Отладка на системном уровне устройств со встроенными беспроводными модулями связи

Приборы серии MDO4000 построены на базе популярных осциллографов смешанных сигналов серии MSO4000B. Теперь, чтобы исследовать сигнал в частотной области, инженеры могут использовать привычный для них инструмент — осциллограф, вместо того чтобы искать и заново осваивать анализатор спектра.

Вместе с тем функциональные возможности осциллографов серии MDO не ограничены просто отслеживанием сигналов в частотной области, что позволяют делать и обычные анализаторы спектра. Подлинное преимущество новых приборов заключается в их способности соотносить явления в частотной области с вызывающими их событиями во временной области.

Осциллограф MDO4000 может быть настроен на отображение сигналов во временной или частотной области либо в обеих областях одновременно. Если в осциллографе задействованы радиочастотный и любой из аналоговых или цифровых каналов, дисплей прибора автоматически делится на две части. Верхняя часть служит для традиционного представления сигналов во временной области. В нижней части экрана отображается сигнал с РЧ-входа в частотной области. Отметим, что представление сигнала в частотной области является не обычным быстрым преобразованием Фурье (БПФ) сигналов с аналоговых или цифровых каналов прибора, а полноценным спектром сигнала, полученного с РЧ-входа.

Спектр, отображаемый в частотной области, соответствует периоду времени, обозначенному короткой оранжевой полосой, которая расположена во временной области и называется «временем отображения спектра» (Spectrum Time, ST). В осциллографах серии MDO4000 имеется возможность перемещения индикатора ST по захваченному сигналу, в результате чего можно исследовать изменение спектра РЧ-сигнала во времени. Использование ST допускается как на «живом», так и на сохраненном сигнале.

На рис. 1 показано представление во временной и частотной областях сигнала включения ГУН/ФАПЧ. На канал 1 (желтая осциллограмма) подан сигнал, запускающий ГУН. Осциллограмма канала 2 (голубая) отображает сигнал напряжения ФАПЧ. Сигнал шины SPI, по которой производится программирование системы ГУН/ФАПЧ на нужную частоту, поступает на три цифровых канала и автоматически декодируется. Обратите внимание, что индикатор ST расположен после момента запуска ГУН и совпадает по времени с командами шины SPI, задающими нужную частоту ГУН/ФАПЧ.

Рис. 1. Представление во временной и частотной областях сигнала включения ГУН/ФАПЧ

На рис. 2 видно, что индикатор Spectrum Time перемещен примерно на 60 мкс вправо. В этой точке спектр сигнала показывает, что система ГУН/ФАПЧ находится в процессе настройки на заданную частоту (2,4 ГГц). В данный момент частота равна 2,3168 ГГц.

Рис. 2. Индикатор Spectrum Time перемещен примерно на 60 мкс вправо

На рис. 3 видно, что индикатор ST перемещен еще на 120 мкс вправо. В этой точке спектр сигнала показывает, что система ГУН/ФАПЧ фактически «проскочила» заданное значение частоты до величины 2,4164 ГГц.

Рис. 3. Индикатор ST перемещен еще на 120 мкс вправо

На рис. 4 видно, что в конечном итоге примерно через 340 мкс после запуска ГУН система ГУН/ФАПЧ настраивается на требуемое значение частоты 2,4 ГГц.

Рис. 4. Настройка на требуемое значение частоты 2,4 ГГц

На рис. 1–4 показано выполнение простой повседневной прикладной задачи — настройка и регулировка системы ГУН/ФАПЧ (генератор, управляемый напряжением/система с фазовой автоматической подстройкой частоты). Эта задача иллюстрирует возможности осциллографов серии MDO4000 по отображению взаимосвязанных событий во временной и частотной областях. Благодаря широкой полосе захвата и возможности перемещения индикатора ST по сигналу, комбинированный осциллограф за один захват способен собрать столько же данных, сколько их содержится примерно в 1500 настроек и сигналов, захватываемых обычным анализатором спектра. С помощью новых приборов впервые обеспечивается чрезвычайно простое сопоставление событий в частотной и временной областях, наблюдение их взаимодействия или измерение временных задержек между ними, что позволяет быстро разобраться в нюансах функционирования разрабатываемого устройства.

Способность осциллографов серии MDO4000 отображать коррелированные события в частотной и временной областях, аналоговые и цифровые сигналы, а также сигналы параллельных и последовательных шин в сочетании с чрезвычайно широкой полосой захвата (более 1 ГГц) позволяет получить четкое представление о поведении тестируемого устройства. Вот лишь несколько примеров.

На рис. 5 представлен дисплей в режиме отображения спектра, на котором показана серия несущих, сгруппированных вокруг частоты 2,4 ГГц. Автоматические маркеры используются для отслеживания каждой из несущих. В обычных анализаторах спектра включение и размещение большого количества маркеров для обозначения всех представляющих интерес пиков может стать трудоемкой и утомительной задачей. Осциллографы серии MDO4000 делают этот процесс намного более эффективным благодаря возможности автоматической расстановки на пики маркеров, которые сопровождаются значениями частоты и амплитуды для каждого пика. Критерии, используемые для определения, что является пиком, пользователь может настраивать сам.

Рис. 5. Автоматические маркеры отслеживают каждую из несущих

Маркер, обозначающий самый высокий пик, называется опорным и выделяется красным цветом. Отображаемые возле маркера значения параметров пика могут выводиться в виде абсолютных (режим Absolute) или относительных (режим Delta) значений. При выборе режима Delta показания маркера отображают значения частоты и амплитуды пика относительно параметров опорного маркера.

На рис. 6 представлен дисплей в режиме отображения спектра, в верхней части которого дополнительно показана спектрограмма. Осциллографы серии MDO4000 позволяют отображать спектры в виде спектрограммы, которая является идеальным средством для отслеживания медленно изменяющихся событий в РЧ-сигналах. По оси X откладываются значения частоты, как на обычном графике представления спектра, по оси Y — время, а цветом обозначается амплитуда.

Рис. 6. Дисплей прибора в режиме отображения спектра и спектрограммы

Слои спектрограммы формируются следующим образом. Берется один захваченный спектр и «ставится на ребро», образуя ряд высотой в один пиксель. Каждому пикселю ряда присваивается значение цвета, которое зависит от величины амплитуды каждой частотной составляющей спектра. Холодные цвета (синий, зеленый) соответствуют малым значениям амплитуды, а теплые (желтый, красный) — более высоким. Каждый следующий захват добавляет новый слой в нижней части спектрограммы, при этом предшествующие слои сдвигаются на один ряд вверх. Когда сбор данных прекращается, пользователь может прокрутить обратно всю спектрограмму и посмотреть любой отдельный спектр.

Визуализация изменений в РЧ-сигнале

Окно временной области дисплея осциллографа серии MDO4000 обеспечивает отображение трех типов осциллограмм, которые получаются из основных I и Q параметров сигнала, подаваемого на РЧ-вход:

• амплитуда — график зависимости мгновенных значений амплитуды подаваемого на РЧ-вход сигнала от времени;
• частота — график зависимости от времени мгновенных значений частоты РЧ-сигнала относительно центральной частоты;
• фаза — график зависимости от времени мгновенных значений фазы РЧ-сигнала относительно центральной частоты.

Каждая из трех осциллограмм может быть включена или выключена независимо от других, кроме того, все три осциллограммы могут отображаться на дисплее одновременно. Представление осциллограмм РЧ-сигнала во временной области помогает лучше понять поведение изменяющегося во времени радиочастотного сигнала.

На рис. 7 оранжевая осциллограмма, отображаемая во временной области, представляет собой график зависимости частоты от времени для сигнала, подаваемого на РЧ-вход. С помощью графика зависимости частоты от времени можно легко отслеживать различные скачки частоты, что упрощает описание поведения устройства при переключении между частотами.

Рис. 7. Осциллограмма, отображаемая во временной области

На рис. 8 видно, что индикатор ST расположен в области перехода с низкой частоты на более высокую, таким образом, энергия распределена между несколькими частотами.

Рис. 8. Индикатор ST расположен в области перехода с низкой частоты на более высокую

На рис. 9 показан фрагмент работы устройства с амплитудной манипуляцией (АМн). Канал 1 подключен к входу АМн, в то время как РЧ-канал используется для контроля состояния сигнала на выходе устройства. Индикатор ST служит для отслеживания уровня выходного радиочастотного сигнала в любой точке захваченной осциллограммы, при этом в окне временной области можно наблюдать уровень выходного сигнала по всей продолжительности окна захвата.

Рис. 9. Фрагмент работы устройства с амплитудной манипуляцией

Сверхширокая полоса захвата

Современные средства беспроводной связи меняются очень быстро. В них используются сложные схемы цифровой модуляции, а зачастую и технологии, которые включают в себя пакетную передачу данных. Эти виды модуляции имеют очень широкий диапазон частот. Традиционные сканирующие или дискретные анализаторы спектра могут видеть лишь узкую часть спектра в каждый момент времени. Ширина спектра, захватываемого за один цикл сбора данных, называется полосой захвата. Традиционные анализаторы спектра сканируют полосу захвата в пределах установленного диапазона для построения нужного изображения. В результате, пока анализатор захватывает и обрабатывает один участок спектра, представляющее интерес событие может произойти в другой части спектра. Бóльшая часть анализаторов спектра, доступных сегодня на рынке, имеют полосу захвата 10 МГц, иногда с помощью дорогостоящих опций она может быть расширена до 20 или 40 МГц, а в некоторых случаях — даже до 140 МГц.

Чтобы соответствовать требованиям современных РЧ-приложений по ширине полосы частот, осциллографы серии MDO4000 обеспечивают полосу захвата более 1 ГГц. При установке значения полосы обзора 1 ГГц и менее не требуется сканирование всего диапазона. Спектр генерируется из данных, полученных за один захват, таким образом, обеспечивается гарантия того, что вы увидите все события, которые искали в частотной области.

На рис. 10 показан полученный за один захват спектр сигнала двухдиапазонного коммуникационного устройства. На спектре отображен момент переключения с частоты 900 МГц на частоту 2,56 ГГц.

Рис. 10. Сигнала двухдиапазонного коммуникационного устройства, полученный за один захват

Выводы

Благодаря наличию четырех аналоговых, шестнадцати цифровых и одного радиочастотного канала, комбинированные осциллографы серии MDO4000 способны захватывать коррелированные по времени аналоговые, цифровые и РЧ-сигналы. В результате функциональные возможности этих приборов намного превосходят возможности обычных анализаторов спектра. Верхняя граница частотного диапазона для РЧ-входа достигает 6 ГГц, а ширина полосы захвата для всех значений центральной частоты превышает 1 ГГц, что в 100 раз больше, чем у обычных анализаторов спектра. Пользователи могут одновременно наблюдать до четырех декодированных сигналов последовательных и/или параллельных шин на одном дисплее. Благодаря корреляции по времени между временнóй и частотной областями инженеры теперь могут производить точные измерения временны́х интервалов, что позволяет определять время задержки и ожидания между событиями прохождения команд и сигналов управления в разрабатываемом устройстве, а также между изменениями в РЧ-спектре.