Отладка встраиваемых систем часто требует поиска симптомов, трудно обнаружимых при поочерёдном представлении сигналов то во временной, то в частотной области. Возможность одновременного анализа во временной и частотной областях может дать более глубокое понимание. И особенно полезен анализ в нескольких областях для получения ответов на вопросы такого типа:
· Что происходит с напряжением питания во время передачи данных по радиоинтерфейсу?
· Откуда излучается помеха при каждом обращении к памяти?
· Сколько времени нужно системе ФАПЧ для стабилизации после подачи питания?
Анализ в нескольких областях помогает получить ответы на подобные вопросы, предлагая синхронное представление сигнала во временной области и его спектра в частотной области. До недавнего времени осциллограф смешанных сигналов Tektronix MDO4000C был единственным осциллографом, выполняющим синхронный анализ во временной и частотной областях с независимым управлением режимами отображения формы сигнала и его спектра. Для этого в состав осциллографа входил полнофункциональный анализатор спектра с отдельным входным каналом.
Для выполнения анализа радиочастотного сигнала в осциллографах смешанных сигналов MSO серии 4, 5 и 6 компания Tektronix применила новый подход, не требующий отдельного входного канала и в то же время предлагающий такие же возможности. Выпущенное недавно новое микропрограммное обеспечение открывает доступ к аналитическому инструменту, получившему название Spectrum View, который использует преимущества патентованной схемы, работающей в составе прибора. С помощью этого инструмента осциллограф может одновременно отображать форму сигнала, как показано на рисунке 1 слева, и его спектр, как показано в правой части того же рисунка, причём каждая область имеет свои собственные настройки.
Рисунок 1. Новая микропрограмма позволяет одновременно анализировать форму и спектр сигнала с независимыми настройками в каждой области.
Для проведения более сложной диагностики приборы с обновлённой микропрограммой могут выполнять анализ в нескольких областях по нескольким каналам, как показано на рисунке 2. Каждая из двух аналоговых осциллограмм с цветовой кодировкой сопровождается соответствующим спектром. Обратите внимание, что под каждой осциллограммой расположена небольшая полоска. Она показывает время появления спектра во временной области. Передвигая метку отображения спектра по сигналу, можно увидеть спектр, соответствующий любой точке осциллограммы. В данном примере два канала показывают запуск сигнала тактовой частоты в двух разных точках схемы.
Рисунок 2. При необходимости в ходе отладки можно анализировать сигналы по нескольким каналам одновременно. Здесь два канала показывают запуск сигнала тактовой частоты в двух разных точках схемы.
Сравнение БПФ с режимом Spectrum View
Анализаторы спектра созданы специально для представления сигналов в частотной области, но их доступность несколько ограничена. В отличие от анализаторов, осциллографы можно встретить почти в каждой лаборатории, поэтому инженеры, как правило, полагаются в первую очередь на осциллографы. В связи с этим осциллографы уже несколько десятилетий предлагают математическую функцию БПФ (быстрое преобразование Фурье). И большинство современных осциллографов позволяет строить зависимости амплитуды от времени и амплитуды от частоты. Так в чём же новизна?
Давайте рассмотрим подробнее. Общеизвестно, что пользоваться функцией БПФ не так уж просто по двум причинам.
Во-первых, выполняя анализ в частотной области, анализатор спектра позволяет выбрать центральную частоту, полосу обзора и полосу разрешения (RBW), что упрощает выделение интересующего вас спектра. Однако функция БПФ осциллографа в большинстве случаев поддерживает только традиционные настройки, такие как скорость развёртки, длина записи и чувствительность по вертикали, что затрудняет получение нужного представления.
Во-вторых, БПФ использует ту же систему захвата, которая применяется для построения аналоговой формы сигнала во временной области. Это значит, что растяжение временной шкалы во временной области снижает разрешение в частотной области. В результате с помощью обычной функции БПФ практически невозможно получить оптимальное представление в обеих областях. Например, на снимке экрана (рисунок 3), полученном на осциллографе TDS3000, форма сигнала во временной области видна хорошо, а разрешения БПФ недостаточно для детального изучения спектра.
Рисунок 3. Данный сигнал тактовой частоты с распределённым спектром показывает, что оптимизация представления сигнала во временной области приводит к снижению разрешения в частотной области при использовании обычного БПФ.
На рисунке 4 спектр частотной модуляции лучше выглядит при более медленной развёртке, но форма сигнала во временной области при этом практически неразличима.
Рисунок 4. Здесь хорошо показаны недостатки БПФ – спектр виден чётко, а форма сигнала во временной области практически неразличима.
В отличие от этого, Spectrum View позволяет настраивать отображение в частотной области с помощью знакомых параметров – центральной частоты, полосы обзора и полосы разрешения. И поскольку эти настройки не зависят от масштаба во временной области, можно независимо оптимизировать оба представления, как показано на рисунке 5.
Рисунок 5. Сравните один и тот же сигнал тактовой частоты с распределённым спектром на рисунках 4 и 5. Spectrum View позволяет оптимизировать представления в частотной и временной областях на одном экране.
Экранные индикаторы (время спектра) показывают точку на осциллограмме, соответствующую отображаемому спектру. Возможность синхронизации двух областей полезна, например, для сопоставления активности сигнала с излучаемыми помехами.
Недостатки традиционного БПФ
Недостатки традиционного БПФ выходят далеко за рамки простого неудобства. Чтобы продемонстрировать недостатки, которые должны учитывать инженеры, давайте предположим, что у нас есть тональный сигнал частотой 900 МГц, и мы хотим увидеть его фазовый шум в полосе 50 кГц с двух сторон от самого сигнала с разрешением 100 Гц. В идеале спектральное представление должно иметь следующие настройки:
· Центральная частота: 900 МГц;
· Полоса обзора: 100 кГц;
· Полоса разрешения: 100 Гц.
Для настройки традиционной осциллографической функции БПФ используются такие параметры, как горизонтальный масштаб, частота дискретизации и длина записи, и считается, что этих настроек достаточно для получения нужного представления спектра.
Горизонтальный масштаб определяет общее время захвата. В частотной области он определяет разрешение. Чем больше время захвата, тем лучше разрешение в частотной области.
Чтобы получить разрешение 100 Гц, нам нужно захватить интервал не менее (1/100 Гц) = 10 мс. Однако в действительности приходится захватывать почти в два раза больше. Теоретически, БПФ должно применяться к сигналам бесконечной длительности. Поскольку это невозможно, моменты начала и конца захвата вносят разрывы (и, следовательно, ошибки) в результирующий спектр. Для минимизации этих разрывов захватываемый интервал должен укладываться в «окно» БПФ. Большинство окон БПФ имеет колоколообразную или Гауссовскую форму, края которой имеют очень малый уровень, а центр – большой уровень. Это значит, что спектр в первую очередь должен представляться центральным участком захваченных данных. Каждый тип окна имеет связанную с ним константу. Например, окно Блэкмана-Харриса с коэффициентом 1,9 потребует увеличения времени захвата до 19 мс (10 мс * 1,9 = 19 мс).
Частота дискретизации определяет максимальную частоту спектра, причём Fмакс = ЧД/2. Для сигнала частотой 900 МГц потребуется частота дискретизации не менее 1,8 Гвыб./с. Используя в качестве примера аналоговую дискретизацию осциллографа серии 4, нам придётся выбрать частоту дискретизации 3,125 Гвыб./с (поскольку это первое значение, превышающее значение 1,8 Гвыб./с).
Теперь давайте определим длину записи. Она равна произведению времени захвата на частоту дискретизации. В данном случае получаем 19 мс * 3,125 Гвыб./с = 59,375 млн точек.
Во многих приборах такая длина записи вообще не поддерживается. Но даже если осциллограф поддерживает такую длину записи, может оказаться, что он ограничивает максимальную длину БПФ из-за недостатка вычислительной мощности. Например, многие осциллографы прежнего поколения имеют максимальную длину БПФ примерно 2 млн точек. Если мы по-прежнему хотим увидеть сигнал 900 МГц (требующий большой частоты дискретизации), нам придётся захватить примерно 1/30 от нужного времени, что в 30 раз ухудшит разрешение в частотной области.
Как показывает этот пример, настройка нужного представления требует точной оценки сложного взаимодействия между горизонтальным масштабом, частотой дискретизации и длиной записи. Более того, ограничение длины записи вынуждает идти на нежелательные компромиссы, и наблюдение высокочастотных сигналов с хорошим разрешением в частотной области требует очень большой длины записи, которая зачастую недоступна или обходится слишком дорого и требует много времени на обработку. И хотя некоторые программы для анализа спектра пытаются обойти эти компромиссы, все осциллографы с функцией БПФ до недавнего времени сталкивались с описанными выше ограничениями.
Новая архитектура
Основной целью создания Spectrum View было предоставить пользователям способ выполнения спектрального анализа без присущих БПФ ограничений. Чтобы понять принцип его работы, важно отметить, что цифровые осциллографы используют в своих аналого-цифровых преобразователях (АЦП) максимальную частоту дискретизации. Затем поток выборок с АЦП направляется в прореживатель, который сохраняет каждую N-ную выборку. На максимальных скоростях развёртки сохраняются все выборки. При малых скоростях развёртки предполагается, что пользователь рассматривает медленно меняющиеся сигналы, и поэтому сохраняется лишь часть выборок АЦП. Короче говоря, назначение прореживателя в том, чтобы максимально сократить длину записи при сохранении достаточной частоты дискретизации для отображения сигналов во временной области.
В осциллографах MSO серии 4, 5 и 6 каждый вход FlexChannel оснащен 12-разрядным АЦП, который входит в состав специализированной ИС TEK049. Как показано на рисунке 6, каждый АЦП передаёт оцифрованные данные по двум маршрутам. Один маршрут ведёт к аппаратным прореживателям, которые определяют скорость сохранения выборок во временной области. Второй маршрут ведёт к цифровым понижающим преобразователям частоты (DDC), которые тоже реализованы аппаратно. Такой подход позволяет независимо управлять захватами в частотной и временной областях и одновременно оптимизировать представления формы и спектра исследуемого сигнала. Кроме того, существенно повышается эффективность использования большой, но всё же ограниченной длины записи в таких приборах.
Рисунок 6. Цифровые понижающие преобразователи частоты, реализованные в специализированной ИС TEK049, позволяют одновременно отображать форму и спектр сигнала с независимыми настройками в осциллографах Tektronix MSO серии 4, 5 и 6.
- Скоростной 12-разрядный АЦП
- Прореживание во временной области
- Предварительная обработка сигнала
- АЦП
- Прореживатель
- Специализированная ИС TEK049
- Цифровой понижающий преобразователь частоты (DDC)
- Понижение частоты в частотной области
- Память захвата
Чтобы проиллюстрировать процесс, давайте рассмотрим описанный выше сценарий с сигналом частотой 900 МГц, но добавим в процесс захвата аппаратный цифровой понижающий преобразователь частоты.
Разрешение в частотной области по-прежнему определяется общим временем захвата. Кроме того, нам по-прежнему нужно применить окно БПФ и захватить данные в интервале 19 мс. В TEK049 аналого-цифровой преобразователь отправляет оцифрованные данные временной области в прореживатель для построения формы сигнала во временной области, но, помимо этого, он отправляет эти данные и в DDC.
Как можно предположить, DDC сильно влияет на требуемую частоту дискретизации. DDC сдвигает центральную частоту с 900 МГц до 0 Гц. Теперь полоса обзора 100 кГц простирается от -50 кГц до 50 кГц. При этом для адекватной дискретизации сигнала 50 кГц нам понадобится частота дискретизации всего 125 квыб./с. Обратите внимание, что при введении в тракт захвата DDC требуемая частота дискретизации начинает зависеть от полосы обзора, а не от центральной частоты.
Длина записи описывается тем же выражением, что и раньше. Теперь длина записи равна 19 мс * 125 квыб./с = 2375 точкам. Данные сохраняются в виде синфазных и квадратурных выборок (I&Q), причём соблюдается точная синхронизация между данными временной области и данными I&Q. Вспомните, что в случае с обычным БПФ требуемая длина записи равнялась 59375 млн точкам. С применением понижающего преобразователя частоты длина записи сократилась до 2375 точек.
Теперь мы применяем БПФ к 2375 точкам записи I&Q и получаем требуемый спектр. Такое колоссальное сокращение числа точек даёт несколько важных преимуществ:
· Сильно возрастает скорость обновления экрана;
· Появляется возможность обработки более длинных интервалов, что даёт существенно лучшее разрешение по частоте в спектральном анализе;
· Нужное представление в частотной области можно получить, не меняя представления сигнала во временной области.
Повышение эффективности системного анализа
Эффективный анализ и отладка встраиваемых систем начинаются и заканчиваются пониманием сути происходящих процессов. Как можно выявить причину неработоспособности системы без точного, синхронного представления сигналов в частотной и временной областях? Ответ прост – никак. Инженеры поняли это уже давно, но были ограничены возможностями функции БПФ традиционных осциллографов.
Новая архитектура осциллографов, ставшая возможной благодаря новому микропрограммному обеспечению, открыла путь ко многим существенным усовершенствованиям. Эта архитектура позволила:
· Применять знакомые настройки спектрального анализа (центральная частота, полоса обзора и полоса разрешения);
· Независимо оптимизировать представление сигнала во временной и частотной областях;
· Отображать сигнал во временной и частотной областях, не разделяя тракты прохождения сигнала;
· Точно сопоставлять события во временной области с измерениями в частотной области (и наоборот);
· Существенно улучшить достижимое разрешение по частоте в частотной области;
· Улучшить скорость обновления спектра.
