Jak na signálovou integritu ve světě bezdrátových přenosů dat

Během přenosu digitální informace s využitím číslicových obvodů je stále náročnější dosahovat čistých a ještě rychlejších relací. Dokonce i ty nejmenší odchylky, včetně rušení, se kterými se v průběhu generování signálu a také v rámci interních obvodů potkáváme, mohou mít na vf přenos signálu neblahý vliv. Zmíněné rušení může být nakonec fatální pro celý řetězec, protože se dále sčítá s rušením na bezdrátové cestě. V následujícím textu se zaměříme na různé složky signálu v rámci číslicových obvodů, které vzduchem rovněž šíří svou informaci. Smyslem je přitom stanovit rušivé faktory jednotlivých dílčích složek, a to prostřednictvím cílené analýzy chyb. Kromě toho ještě zjišťujeme vliv, který budou mít chyby vlastního signálu na kvalitu vf přenosu. Cílem takového měření je tedy zajistit, aby kvalita datového přenosu byla ovlivněna pouze bezdrátovým rozhraním a na straně přijímače tak bylo možné opětovně sestavit kompletní signál.

Přenos digitální informace je podřízen zejména tomu, abychom na straně přijímače dokázali signál znovu zcela obnovit. Regenerace musí být přinejmenším tak dobrá, že číslicovým blokům při rozhodování umožní pracovat s prahovou hodnotou. Do hry však vstupuje negativní vliv spousty různých činitelů. S rostoucí přenosovou rychlostí budou kvalitu více ovlivňovat i konektory, kabeláž nebo použité materiály. Ojedinělé události, jako např. vysokofrekvenční rušivé špičky, zde mohou zase nesprávně ovlivnit rozhodování na základě prahové úrovně. Čím více bude datová posloupnost „znečištěna“, tím více interferencí a nechtěných kmitočtových složek se pak může během vf přenosu vyskytnout. Plánování číslicového přenosu se má tedy odehrávat s důrazem na BER, kdy se potřebujeme držet pod jeho specifikovanou hodnotou. BER je zároveň základním měřítkem kvality takového přenosu, takže při plánování chceme udržet BER velmi malé. Nevýhoda takového měření však spočívá v tom, že je nelze použít k lokalizaci potíží.

K popisu signálové integrity lze využít nový 2GHz osciloskop řady MSO8000 od společnosti Rigol. Jeho architektura staví na platformě ULTRA VISION II a také čipsetu vyvinutém samotným výrobcem. Se zmíněnou řadou přístrojů lze provádět měření a využívat přitom diagramu oka v reálném čase a také softwaru pro analýzu jitteru společně se zobrazením trendů, což představuje výraznou přidanou hodnotu, pokud jde o analýzu signálů, včetně zdrojů chyb. Se zařízením rovněž prozkoumáte vliv šířky pásma na dobu náběhu či překmity. Dopad je možné rovněž porovnat po modulaci na vf nosné. Kmitočtovou odezvu lze na jedné straně řešit s využitím FFT (1 milión bodů) nabízené modelem MSO8000.

Na straně druhé pak spektrální analyzátor řady RSA5000 pracující v reálném čase společně s modulem vektorového signálového analyzátoru poslouží při demodulaci a testování BER (Bit Error Rate).

Proud sériových dat a otázka signálové integrity

V případě první analýzy s využitím osciloskopu bude zkontrolována bezchybnost samostatných sběrnicových systémů sloužících k číslicovému přenosu. Ze všeho nejdřív musí u datového streamu dojít ke korektnímu spouštění v návaznosti na jeho takt. Pokud jde o spouštění a dekódování, MSO8000 zde nabízí celou řadu variant pro různé sběrnice (např. CAN, I²C, SPI, LIN, RS232, FlexRay, MIL-STD-1553B a další). V příkladu dle obr. 1 byla měřena paralelní sběrnice s testovacím signálem PRBS7 (hodiny na kanálu č. 3 a data na kanálu č. 1). Hodinový signál je přítomný na kanálu č. 2. Ke spouštění může docházet na náběžnou hranu datového signálu (Edge), popřípadě zde využijeme i další a citlivější metody spouštění, třeba na nejdelší stav (např. nulu či jedničku – „duration trigger“). Třetí možností pak mohou být dvě zónová spouštění ve stejném čase, bez křížení, tzn. že příslušnou zónu použijeme v oblasti, ve které se pro danou periodu očekává log. 0. Na základě spouštění pak bude možné signál i dekódovat.

K dekódování může rovněž dojít na základě zaznamenaného signálu. S využitím této funkce lze pro jediný kanál při zápisu a přehrávání uvažovat až devět rámců, pokaždé se 100 Mpts, tzn. 900 Mpts. Dekódovaná data je navíc možné zobrazit a také exportovat ve formě tabulky událostí. Zmíněný soubor dat pak lze porovnat s původními daty. Místo analogových vstupů osciloskopu je možné při testování toho, jak digitální přijímač interpretuje zmíněnou sběrnici, a na základě prahové hodnoty provádí též rozhodnutí, rovněž využít 16 číslicových vstupů přístroje MSO8000.

Klíčové složky budou u digitálního přenosu tvořit jitter a rušení, což také výraznou měrou ovlivní rozhodnutí s prahovou úrovní. Jitter se vyskytuje v případě, že u jednotlivých bitů, které mají být přeneseny, máme v porovnání s optimální hranou fázové odchylky. Lze jej tedy popsat jako určitý druh fázové modulace. Abychom pak u vysoce jakostních datových přenosů dokázali účinně potlačovat příčiny, potřebujeme znát konkrétní typ jitteru. Impulzní interference, přeslechy nebo rušení se pojí s nesymetrickým či nahodilým jitterem. Nechtěné ovlivňování dalším hodinovým signálem se pak na druhou stranu vztahuje k symetrickému nebo též deterministickému jitteru, jehož vliv zde rovněž převládá. Lze také hovořit o jitteru, který je závislý na datech nebo bude periodický.

Vzhledem k tomu, že datový signál neovlivňuje pouze jitter, ale důležitý bude i jeho taktovací signál, je u sběrnicového systému v prvé řadě zapotřebí ověřit stabilitu hodin. Taková stabilita je velmi důležitá k tomu, abychom dosáhli správné synchronizace mezi taktem a datovým přenosem, takže se nám data s hodinami nebudou „rozcházet“. Jitter zde měříme s využitím MSO8000. Vhodným nástrojem pro dlouhodobou analýzu ke stanovení a zobrazení odchylky hrany od ideálního stavu (TIE), odchylky šířky pulzu u následujícího pulzu (±šířka / ±šířka) a také odchylky v případě periody (cyklus za cyklem) v porovnání s délkou další periody bude tabulka výsledků. Hustotu pravděpodobnosti lze u jitteru vyjádřit pomocí histogramu. Histogram nám na jedné straně nabízí grafické znázornění, které díky své souměrnosti poslouží jako pomůcka při hodnocení typu jitteru. Potřebné parametry měření lze kromě toho vyčíst z tabulky výsledků. Dva nejokrajovější sloupce (bin) tvoří u histogramu minimální či maximální hodnotu. Nejvyšší hodnotou pak máme na mysli tzv. modus. Standardní odchylku, ve které se vyskytuje přibližně 68,3 % výkyvů jitteru, zde označíme jako ±1 σ (sigma). Mediánem zase popíšeme časovou hodnotu, pro kterou platí, že 50 % hodnot se bude nacházet pod takovou úrovní. Zmiňované hodnoty pomohou v případě rozložení signálu stanovit přesné časy a také kmitočet složek jitteru.

Histogram však zachycuje celkový jitter, tedy „spletitost“ složek jitteru v časové oblasti. Jednotlivé složky jitteru proto nelze z histogramu určit na 100 %, zvláště pak ne v případě, kdy zde převládají různé složky. Z tohoto důvodu nabízí měření jitteru další funkci zobrazování pro odchylku jitteru a charakteristiky společně s trendy. V kombinaci s histogramem lze proto vysledovat i příčinu stojící za vznikem jitteru.

Na obr. 2 je jitter způsoben dalším sinusovým signálem o kmitočtu 10 kHz. S trendem se pojí vliv integrace rušivého hodinového signálu. Vzhledem k tomu, že zde můžeme vidět sinusovou charakteristiku, lze z toho vyvodit rušení na jediné frekvenci. Zobrazený histogram takovou domněnku podtrhuje největšími rovnoměrnými distribucemi po obou stranách, to znamená, že největší exkurz jitteru pramení z maxima/minima interferenčního signálu. Takový signál může souviset s oscilacemi v obvodech smyčky fázového závěsu nebo rušivým zvlněním napájecího zdroje z titulu spínání. Pokud jde o vliv jitteru v této situaci, rušivé složky zde nebudou dominantní. Za účelem odhalení a vyloučení příčiny chyby lze pak potřebnou informaci vyvodit ze zapojení.

Dalším krokem pro posouzení účinku jitteru bude měření vlivu amplitudy interferencí a rušení s diagramem oka. U modelů řady MSO8000 je možné ve spojitosti s diagramem oka v reálném čase zaznamenat několik tisíc přenosových posloupností. Spouštění se vhodným způsobem spojí s hodinami a sekvence s využitím vykreslování hustoty a zobrazování ve formě oka lze nyní vrstvit tak často, jak jen to bude zapotřebí. Měřenými hodnotami diagramu oka lze kupříkladu vyjádřit činitel Q. V případě datových přenosů půjde o důležité kritérium kvality, které pomůže při posuzování datových signálů a rovněž umožní stanovit BER (viz také vzorec 1, kde μi = střední hodnota a σi = standardní odchylka amplitud stavů i = 0 a 1). S využitím diagramu oka lze přenos rovněž prověřit z hlediska jeho robustnosti. Pokud je to tedy nutné, zavádíme do přenosového média vnější interference a následně posuzujeme reakce oka.

Vzorec 1: Výpočet BER s využitím činitele Q

Díky zmíněné metodě měření je možné zkontrolovat a stanovit i některé parametry ze specifikačního listu či vyžadovaného komunikačního standardu. Na jedné straně lze testovat chování z pohledu rušení během přenosu, které může být kupříkladu způsobené přeslechy. Dalším vlivem bude útlum linky na přenosové cestě, která by měla být zvolena tak, aby oko zůstalo stále z velké části otevřené. Měřicí metoda se rovněž uplatní při zjišťování ojedinělých interferencí, tedy rušivých pulzů, které mají svůj původ ve spínaném provozu zdroje napájení. Oko však není určeno jen k tomu, aby postihlo vertikální vlivy. Vizualizovat a stanovit zde totiž můžeme i vlivy horizontální, jako je třeba jitter. Ve vyobrazení diagramu oka, např. pro kanál č. 1 (viz obr. 3), zatímco hodiny zde budeme mít třeba na kanálu č. 3, může být rovněž vidět, zda se signál nebude s hodinami „rozcházet“.

Na obr. 3 si můžeme rovněž povšimnout, že zarušený a jitterem sužovaný signál s přísným omezením šířky pásma může během vysokofrekvenčního přenosu stát za interferencemi (modulací na vf nosné je 2FSK). Zároveň tím bude ovlivněn i parametr BER pro bezdrátové rozhraní při šíření vzduchem. Vf přenos a BER jsme zde změřili s využitím režimu vektorového signálového analyzátoru a spektrum v případě režimu spektrálního analyzátoru pracujícího v reálném čase u modelu RSA5065-TG.

Další významnou součástí bude u číslicového přenosu šířka pásma. Na základě měření doby náběhu si pak můžeme učinit představu také o šířce pásma u datového signálu, jak to ostatně vyplývá i ze vzorce 2.

Vzorec 2: Výpočet šířky pásma s využitím doby náběhu u datového signálu

Při měření náběžné hrany však musíme započítat i omezení šířky pásma samotného osciloskopu. To pak znamená, že dobu náběhu změřenou s osciloskopem spočítáme na základě vzorce 3. Jinými slovy to také ukazuje, že pro signál s dobou náběhu 175 ns u měřicího zařízení obdržíme 247 ns.

Vzorec 3: K otázce minimální změřitelné doby náběhu s osciloskopem MSO8204 (2 GHz, měření na jednom kanálu)

Optimalizace v otázce náběžných hran však s sebou nese

i nevýhody. Jak jsme již zmínili výše, na jednu stranu zde bude zapotřebí větší šířky pásma, zatímco na straně druhé mohou být generovány překmity, které si také nežádáme. S využitím transformace FFT dostupné u MSO8000 lze uvažovat požadavky na šířku pásma datového signálu s odlišnou dobou náběhu, společně s velmi přesnou kmitočtovou analýzou (FFT s jedním miliónem bodů). Zmíněné měření lze zároveň využít i v časové oblasti tak, abychom dosáhli kompromisu mezi nejlepší možnou dobou náběhu a nejmenšími překmity. Na obr. 4 sledujeme datový signál, u kterého byly veškeré rušivé a další „nepravé“ složky, pokud jde o jitter, vyřazeny ze hry. Činitel Q zde máme velmi vysoký a citelně se zlepšila i spektrální čistota modulace 2-FSK na vf nosné. Měření BER již více nevykazuje jakékoli chyby a v kontextu modulační analýzy zde také dostáváme výrazně lepší měřené parametry.

Závěr

Kvalitu datového přenosu dokážou výraznou měrou ovlivnit různé „zásahy“ (jitter, rušení, provázané interference apod.). S přispěním 2GHz osciloskopu řady MSO8000 a spektrálního analyzátoru pracujícího v reálném čase řady RSA5000 dokážeme změřit kompletní signálový řetězec od signálů vestavného systému až po bezdrátové rozhraní a blok přijímače. Pro zajištění úspěšné datové relace lze s využitím výše zmíněných metod měření provádět přiměřenou obnovu a také odstraňování závad, stejně jako další úspěšné zlepšování.