Mt einem Echtzeit-Spektrumanalysator lassen sich viele komplexe HF-Messungen durchführen.

Bild: Rigol

Echtzeit-Spektrumanalysatoren Interaktives Debugging in Multi-Domain-Umgebungen

15.02.2021

Die anhaltende Verbreitung von Neuentwicklungen im Bereich des IoT und die komplexen Anforderungen, die eine HF-Integration mit sich bringt: Beides führt dazu, dass Entwickler Testgeräte benötigen, die über verschiedene messtechnische Disziplinen verfügen. Zwei neue Echtzeit-Spektrumanalysatoren erfüllen die Kriterien.

Eine einzelne IoT-Entwicklung kombiniert die HF-Übertragung, digitale und analoge Designelemente miteinander. Daraus resultiert, dass der Entwicklungsingenieur eine vielseitige Entwicklung vermessen muss, die beides beinhaltet, die Analyse des HF-Designs und die gleichzeitige Untersuchung von weiteren Untersystemen, die durch die Wechselwirkung beeinflusst werden können. Designprobleme können in eingebetteten oder HF-Signalen sowie durch ungewollte Abstrahlung entstehen, während die Ursache in eines dieser Signale oder in dem dedizierten mechanischen Design (zum Beispiel Gehäuse) liegen kann.

Um solche komplexe Messanforderung mit Flexibilität adressieren zu können, offeriert etwa Rigol zwei neue Echtzeit-Spektrumanalysatoren sowie ein 2-GHz-Oszilloskop mit einem eigens entwickelten Chipsatz. Beide Geräte bieten optimale und vielseitig integrierte Testmöglichkeiten an, um eine IoT-Entwicklung in Ihrer kompletten Anwendung und Komplexität gerade in der Untersuchung (Debuggen), im Vergleich von zusammenhängenden Ereignissen (Korrelation) und der generellen Analyse durchzuführen.

Im Gegensatz zu anderen Echtzeit-Spektrumanalysatoren bietet die RSA-Serie neben der Vektor-Netzwerkanalyse, Vektor-Signalanalyse und einem EMV-Vorabkonformitätsmessgerät eine Kombination zwischen traditionellen Sweep-basierenden und einem Echtzeit-Spektrum-Analyzer mit unterschiedlichen integrierten Triggermethoden und einem Zwischenfrequenz-Ausgang (ZF-Ausgang) an, um zusammen mit einem Oszilloskop eine erweiterte Multi-Domain-Analyse durchzuführen.

Analyse und Debuggen

Eine Identifizierung von Ereignissen beginnt mit dem Erfassen und der Verifikation eines Signals im Zeit- oder Frequenzbereich. Einer der Vorteile der RSA5000N-/RSA3000N-Serie ist es, Signale sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich gleichzeitig oder getrennt darzustellen. Sobald abweichende Symptome in der Frequenzanalyse des HF-Signals auftreten, können diese im Echtzeit-Modus erfasst und überwacht werden. Sporadisch auftretende transiente Signale kann man mit dem Frequenzmaskentrigger erfassen und genauer analysieren.

Diese Analyse kann mit der Messung Leistung versus Zeit (PvT) oder mit der Analyse des ZF-Signals mit dem Oszilloskop der Serie MSO8000 erweitert werden. Das Oszilloskop bietet durch seine maximale Speichertiefe von bis zu 500 Mpts und die Aufzeichnungsfunktion die Möglichkeit an, sehr lange Signallaufzeiten aufzunehmen und zu analysieren. In der Untersuchung wird allerdings zuerst auf die HF-Messung mit dem Echtzeit-Spektrum-Analyzer eingegangen.

Eine der wichtigsten Messungen ist die Dichte Analyse (Density Display). Mit dieser Messung ist es möglich, schwer zu erfassende Signale zu messen und farblich unterschiedlich je nach der Eintrittswahrscheinlichkeit beziehungsweise der Wiederholrate eines Signals innerhalb eines Erfassungszeitraums darzustellen. Wie in der Abbildung zur Dichtigkeitsmessung zu sehen ist, sind auch überlagernde Signale deutlich zu erkennen. Blaue Signalkomponenten treten sehr selten in Erscheinung, während grüne und gelbe Signalkomponenten häufiger auftreten.

Mit den unterschiedlichen Echtzeit-Messungen kann jeder HF-Fehler erfasst und zusätzlich analysiert werden, wie sich der Fehler über die Zeit verändert. Zum einen lässt sich zu der Dichteanalyse auch ein Spektrogramm mit einer Historie von bis zu 8.192 Zeilen dazu schalten. Zum anderen kann über die gesamte Echtzeitbandbreite eine Leistungsanalyse über die Zeit (PvT) durchgeführt werden. PvT entspricht einer Hochauflösung einer Spektrogramm-Zeile in 1.024 Abtastwerten. Hierbei kann man die Zeiteinheit von Mikrosekunden bis Sekunden variieren und einstellen. Auch eine Kombination der unterschiedlichen Darstellungen ist möglich.

Während die Dichtemessung anzeigt, wie oft ein Signal entlang des Spektrums aktiv ist, zeigt das Spektrogramm die Zeitsequenz an. Mit der Verwendung des Z-Markers ist es im Spektrogramm möglich, den Frequenzsprung-Algorithmus und den Kanalabstand sowie die Verweilzeitdauer der Einzelsignale zu messen. Somit können im Spektrogramm Zeitabstände, Amplitudenunterschiede und Frequenzabstände vermessen werden. Für sehr schnelle transiente Ereignisse, wie es zum Beispiel bei einem 2FSK-Signal der Fall ist, kann man dann mit der Darstellung PvT zusätzlich die Signal-Charakterisierung am Signal Burst durchführen.

Eine der Herausforderungen bei der Analyse einer HF-Übertragung oder einer ungewollten Abstrahlung liegt darin, sobald ein Störsignal auftritt, das seinen Ursprung aus einem anderen Funktionsbereich des IoT-Boards hat. Das ist der Aspekt, bei dem die Korrelationsmessung zur interaktiven Untersuchung wichtig wird.

Korrelationsmessung

Sobald Fehler entdeckt sind, ist es oft notwendig, ihren Einfluss auf andere eingebettete Signalkomponenten oder Datenpakete von seriellen Bussystemen zu untersuchen, um den wirklichen Ursprung herauszumessen. So lassen sich drei unterschiedliche Verbindungsmöglichkeiten zwischen dem RSA5000N / RSA3000N und dem MSO8000 aufbauen. Dieser Messaufbau ermöglicht, alle interaktiven Untersuchungsmethoden (Debuggen) zu nutzen.

Der Trigger-Ausgang des RSA5000N / RSA3000N ist mit dem Trigger-Eingang oder mit Kanal 1 des MSO8000 verbunden. Der Trigger-Ausgang des Oszilloskops ist mit dem Trigger-Eingang des Echtzeit-Analysators verbunden. Außerdem ist der ZF-(IF)-Ausgang des RSA5000N / RSA3000N an Kanal 2 (50 Ω) des MSO8104 (1 GHz) angeschlossen. Jetzt können beide Geräte eingestellt werden, um auf (drei) unterschiedliche Art und Weise zu triggern.

Die erste Methode erfolgt durch die Selbst-Triggerung des Oszilloskops. Mit dem RSA im Echtzeit-Modus kann eine Messung (zum Beispiel Dichtigkeitsmessung) ausgewählt und Kanal 2 im Oszilloskop getriggert werden. Der ZF-Ausgang des RSA setzt das Basisbandsignal mit der eingestellten Mittenfrequenz und Span auf 430 MHz. Somit lässt sich das ZF-Signal mit einem Oszilloskop vermessen.

Das Oszilloskop kann man jetzt auf die HF-Änderung des ZF-Signals vom RSA triggern. Diese Änderungen können jetzt mit den anderen Bussignalen (gemessen mit den digitalen Kanälen des MSO) verglichen werden. Gegenseitige Einflüsse der Bussignale und der HF-Signale können jetzt optimal mit dem Oszilloskop analysiert werden.

Die zweite Methode verbessert die detaillierte Analyse durch das Sicherstellen, dass beide Geräte gleichzeitig auf Pause gesetzt werden. Das lässt sich erreichen, wenn der RSA (Trigger In) dann misst, sobald das Oszilloskop (Trigger Out) triggert. Somit wird der RSA durch das Oszilloskop getriggert, und der RSA misst nur, wenn der Trigger des Oszilloskops zum Beispiel von einem sporadischen unerwünschten Signal ausgelöst wird. Hierfür kann der Zonentrigger des Oszilloskops genutzt werden.

Mit dem Touchscreen lässt sich ein Viereck an beliebiger Stelle mit beliebiger Größe erzeugen. Sobald das Signal die Zone durchschreitet, wird der Trigger ausgelöst. Zusätzlich kann mit dem Oszilloskop auch eine einfache Darstellung des Spektrums gezeigt werden. Das MSO8000 nutzt hierzu eine Million Abtastpunkte, um die FFT zu berechnen und darzustellen. Somit lässt sich auch mit dem Oszilloskop eine sehr gute Frequenzdarstellung erzeugen.

Das Spektrum lässt sich in unterschiedlichen Farben darstellen. Die Farben ändern sich je nach Erfassungswahrscheinlichkeit über die Zeit. Somit lässt sich auch im Oszilloskop feststellen, welche Signalkomponenten häufiger auftreten als andere. Die Verwendung der FFT ist optimal einsetzbar, um noch einmal den Frequenzbereich von komplexen zeitlich zusammenhängenden Ereignissen darzustellen, mit dem MSO8000 zu analysieren und die Analyse von HF-Muster gleichzeitig auf dem RSA in Echtzeit zu messen.

Für komplexere HF-Signale kann eine dritte Trigger-Methode angewendet werden. Hierbei kann man das HF-Signal im Echtzeitmodus des RSA mit dem Leistungstrigger oder mit dem Frequenzmaskentrigger messen. Das Trigger-Signal kann aus dem RSA (Trigger Out) ausgegeben und über den externen Trigger-Eingang oder mit einem zweiten Kanal im Oszilloskop als Trigger-Signal verwendet werden. Jetzt ist es möglich, gleichzeitig die seriellen Busse, das Leistungsverhalten und die eingebetteten Signale zu vermessen, sobald ein HF-Ereignis oder eine EMV-Abstrahlung erfolgt.

Analyse

Nachdem die Fehler identifiziert und die zusammenhängenden Verhaltensweisen der eingebetteten und der HF-Signale dargestellt wurden, können die seriellen Datenbusse genauer analysiert werden. Mit der Speichertiefe von 500 Mpts kann man bei der Serie MSO8000 das zu analysierende Signal sehr lange mit einer hohen Abtastrate aufzeichnen und zum Beispiel Änderungen vor und nach einem möglichen HF-Event analysieren. Durch die Aufnahme und Abspielfunktion lassen sich sogar bis zu 900 Mpts aufzeichnen.

Die zeitliche Analyse ist besonders wichtig, da gerade ein inkonstanter Fehler auf den ungewünschten Einfluss nachvollzogen werden kann. In programmierbaren Komponenten wie FPGAs liegt oft die Ursache von vielen dieser Fehler begründet. Ein Weg, um die Qualität solcher Komponenten zu untersuchen und sie zu verifizieren, liegt in der Überwachung eines gewissen Zeitraumes. Hierzu kann eine bekannte kontinuierliche Datenübertragung verwendet werden, um Logik- oder Zustandsfehler zu erkennen. Ein im Oszilloskop integriertes Multimeter kann für die schnelle Überprüfung von Spannungswerten verwendet werden.

Der oben beschriebene Aufnahme/Rekord-Modus ist ein weiteres leistungsstarkes Werkzeug für die Multi-Domain-Analyse im MSO8000. Mit der Aufnahme ist es möglich, tausende Trigger-Events zu erfassen, wieder abzuspielen und zusätzlich mit einer Pass/Fail-Maske durchzutesten. Der Vergleich der aufgetretenen Fehler und das Entdecken einer gemeinsamen Ursache ist elementar, um das zugrunde liegende Problem zu beseitigen.

In der Glitch-Abbildung wurde der Trigger (lila Kurve) und der ZF-Puls vom RSA (gelbe Kurve) mit dem Oszilloskop dargestellt. In dieser Messung wurde ein fehlerhafter Puls einer 2FSK-Übertragung gemessen. Die Ursache lag in einer fehlerhaften Signalkomponente (blaue Kurve) von den eingebetteten Signalen. Durch die Wellenform-Erfassungsrate von 600.000 wfms/s lassen sich auch schnelle und kleine Signal-Glitches schnell erfassen. Durch die Verwendung der Aufnahme ist die Korrelation zwischen dem gestörten eingebettetem Signal und des ZF-Signals der HF-Übertragung sofort sichtbar. Sobald das Fehlverhalten beseitigt ist, kann mit dem RSA eine Verifikation des modulierten Signals durchgeführt und mit der Design-Spezifikation verglichen werden.

Sobald alle eingebetteten Signalprobleme durch die Pulsunterbrechung gelöst sind, kann das 2FSK modulierte HF-Signal die Signal-Charakteristik mit der SSC-Funktion (Signal Seamless Capture) im Echtzeit-Spektrumanalysator vermessen werden. Dabei wird für das 2FSK-Signal die Frequenzabweichung und die Amplitudengenauigkeit gemessen. Diese Messung kann man auch mit einer Pass/Fail-Maske überprüfen.

Zusammenfassung

Die Echtzeit-Spektrumanalysator-Serien RSA3000N / RSA5000N von Rigol sind so konfiguriert, dass sie eine Echtzeit-Visualisierung für eine Multi-Domain-Untersuchung durchführen. Zusammen mit der Oszilloskop-Serie MSO8000 kann gerade die 500-MHz-Version die Brücke zwischen HF-Analyse und eingebetteten Signalen schließen. Damit lassen sich echte Multi-Domain-Analysen realisieren.

Das beinhaltet auch die Analyse einer zeitlichen Korrelation zwischen HF- und eingebetteten Signalen, Konfiguration von unterschiedlichen Trigger-Methoden abhängig wiederum von den verschiedenen Signalarten und fügt noch eine Echtzeit-Visualisierung von HF-Signalen hinzu. Diese Analysemöglichkeit der beiden Geräte eröffnet komplett neue Messmethoden.

Diese Funktionen machen die Geräte zu einem wichtigen Bestandteil der Multi-Domain-Analyse. Die Systeme bringen somit einen Mehrwert für Debugging-Anwendungen in HF- und Embedded-Projekten gerade im Bereich IoT, in denen Entwicklungsingenieure dadurch viel Zeit und Geld sparen können.

Bildergalerie

  • Aufzeichnung einer Dichtigkeitsmessung von einem versteckten Signalartefakt

    Bild: Rigol

  • Die Oszilloskop-Erfassung zeigt einen Glitch in der Mitte der Pass/Fail-Maske, der mit der „Aufnahme von Rahmen“ durchgeführt wurde.

    Bild: Rigol

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