позволяет не замедлять работу осциллографа при подключении цифровых каналов. Другие общие функции, такие как интерполяция Sinx/x, также могут настолько замедлить работу приборов на основе ЦП, что вы увидите катастрофическое снижение скорости обновления при изменении настроек скорости развертки в зависимости от того, подключен или отключен фильтр Sinx/x в осциллографе. Архитектура MegaZoom не страдает от этой проблемы.

 

Низкая скорость отклика осциллографа на управление является еще одним недостатком систем на основе ЦП. Вы когда-нибудь переключали скорость развертки на осциллографе с большой глубиной памяти и ждали, когда она установится? Или пытались вернуть прежнюю настройку только потому, что осциллограф медленно реагирует, и вы случайно проскочили нужное значение параметра? Это происходит из-за того, что ЦП не успевает обработать данные – одна и та же причина вызывает снижение скорости обновления и приводит к падению скорости реакции осциллографа на управление.

 

До сих пор мы обсуждали режимы, в которых осциллограф работает и используется, например, для отладки. Но если вы просто хотите взглянуть на сигнал, захваченный за один цикл выборки, то большой объем памяти снова лучше, не так ли? Для отображения такого сигнала вам не требуется высокая скорость обновления, а скорость реакции осциллографа на управление должна быть лучше, чем в случае, когда идет непрерывный захват и отображение. Опять же, это, казалось бы, логичное заключение в некоторых случаях действительно верно. Но что, если вы рассматриваете сигнал, представляющий собой пакеты данных с большими временными промежутками между ними (такой как импульс РЛС или кадры/пакеты данных последовательных шин)? В осциллографах без оптимизации глубины памяти вы должны использовать все, что хранится в памяти выборок: и то, что захвачено во время паузы между пакетами, и сам пакет данных. Это не самое лучшее использование памяти, так как вам, наверное, нужны только пакеты. В некоторых осциллографах предусмотрена функция, называемая «сегментированной» памятью. Сегментированная память позволяет оцифровывать только ту часть сигнала, которая вам нужна, так что вы можете использовать память более эффективно.

 


Рис. 3. Два разнесенных во времени ВЧ импульса. Обратите внимание на низкое значение частоты дискретизации, обусловленное тем, что осциллограф обрабатывает сигнал и во время прохождения импульсов, и во время паузы.


Давайте рассмотрим пример, где сегментированная память может дать преимущество. На рис. 3 можно увидеть два пакета радиолокационных сигналов, разделенных длительной паузой. В осциллографах без оптимизации глубины памяти оцифровываются и пакеты, и сигнал между ними. Как показано на рис. 3, частота дискретизации осциллографа (с типовым значением 5 Гвыб/с) составляет всего лишь 625 Мвыб/с – и это для захвата только двух импульсов! Что же произойдет, если мы захотим захватить 100 импульсов? Частота дискретизации снизится до значения менее 10 Мвыб/с, и импульсы больше нельзя будет идентифицировать, потому что они будут расположены далеко за пределами выборки. Если мы хотим захватить эти 100 импульсов и все время паузы между ними при частоте дискретизации 5 Гвыб/с, то нам понадобится осциллограф с памятью на 2,5 Гвыб (2 500 000 000). Сегодня на рынке нет осциллографов с такой глубиной памяти. В случае сегментированной памяти можно оцифровать только ту область, которая нас интересует (сам пакет) и игнорировать время паузы между пакетами. На рис. 4 представлен первый из 100 ВЧ пакетов, захваченных с помощью сегментированной памяти. Обратите внимание на то, что частота дискретизации составила 5 Гвыб/с и каждый сегмент имеет метку времени, чтобы вы знали, какой момент времени относительно начального пуска рассматривается. На рис. 5 показан 100-й пакет и его метка времени (396,001 мс). Осциллограф позволяет перемещаться между сегментами и анализировать их (в том числе декодировать пакеты в каждом сегменте, если вы используете сегментированную память для анализа сигнала последовательной шины).

 

Рис. 4. Первый из 100 ВЧ пакетов, захваченных с помощью сегментированной памяти. Обратите внимание на то, что частота дискретизации равна 5 Гвыб/с.

Рис. 5. Последний, 100-й пакет из захваченных с помощью сегментированной памяти. Обратите внимание на частоту дискретизации (5 Гвыб/с) и метку времени (396,001 мс).

 

В конце концов, часто приходится убеждаться в том, что высокие характеристики, которые производитель указывает в техническом описании прибора, вовсе не являются его преимуществом. Хотя приведенное в техническом описании большое значение памяти захвата может выглядеть очень заманчивым, следует подумать о том, как вы будете использовать осциллограф. В некоторых случаях самая глубокая память действительно будет лучшим выбором. Но во многих случаях осциллограф, оптимизирующий глубину памяти, будет лучшим вариантом и не разочарует вас своей медлительностью или нестабильной работой.