Использование кросс-доменного и многоканального анализа сигналов для тестирования встраиваемых РЧ-систем

Тестирование радиочастотных (РЧ) систем является критически важным компонентом в разработке и валидации встраиваемых систем, особенно в таких отраслях, как телекоммуникации, аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение и интернет вещей (IoT). По мере роста сложности встраиваемых систем традиционные методы РЧ-тестирования часто оказываются недостаточными для фиксации сложного взаимодействия сигналов в нескольких доменах — временном, частотном и цифровом.

Мультидоменный анализ сигналов стал мощным подходом для решения этих проблем, предлагая инженерам комплексное представление о РЧ-характеристиках. В этом блоге рассматриваются принципы, преимущества и практические применения мультидоменного анализа сигналов при тестировании встраиваемых РЧ-систем, предоставляя ценную информацию для инженеров и разработчиков, стремящихся оптимизировать свои рабочие процессы тестирования.

Что такое мультидоменный анализ сигналов?

Мультидоменный анализ сигналов включает в себя одновременное исследование электронных сигналов во встраиваемых системах, которые относятся к нескольким различным доменам, для получения целостного понимания поведения системы. Основные домены включают:

·         Временной домен: Анализирует амплитуду и фазу сигнала, представленные во времени, выявляя переходные процессы, джиттер и проблемы с синхронизацией.

·         Частотный домен: Исследует сигналы, представленные как амплитуда/мощность в функции частоты, идентифицируя спектральное содержимое, гармоники и паразитные излучения.

·         Цифровой домен: Анализирует сигналы, дискретные как по времени, так и по амплитуде, которые относятся к логическим схемам, часто закодированным в определенные протоколы связи.

Интегрируя эти перспективы, мультидоменный анализ предоставляет более полную картину РЧ-характеристик, чем однодоменные подходы, позволяя инженерам диагностировать проблемы, которые могут быть пропущены при изолированном анализе доменов.

Почему мультидоменный анализ необходим для тестирования встраиваемых РЧ-систем

Встраиваемые РЧ-системы, такие как устройства 5G, радарные системы или модули IoT, работают в средах со сложными взаимодействиями сигналов. Эти системы часто интегрируют множество РЧ-компонентов — приемопередатчики, усилители, антенны — в рамках ограниченных физических и энергетических бюджетов. Мультидоменный анализ необходим по нескольким причинам:

·         Комплексная характеристика сигнала: Встраиваемые РЧ-системы часто демонстрируют поведение, охватывающее несколько доменов. Например, паразитное излучение в частотном домене может происходить из проблемы синхронизации во временном домене. Мультидоменный анализ коррелирует эти явления, обеспечивая более быстрое выявление первопричины.

·         Соответствие стандартам: Современные РЧ-системы должны соответствовать строгим стандартам (например, 3GPP для 5G, IEEE 802.11 для Wi-Fi). Мультидоменный анализ гарантирует, что сигналы соответствуют спецификациям во временном, частотном и модуляционном доменах, снижая риск несоответствия.

·         Отладка сложных проблем: Такие проблемы, как фазовый шум, интермодуляционные искажения или ошибки модуляции, часто проявляются по-разному в разных доменах. Мультидоменные инструменты позволяют инженерам проследить эти проблемы до их источника, упрощая отладку.

·         Эффективность тестирования: Предоставляя единое представление о поведении сигнала, мультидоменный анализ снижает необходимость в множественных тестовых установках, экономя время и ресурсы при разработке и валидации.

Ключевые инструменты и методы для мультидоменного анализа сигналов

Для реализации мультидоменного анализа сигналов при тестировании встраиваемых РЧ-систем инженеры полагаются на передовые инструменты и методы. Некоторые из наиболее часто используемых включают:

Векторные анализаторы сигналов (VSA) — универсальные приборы, которые захватывают и анализируют РЧ-сигналы во временном, частотном и модуляционном доменах. Они могут демодулировать сложные сигналы (например, QAM, OFDM) и предоставлять детальные метрики, такие как величина вектора ошибки (EVM), фазовый шум и спектральная чистота. Современные VSA часто включают программные пакеты, которые обеспечивают мультидоменную визуализацию, делая их незаменимыми для тестирования встраиваемых РЧ-систем.

Анализаторы спектра реального времени (RTSA), которые превосходно захватывают переходные и прерывистые сигналы в частотном домене с высоким динамическим диапазоном, что критично для отладки таких проблем, как паразитные излучения или помехи. В сочетании с возможностями визуализации во временном домене и анализа демодуляции RTSA предлагают мощную платформу для кросс-доменного тестирования. Все RTSA от Tektronix работают с SignalVu — пакетом для комплексного анализа сигналов, предлагающим множество коррелированных представлений: спектр, спектрограмму, обзор времени, амплитуду, фазу и т.д.

Осциллографы с высокой полосой пропускания, оснащенные программным обеспечением для РЧ-анализа, могут выполнять измерения во временном домене, одновременно предоставляя информацию о частоте и модуляции. Они особенно полезны для анализа сигналов базовой полосы и промежуточной частоты (ПЧ) во встраиваемых системах. SignalVu на осциллографах Tektronix переносит все расширенные возможности анализа РЧ-сигналов VSA и анализаторов спектра на осциллограф без необходимости в отдельных приборах. SignalVu работает непосредственно на осциллографе или через подключенный ПК и использует данные временного домена, полученные осциллографом, для РЧ-анализа в реальном времени или после захвата, коррелируя события в РЧ-домене (такие как пропадание сигнала или паразитные составляющие) с событиями во временном домене (такими как сбои питания или активность процессора).

Платформы программно-определяемого радио (SDR), которые обеспечивают гибкий, программируемый подход к РЧ-тестированию. Комбинируя SDR с программным обеспечением для мультидоменного анализа, инженеры могут захватывать и обрабатывать сигналы в реальном времени, обеспечивая быстрое прототипирование и тестирование встраиваемых РЧ-систем.

Программные инструменты обработки сигналов, такие как MATLAB, Python (с библиотеками NumPy и SciPy) или специализированные платформы РЧ-анализа, которые позволяют инженерам постобрабатывать захваченные сигналы. Эти инструменты поддерживают передовые методы, такие как быстрое преобразование Фурье (БПФ) для частотного анализа, время-частотный анализ (например, спектрограммы) и оценки качества модуляции.

Практические применения при тестировании встраиваемых РЧ-систем

Мультидоменный анализ сигналов применяется на различных этапах разработки встраиваемых РЧ-систем, от проектирования до производства. Вот несколько практических примеров:

Валидация устройств 5G и IoT

Устройства 5G и IoT используют сложные схемы модуляции (например, 256-QAM) и работают в перегруженных спектральных средах. Мультидоменный анализ гарантирует, что эти устройства поддерживают целостность сигнала при различных условиях. Например, инженеры могут использовать VSA для измерения EVM в модуляционном домене, одновременно проверяя спектральное расширение в частотном домене.

Радарные и автомобильные системы

В автомобильных радарных системах точная синхронизация и частотная стабильность критически важны для точного обнаружения объектов. Мультидоменный анализ помогает инженерам проверить характеристики импульсов во временном домене, оценить линейность ЛЧМ-сигнала в частотном домене и обеспечить точность модуляции.

Модули беспроводной связи

Встраиваемые модули Wi-Fi или Bluetooth должны соответствовать стандартам, работая в шумных средах. Мультидоменный анализ может выявить такие проблемы, как помехи в совмещенном канале (частотный домен), ошибки синхронизации пакетов (временной домен) или искажения модуляции, обеспечивая надежную работу.

Спутниковые и аэрокосмические системы

Системы спутниковой связи требуют высокой надежности и низкого фазового шума. Мультидоменный анализ позволяет инженерам валидировать качество сигнала во всех доменах, обеспечивая соответствие строгим аэрокосмическим стандартам.

Лучшие практики реализации кросс-доменного анализа сигналов

Для максимизации преимуществ мультидоменного анализа сигналов при тестировании встраиваемых РЧ-систем рассмотрите следующие лучшие практики:

·         Определите четкие цели тестирования: Определите ключевые метрики производительности (например, EVM, динамический диапазон без паразитных составляющих) и домены, относящиеся к вашей системе, перед тестированием.

·         Выберите подходящие инструменты: Выберите приборы и программное обеспечение, которые поддерживают кросс-доменный анализ и совместимы с частотным диапазоном и схемами модуляции вашей системы. Как упоминалось ранее, серии Tektronix 4, 5 и 6 являются отличным решением для валидации встраиваемых РЧ-систем без необходимости в отдельных анализаторах спектра. Они позволяют проводить скоррелированную по времени отладку и анализ модуляции непосредственно с осциллографов.

·         Коррелируйте измерения между доменами: Используйте инструменты визуализации для наложения данных времени, частоты и модуляции, что упрощает выявление взаимосвязей между аномалиями. Spectrum View на осциллографах серий 5 и 6 MSO от Tektronix — это встроенный, аппаратно интегрированный инструмент анализа спектра в реальном времени, который может дополнить SignalVu, предлагая одновременные представления во временном и частотном доменах и независимый контроль над центральной частотой, диапазоном и полосой разрешения благодаря выделенному цифровому понижающему преобразователю в каждом канале.

·         Автоматизируйте рабочие процессы тестирования: Используйте сценарии (например, Python, команды SCPI) для автоматизации мультидоменных измерений, улучшая повторяемость и эффективность. SignalVu-PC включает интерфейс автоматизации (COM API) и экосистему структурированных API, которые абстрагируют низкоуровневые команды SCPI, делая автоматизацию быстрее, менее подверженной ошибкам и более читаемой.

Проблемы и будущие тенденции

Кросс-доменный анализ на нескольких каналах может привести к очень дорогому и сложному в настройке сценарию с различными частями дорогостоящего оборудования, которое должно быть синхронизировано квалифицированными операторами. Кроме того, обработка наборов данных из мультидоменных измерений требует сбора данных на внешнем клиенте со значительными вычислительными ресурсами.

Однако осциллограф, несмотря на то, что не предлагает такой же динамический диапазон, как RTSA, и возможно меньше опций анализа, чем специализированный РЧ VSA, все же представляет собой отличный компромисс. В одном хорошо известном приборе, обычно используемом инженерами, вы можете получить высокоуровневую альтернативу отладки "в одной коробке". Векторный анализ может происходить в самом устройстве без необходимости экспорта данных наружу или синхронизации нескольких блоков.

Тенденции, формирующие будущее мультидоменного анализа сигналов

·         ИИ и машинное обучение: Инструменты на основе ИИ интегрируются в РЧ-тестовое оборудование для автоматизации обнаружения аномалий и прогнозирования поведения системы в разных доменах.

·         Облачное тестирование: Облачные платформы обеспечивают удаленный мультидоменный анализ, позволяя командам сотрудничать и обрабатывать данные более эффективно.

·         Более высокие частоты: По мере распространения систем миллиметрового и терагерцового диапазонов инструменты мультидоменного анализа развиваются для поддержки этих диапазонов.

·         Интеграция с цифровыми двойниками: Мультидоменный анализ все чаще сочетается с симуляциями цифровых двойников для виртуальной валидации РЧ-систем перед физическим тестированием.

Заключение

Мультидоменный анализ сигналов трансформирует тестирование встраиваемых РЧ-систем, предоставляя комплексный, эффективный и точный подход к характеризации сложных систем. Используя такие инструменты, как RTSA и осциллографы с передовым программным обеспечением, инженеры могут диагностировать проблемы, обеспечивать соответствие требованиям и оптимизировать производительность во временном, частотном и модуляционном доменах.

По мере развития РЧ-систем принятие мультидоменного анализа будет критически важным для поддержания лидерства в быстро развивающемся мире встраиваемых технологий. Независимо от того, разрабатываете ли вы устройства 5G, автомобильные радары или модули IoT, мультидоменный анализ сигналов меняет правила игры для достижения надежных высокопроизводительных РЧ-проектов.