15.12.2017

Использование осциллографов R&S RTE для измерения параметров цифровых сигналов с двумя информационными потоками

В статье рассматривается вопрос о средствах, необходимых для измерения параметров цифровых сигналов с двумя информационными потоками, имеющими существенно отличающиеся битовые скорости. Проанализированы особенности спектрального состава таких сигналов, рассмотрена схема разделения информационных потоков для последующей обработки. Рассмотрены подходы к измерению их параметров. Приведен пример таких измерений с использованием осциллографов R&SRTE.

Ключевые слова: измерение, осциллограф, цифровой сигнал, информационный поток, измерение, синхронизация. Лемешко Н. В. (д.т.н., в.н.с. ОАО «Корпорация «Комета», nlem83@mail.ru)

Струнин П. А. (руководитель направления «Осциллография» ООО "РОДЕ и ШВАРЦ РУС", Pavel.Strunin@rohde-schwarz.com)

Введение

В настоящее время общей тенденцией в проектировании электронных устройств является усложнение выполняемых функций и стремление к снижению их массогабаритных характеристик. Для этого в конструкции и схемотехнике разработчики предусматривают специальные технические решения. Несмотря на высокий уровень микроминиатюризации, простое повышением разрядности и тактовой частоты цифровых сигналов уже в скором времени не сможет дать требуемого эффекта из-за технических и технологических противоречий.

Действительно, повышение разрядности шин данных приводит к увеличению количества слоев трассировки печатного узла [1] и к увеличению его площади, что, в свою очередь, ведет к повышению массы изделия. Кроме того, уже сегодня не наблюдается существенный рост тактовых частот цифровых сигналов, и этому есть несколько причин. Повышение рабочих частот невозможно без увеличения энергопотребления, что ведет к повышенному тепловыделению [2]. Это, в свою очередь, требует снижения напряжения электропитания интегральных компонентов, что создает проблему помехоустойчивости и требует использования специальных типов логик [3].

Также имеются ограничения по количеству выводов корпусов интегральных компонентов. В настоящее время имеются корпуса с шариковыми выводами в количестве до нескольких тысяч [4]. Монтаж таких корпусов на автоматических производственных линиях осложнен не только необходимостью точного позиционирования, но и возможными нарушениями в пайке, которые по очевидной причине не могут быть устранены. Фактически нарушение в пайке хотя бы одного контакта достаточно для выбраковки печатного узла.

Все эти причины побуждают и разработчиков, и теоретиков искать пути иной организации обработки сигналов и построения цифровых устройств. Положительным шагом в этом направлении является использование интерфейсов с малым количеством линий, например, I²C, широко используемого для группового управления датчиками температуры и давления [5]. Однако это не решает проблему в целом.

Одним из возможных путей ускорения обработки сигналов является переход к импульсным сигналам с тремя и более устойчивыми состояниями [6]. В частности, если электронное устройство построено на троичной логике, то через 8-разрядную шину данных можно передавать 6561 байт разного типа, в то время как при двоичной логике их не может быть более 256. Примером удачной реализации троичных функций может служить может служить работа нескольких выходных каскадов КМОП-микросхем на единую шину, при которой все они, за исключением передающего, находятся в высокоимпедансном состоянии.

Естественно, что использование импульсных сигналов с количеством логических уровней более двух приведет к некоторому усложнению структуры сигналов и необходимых схемотехнических решений. Опыт проектирования электронных устройств однозначно свидетельствует о том, что усложнение структуры сигналов требует более жестких мер по сохранению их информационной целостности. Для выявления связанных с ней проблем на стадии отладки электронных устройств необходимо проводить измерения, которые, как это будет показано ниже, имеют свою специфику.

Цифровые сигналы с двумя информационными потоками и их логическая обработка

Реализация многомерных логических функций в цифровых устройствах может быть реализована разными путями. Например, можно использовать сигнал с равноудаленными по уровню устойчивыми состояниями. Одним из возможных путей для формирования таких сигналов является арифметическое суммирование сигналов, соответствующих бинарной передаче данных. Для последующего разделения таких потоков необходимо выполнение специальных условий.

Идея совмещения цифровых информационных потоков схожим образом удачно реализована в глобальной навигационной системе GPS, в которой информационный сигнал с тактовой частотой 50 бит/с, несущий данные для работы приемников, накладывается заданным в спецификации законом логического отрицания на специальный периодически повторяющийся C/A-код, следующий со скоростью 1,023 Мбит/с. При этом соотношение тактовых частот составляет N = 20460. Конечно, такое решение в системе GPSпредназначено для повышения помехоустойчивости и минимально допустимого отношения сигнал/шум, но оно подсказывает путь объединения сигналов с различными тактовыми частотами.

Итак, будем считать, что цифровой сигнал передается в базисе логики с четырьмя стабильными состояниями и образован алгебраической суммой двух сигналов с тактовыми частотами f_Т1 >> f_Т2. Например, можно считать, что первый информационный поток передает содержит данные с датчика, а второй - низкоскоростной - информацию о его техническом состоянии и результатах самотестирования. Включение телеметрии в общий информационный поток во многих случаях не целесообразно по причине необходимости усложнения программной обработки и самих информационных потоков.

Для обеспечения разделения данных информационных потоков необходимо потребовать, чтобы области неопределенности информационных потоков не пересекались. Это иллюстрирует рис. 1 для случая, когда оба потока представляют собой последовательность нулей и единиц. Фрагмент суммарного информационного потока показан в районе перехода низкоскоростного информационного потока из нулевого состояния в единичное.

Как следует из содержания рис. 1, на длительности одного бита низкоскоростного информационного потока должно укладываться целое количество бит высокоскоростного потока, в противном случае в последнем возникнет эффект «ложного бита». Следовательно, отношение f_Т1/f_Т2 должно быть выражено целым числом. Использование таких сигналов электронных устройствах целесообразно только в том случае, когда входящие в их состав информационные потоки могут быть разделены сравнительно простым способом. Для выявления возможных путей такого разделения целесообразно обратиться к спектральному представлению.

Рассмотрим непериодический сигнал в виде суммы двух одиночных прямоугольных импульсов с длительностью Т₁ = 10^-5 и Т₂ = 10^-2 с и постоянной амплитудой А₁ = 0,2 и А₂ = 0,8 В соответственно, начинающихся в нулевой момент времени. Каждый импульс в отдельности описывается временной функцией.

Временная функция s(t) = s₁(t) + s₂(t) такой суммы показана на рис. 2 в логарифмическом масштабе.

Графики модулей функций, характеризующие зависимости значений модулей спектральной плотности соответствующих сигналов от частоты, представлены на рис. 3 и 4. Важно отметить, что спектр сигнала s₂(t) также имеет характерную лепестковую структуру (частота первого нуля составляет 100 Гц), ярко выраженную для сигнала s₁(t), которая, однако, не видна на графиках в выбранном масштабе.

Соотнесение графиков 3 и 4 приводит к весьма интересному выводу о том, что введение в сигнал низкочастотной составляющей способно вызывать сдвиги минимумов спектральной плотности на значение, существенно большее f₂, однако разность частот между смежными минимумами спектра по-прежнему остается равной 1/Т₁. Этот факт следует учитывать при спектральных исследованиях сложных цифровых сигналов.

В спектре импульсных сигналов с лепестковой структурой в первом из них сосредоточено до 90% энергии [7]. Спектральная плотность сигнала s₂(t), как это следует из рис. 4, намного превосходит аналогичную для сигнала s₁(t) в пределах малой части его главного лепестка, определяемой соотношением частот f₁ и f₂. Таким образом, оказывается, что сигналы s₁(t) и s₂(t) оказываются, говоря терминами сферы электромагнитной совместимости, взаимно пораженными в некритической степени, т. е. потенциально разделимыми без сложным схем восстановления информации.

Представленная структура сигнала определяет возможность разделения высоко- и низкоскоростного цифрового потока при помощи специальных схемотехнических мер. К ним следует отнести управляемые пороговые преобразования и фильтрацию. Принцип первого из названных методов поясняет схема на рис. 5. Она включает два компаратора, один из которых имеет управляемый уровень переключения. Известно, например [4], что в КМОП-транзисторах с индуцируемым каналом проводимость между стоком и истоком, достаточная для передачи сигналов, появляется после того, как напряжение на затворе превысит некоторый пороговый уровень, а для приборов со встроенным каналом она резко снижается после достижения критического напряжения на затворе. Таким образом, создание схемных решений управляемых компараторов для рассматриваемой задачи является вполне разрешимой проблемой.

Выделение низкоскоростного информационного потока в схеме на рис. 5 осуществляется при помощи компаратора с постоянным пороговым уровнем, равным половине напряжения питания. Основным требованием к нему является быстродействие, достаточное для обработки битовой последовательности высокоскоростного информационного потока. Сигнал с выхода данного компаратора соответствует низкоскоростному информационному потоку и одновременно является управляющим для второго компаратора с управляемым порогом, на выходе которого формируется битовая последовательность высокоскоростного информационного потока. Далее информационные потоки обрабатываются по раздельности, причем их сигналы соответствуют стандартным уровням выбранного типа логики.

Аналогичные схемы смогут использоваться при обработке многомерных цифровых сигналов с четным количеством логических уровней для перехода к двоичному представлению. Кроме них, для разделения информационных потоков могут использоваться аналого-цифровые низкоразрядные преобразователи, но решение не рационально по экономическим соображениям.

Проблема информационной целостности сложных цифровых сигналов

Проблема информационной целостности для сложных цифровых сигналов играет существенно большую роль, чем для классического двоичного кода, для которого в отсутствие помех нарушение передачи данных обычно связано со снижением энергии, переносимой одним битом информации, и инерционностью входных цепей интегральных компонентов. Требование по высокому быстродействию первого компаратора в схеме на рис. 5 не допускает наличия существенных искажений в сигнале. За счет передачи высокоскоростного потока сигналами с меньшей амплитудой (порядка 25% от амплитуды сигнала низкоскоростного потока) его помехоустойчивость будет несколько снижена.

Как следует из данного выше описания, основные причины нарушения информационной целостности для сигналов рассматриваемого типа состоят:

- в медленном дрейфе частот следования битов, в результате которого нарушается синхронность фронтов сигналов с низкой и высокой частотами;

- в появлении постоянного или меняющегося во времени сдвига между сигналами, в результате чего могут возникнуть ошибки в высокоскоростном информационном потоке.

В случае, когда между информационными потоками отсутствует указанная синхронность, возможно возникновение битовых ошибок, связанных с недостатком энергии, если бит, граничащий с фронтом низкочастотного сигнала, имеет продолжительность менее критического значения.

Перечисленные причины возможного нарушения информационной целостности приводят к необходимости тщательного приборного контроля параметров сигналов рассматриваемого типа в процессе отладки и сервисного обслуживания электронных устройств.

Способы экспериментальной оценки характеристик сложных цифровых сигналов

Наиболее важными параметрами сложных цифровых сигналов являются частоты следования бит в информационных потоках, их амплитудные характеристики, синхронизация фронтов и спадов низкоскоростного и высокоскоростного потоков, а также возможность их обработки при помощи конкретных схемных решений. Можно выделить следующие способы оценки характеристик:

- анализ во временной области;

- анализ в частотной области;

- функциональный анализ.

Анализ во временной области для сложных цифровых сигналов является наиболее наглядным и дает возможность непосредственно измерять перечисленные характеристики. Для его осуществления осциллограф должен обладать широкими возможностями синхронизации, поскольку измерения надо проводить для обоих информационных потоков. В данном случае основным предъявляемым к осциллографу требованием является широкая полоса пропускания. Считается, что она должна составлять как минимум увеличенную в пять раз тактовую частоту высокоскорстного информационного потока. Однако при использовании пороговых преобразований данное требование следует ужесточить для качественного наблюдения временных соотношений в сигнале и подтверждения синхронизации. Таким образом, рабочая полоса осциллографа должна превышать упомянутую тактовую частоту в 7...10 раз. Осциллограф должен иметь не менее трех каналов, если осуществляется отладка схем разделения информационных потоков.

Дополнительным требованием является наличие дополнительных функций, в частности, быстрого преобразования Фурье для анализа в частотной области. Поскольку фазовые соотношений между низкоскоростным и высокоскоростным потоками могут меняться во времени и это способно приводить к нарушению синхронизации, то желательно использовать функцию настраиваемого послесвечения для выявления таких нарушений.

Несмотря на достоинства осциллографии, спектральным анализом не следует пренебрегать. Потенциально возможные ошибки в сложном цифровом сигнале могут возникать как при формировании, так и при объединении информационных потоков. В случае наличия проблем с обработкой анализ в частотной области зачастую является самым эффективным способом выяснения причин нарушения информационной целостности сигналов [8].

Сущность функционального анализа состоит в проверке возможности обработки сигналов при помощи типовых схем, используемых в конкретных изделиях, т. е. это проверка, выполняемая по принципу «годен/не годен». Такой подход широко применяется при массовом производстве изделий электронной техники и, при возникновении проблем с обработкой сигналов, предваряет их более глубокий инструментальный анализ.

На сегодняшний день на рынке присутствуют различные средства осциллографы, применимые для анализа сложных цифровых сигналов. В частности, к этой категории относятся осциллографы серии R&SRTEI.

Функциональные особенности осциллографов серии R&S RTE в приложении к измерению параметров цифровых сигналов с двумя информационными потоками

Осциллографы R&SRTE [9] имеют рабочую полосу до 2 ГГц при частоте дискретизации до 5 ГГц, что позволяет анализировать высокоскоростные битовые потоки со скоростью до 400 Мбит/с. Память на 200 млн. отсчетов дает возможность подробной записи сигналов, что полезно при автоматизированном анализе осциллограмм на компьютере. Осциллограф имеет до четырех аналоговых входов, а также опцию анализа смешенных сигналов с использованием 16-канального логического пробника. Это обеспечивает самые разные варианты анализа сложных цифровых сигналов.

Для точного анализа формы сигналов необходимо, чтобы составляющие измерительной цепи вносили минимальные искажения. Спектр значимых частот высокоскоростного информационного потока может простираться до единиц гигагерц, соответственно, необходимо использовать высококачественные пробники. Осциллографы R&SRTE имеют функцию распознавания пробников, выпущенных компанией R&S, а также автоматического масштабирования по свойственному им коэффициенту деления.

Для обнаружения проблем синхронизации можно использовать режим высокого разрешения по вертикали, для которого характерна 16-битная разрядность аналого-цифрового преобразования. В некоторых приложениях может потребоваться проведение раздельного анализа информационных потоков. По сути, синхронизация по фронту или спаду уже обеспечивает одно из двух пороговых преобразований в схеме на рис. 5. У осциллографов R&S RTE имеется развитая система запуска развертки, в т. ч. для сигналов с последовательным протоколом передачи. Запуск развертки по задаваемому пользователем условию может решить проблему поиска редко повторяющихся нарушений в структуре сигналов.

Важной особенностью осциллографов серии R&S RTE является наличие математической обработки осциллограмм, в частности, быстрого преобразования Фурье. Выбирая требуемую полосу обзора, можно наблюдать спектральные составляющие низкоскоростного и высокоскоростного информационных потоков, что позволяет определять типовые их характеристики, в первую очередь, значения битовых скоростей и их дрейф во времени.

Поскольку печатные узлы цифровых схем имеют обычно плотную трассировку, то это наряду с возможными топологическими ошибками [1] способствует возникновению перекрестных помех. Практика радиоизмерений показала, что поиск их источников целесообразно проводить с применением анализа в частотной области на основе спектрального подобия. Следовательно, функция быстрого преобразования Фурье в осциллографах R&S RTE обеспечивает не только измерения как таковые, но и, при необходимости, решение проблем внутриаппаратной электромагнитной совместимости на этапе отладки печатных узлов при условии использования подходящих датчиков ближнего поля или пробников.

Таким образом, осциллографы серии R&S RTE являются подходящим инструментом для анализа сложных цифровых сигналов. Ниже приведен пример выполнения таких измерений.

Пример измерений фазовых характеристик для сложного цифрового сигнала с использованием осциллографа серии R&S RTE

Для выполнения описанных ниже измерений использовался осциллограф R&SRTE 1104, имеющий четыре канала и полосу рабочих частот до 1 ГГц, а также встроенную опцию быстрого преобразования Фурье. В схеме, представленной на рис. 6, а, сигналы формы меандр, соответствующие двум информационными потокам, формировались при помощи векторного генератора R&SSMW 200A и снимались с выходов генератора, обеспечивающего внутреннюю модуляцию. Такая схема формирования сигналов оправдана их высокоточной синхронизацией по времени, а также возможностью установки заданного временного сдвига.

Амплитудные уровни сигналов составляли около 2,4 В на 50-омной нагрузке, высокочастотный сигнал подавался на вход осциллографа через аттенюатор с номинальным ослаблением 6 дБ. Этой мерой достигалось необходимое соотношение амплитуд в суммарном сигнале. Частоты сигналов, формируемых генератором R&SSMW 200A, составляли 500 кГц и 50 Гц, что соответствует скоростям передачи 1 Мбит/с и 100 бит/с.

Формирование сложного цифрового сигнала осуществлялось сложением напряжений на каналах 1 и 2, т. е. путем обработки в осциллографе. На рис. 7 показаны осциллограммы полученного цифрового сигнала с двумя информационными потоками при разрешении по времени 5 мс/дел. и 4 мкс/дел. Сформированный для анализа сигнал соответствует представленному выше описанию.

На рис. 8 приведены спектрограммы, построенные для полосы обзора 6 МГц, включающей первые двенадцать гармоник сигнала высокоскоростного информационного потока, и для полосы обзора 1 кГц, включающей первые двадцать гармоник сигнала низкоскоростного информационного потока. Значения полосы разрешения в этих случаях составляло 50 кГц и 2 Гц соответственно.

Представленные спектрограммы коррелируются с теоретическими, изображенными на рис. 3 и 4 с точностью до периодичности сигнала. Поскольку исследуемый сигнал периодический, то на рис. 8 спектры имеют выраженный линейчатый характер. Спектральные составляющие, относящиеся к низкоскоростному потоку, расположены в низкочастотной части спектра. В диапазоне частот выше первой гармоники высокоскоростного потока их уровень существенно ниже, как это было показано на рис. 3. Отсюда следует принципиальная разделимость сигналов, соответствующих информационным потокам.

Информационная целостность цифровых сигналов с двумя информационными потоками будет обеспечена при кратности их битовых скоростей, а также при синхронизации фронтов и спадов по времени. На рис. 7, б показан пример такой синхронизации, обеспечивающий качественное разделение потоков. Однако в процессе формирования сложного цифрового сигнала, а также при его передаче возможно появление весьма своеобразных ошибок, не свойственных обработке двоичных битовых последовательностей.

На рис. 9, а показан пример ошибки первого типа, когда фронт сигнала низкочастотного информационного потока разделяет на равные по длительности части бит, передаваемый во втором потоке. В этом случае при достаточном быстродействии элементной базы после разделения потоков может быть сформирован бит, на временной протяженности которого наблюдается кратковременный инверсный импульс, являющийся внутриситемной помехой и способный создать непредсказуемые последствия для устойчивости работы цифрового устройства (эффект «ложного бита»).

На рис. 9, б показан пример ошибки второго типа, когда фронт сигнала низкочастотного информационного потока разделяет на существенно отличающиеся по длительности части бит высокоскоростного потока. В этом случае длительности меньшей части бита (на осциллограмме слева от нулевого положения) для скорости передачи, близкой к предельной, недостаточно для полноценного захвата логического состояния и, следовательно, ошибка первого типа не возникнет. Однако для качественного захвата передача каждого бита должна осуществляться не менее заданного времени. Если большая часть бита (на осциллограмме справа от нулевого значения) менее последнего, то после разделения информационных потоков возможно возникновение классической битовой ошибки при некотором увеличении длительности бита, предшествующего разделенному.

Выводы

Сложные цифровые сигналы с двумя информационными потоками могут обрабатываться на аппаратном уровне, что позволяет избежать усложнения алгоритмов программной обработки, например, при выделении сигналов телеметрии на фоне других данных. Использование импульсных сигналов с тремя и более уровнями в перспективе дает возможность строить средства обработки информации на основе более сложного математического аппарата, чем булева алгебра, обладающие большей производительностью при той же разрядности шин данных.

Применение в различных системах цифровых сигналов со сложной структурой, в частности, с двумя информационными потоками, требует развития способов инструментального контроля их параметров, в первую очередь, относящихся к синхронизации. Для этого должны использоваться современные средства измерений, обладающие способностью достаточной детализации осциллограмм и широкой полосой рабочих частот. Представленный выше пример продемонстрировал удобство применения для этих целей осциллографов серии R&SRTE.

Статья опубликована в журнале «Электронные Компоненты» № 8.

Литература и ссылки

1. Кечиев Л. Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. - М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. - 616 с.

2. Коледов Л. А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров микросборок. - М.: Лань, 2008. - 400 с.

3. Новожилов О. П. Основы цифровой техники. - М.: «РадиоСофт», 2013. - 528 с.

4. Эннс В. И., Кобзев Ю. М. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем. Краткий справочник разработчика. - М.: Горячая Линия - Телеком, 2005. - 454 с.

5. Семенов Б. Ю. Шина I2C в радиотехнических конструкциях. - М.: Солон-Пресс, 2004. - 223 с.

6. Бруснецов Н. П., Владимирова Ю. С., Рамиль Альварес Х. Троичный логико-алгебраический и арифметический процессор. - Программные системы и инструменты. - Под ред. Л. Н. Королева. - М.: Издательский отдел ВМиК МГУ, 2005. - с. 184-187.

7. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Высшая школа, 2003. - 462 с.

8. И. С. Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Радио и связь, 1986. - 512 с.

9. Описание осциллографов R&SRTE. Интернет-ресурс https://cdn.rohde-schwarz.com/pws/dl_downloads/dl_common_library/dl_brochures_and_datasheets/pdf_1/RTE_bro_en_3606-9033-12_v1001.pdf (дата обращения 30.06.2017).

Источники:

1. www.elcomdesign.ru