Решения компании Keysight для тестирования IoT-устройств.
Часть 2

Первая часть статьи.

Инструменты для оценки целостности сигнала и питания

На рынке представлен широкий спектр измерительных инструментов для проверки и корреляции при моделировании целостности сигнала и питания, а также сравнения полученных результатов с фактическими измерениями. Например, для проверки приемника можно использовать тестовую установку на основе векторного анализатора цепей серии ENA с функцией рефлектометра кабельных линий (time-domain reflectometry, TDR — измерение коэффициента отражения методом совмещения прямого и отраженного испытательных сигналов), осциллографы Infiniium и измеритель коэффициента битовых ошибок (Bit Error Ratio Test, BERT). Повысить качественные показатели измерений с применением этих инструментов позволяет вспомогательное программное обеспечение (ПО).

Векторный анализатор цепей E5071C ENA с опцией TDR производства компании Keysight [6] способен выполнять анализ высокоскоростных последовательных межсоединений, включающий TDR/TDT-анализ временной области (подробно данный метод описан в [21]), анализ частотной области (S-параметры), который может использоваться для описания перекрестных помех, и анализ глазковых диаграмм, как показано на рис. 1. Анализатор ENA может заменить традиционные решения, такие как обычные векторные анализаторы цепей и TDR-осциллографы. Он включает мастер настройки, который автоматически настраивает фазовый сдвиг и позволяет выполнять измерения всего несколькими щелчками мыши. С помощью этого прибора можно быстро и точно измерять небольшие разрывы в передаче сигнала, а его шумовые характеристики дают возможность проводить измерения в реальном времени без усреднения, обычно необходимого для TDR-осциллографов. Еще одним преимуществом рассматриваемого оборудования является его высокая устойчивость к воздействию разрядов статического электричества (ESD), что достаточно сложно реализовать на подобном оборудовании.

Рис. 1. Векторный анализатор E5071C ENA с опцией TDR используется для измерения временной и частотной областей в реальном времени

Анализатор ENA сертифицирован для основных стандартов связи. Совместно с дифференциальными и несимметричными TDR/TDT-датчиками ENA также может использоваться для контроля качества печатных плат, анализа и нахождения неисправностей.

Для измерений на физическом уровне доступно ПО Physical Layer Test System (PLTS) [7], которое было специально разработано для оценки целостности сигналов в межсоединениях. Оно работает с векторными анализаторами серий PNA, ENA и PXI, а также с TDR-осциллографами. PLTS помогает пользователям с настройкой и калибровкой оборудования и контролирует сбор данных. Оно также обеспечивает создание встроенной модели для автоматического удаления лишних элементов, что позволяет инженерам исследовать только интересующий их компонент. Благодаря тому что тестирование на соответствие осуществляется одним нажатием кнопки, эта система достаточно проста в использовании.

Для измерения джиттера (нежелательные фазовые или частотные отклонения передаваемого сигнала, выражающиеся в его «дрожании») и наблюдения за сигналами требуются средства измерения с высокой пропускной способностью. Для этого компания Keysight разработала осциллографы Infiniium серии S [8] с 10-разрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), малошумящим интерфейсом (среднеквадратичный шум 90 мкВ при полосе пропускания 1 ГГц), полосой пропускания до 8 ГГц, частотой дискретизации 20 Гвыб./с и низкой величиной собственных фазовых (среднеквадратичное значение) шумов, составляющей менее 200 фс. На рис. 2 показаны фактические измерения джиттера с помощью этих осциллографов. Все модели используют один и тот же технологический блок на основе времени и низкую горизонтальную составляющую джиттера, которая измеряет джиттер менее 130 фс при короткой длине записи. Серия S поддерживает тестирование на соответствие таких приложений, как DDR, eMMC, MIPI, USB и др.

Рис. 2. Реальное измерение джиттера с помощью осциллографов Infiniium серии S

Для осциллографов серии S доступны программные приложения для анализа, обеспечивающие лучшее понимание результатов измерений. Так, InfiniiScan позволяет быстро выполнять запуск по сложным событиям, которые вы можете видеть, но которые невозможно оценить с помощью аппаратных средств запуска. Этот программный продукт быстро сканирует тысячи захваченных периодов сигнала и выявляет аномальное поведение. Приложение для анализа последовательных потоков данных Serial Data Analysis (SDA) позволяет быстро оценить целостность сигналов высокоскоростных последовательных интерфейсов со встроенными генераторами тактовой частоты (синхронизацией).

Определить характеристики целостности сигналов и выполнить их оценку на основе наиболее широко востребованных приложений для измерения джиттера можно, используя приложения EZJIT, EZJIT Plus и EZJIT Complete. EZJIT Plus позволяет автоматизировать разделение случайного и детерминированного джиттера. EZJIT Complete обладает дополнительными функциями определения характеристик шума.

Приложение для анализа перекрестных помех N8833A [9] помогает в выявлении и количественной оценке источников перекрестных помех. Диагностика перекрестных помех выполняется как на ближнем (NEXT), так и на дальнем конце линии (FEXT) с обработкой до четырех сигналов одновременно (один сигнал-жертва и три сигнала-агрессора). N8833A также позволяет пользователям визуализировать ожидаемые улучшения, чтобы количественно определить величину проектного запаса, предназначенного для измерения перекрестных помех, возникающих при удалении сигналов-агрессоров из сигнала-жертвы (рис. 3).

Рис. 3. До и после просмотра формы сигнала-жертвы на дальнем конце линии (FEXT).
На верхнем графике сигнал жертвы выделен зеленым цветом, агрессор — оранжевым, а удаленный сигнал перекрестных помех — красным.
Средний график — глазная диаграмма жертвы на дальнем конце линии.
Нижний график — глазная диаграмма жертвы после устранения перекрестных помех

Важно учитывать то, что сами осциллографы также подвержены таким проблемам целостности сигналов, как искажение, шумы и потери [10]. Вполне естественно, что осциллографы с высокими собственными показателями целостности сигналов обеспечивают лучшее представление тестируемых сигналов — и наоборот. В таблице представлены семь критически важных характеристик, которые необходимо учитывать при выборе осциллографа, поскольку они требуются для гарантии точного представления измеряемых сигналов при тестировании.

Для тестирования приемника компания Keysight предлагает разработчикам решения в виде тестеров коэффициента битовых ошибок (BERT), которые охватывают обычные приемо-сдаточные испытания при производстве продукции, а также более полную оценку характеристик производительности и тестирование на соответствие до скорости 32 Гбит/с. Так, например, высокопроизводительный тестер коэффициента битовых ошибок J-BERT M8020A [11] предназначен для использования в ходе НИОКР и для инженеров-испытателей, оценивающих характеристики и проверяющих соответствие микросхем, устройств, плат и систем по последовательным портам ввода/вывода. Тестер обладает всеми необходимыми встроенными возможностями тестирования приемника и может использоваться для тестирования последовательных шин популярных стандартов на предмет соответствия требованиям: PCI Express, USB, MIPI M-PHY, SATA/SAS, DisplayPort, SD UHS-II, Fibre Channel, шины памяти, объединительные платы, повторители, активные оптические кабели, Thunderbolt, 10 GbE, 100GbE (оптические и электрические), SFP+, приемопередатчики CFP2/4, CEI.Y.

Рис. 4. Увеличенные пульсации, шумы и переходные процессы, наблюдаемые поверх шины типичного источника постоянного тока напряжением 1,8 В

Для измерения небольших сигналов напряжения переменного тока, идущих поверх напряжения источников постоянного тока, и захвата переходных процессов, создаваемых высокочастотной нагрузкой, требуются решения оценки целостности электропитания с низким уровнем собственных шумов, поддержкой популярных напряжений шины, низкой нагрузкой и высокой пропускной способностью. Анализатор целостности электропитания вместе с Infiniium S-Series доступен в таких решениях, как осциллографический пробник шин питания N7020A и высокочувствительный пробник постоянного и переменного тока N2820A [12]. Они обеспечивают полную видимость сигналов, скрывающихся на шинах питания постоянного тока (рис. 4). Осциллографический пробник N7020A предназначен для захвата высокочастотных шумов и переходных процессов, которые могут вызвать синхронизацию и дрожание данных, имеет коэффициент передачи 1:1, смещение в пределах ±24 В и ширину полосы пропускания в 2 ГГц. При этом, чтобы уменьшить влияние шумов, полоса пропускания может быть ограничена. Пробник постоянного и переменного тока N2820A для измерений потребления низкой мощности позволяет измерять ток в диапазоне до 50 мкА.

Решения для испытаний беспроводных устройств

Для тех, кто разрабатывает устройства IoT и ищет решения для поддержки беспроводных форматов не только на сегодня, но и на будущее, компания Keysight предлагает целый ряд аппаратных платформ, а именно настольные, модульные и однокамерные тестеры (рис. 5). Эти продукты дополняются ПО, которое дают пользователям более широкие возможности и понимание результатов измерений. Преимущество применения решений Keysight заключается в том, что используемые компанией общие научные подходы к измерениям обеспечивают согласованные и сопоставимые результаты измерений на протяжении всего жизненного цикла продукта, от этапа исследований и разработки до его серийного производства.

Рис. 5. Научный подход компании Keysight в области настольного, модульного и беспроводного тестирования. Аппаратные средства (вверху) дополняет ПО (внизу), обеспечивая более широкие возможности и понимание результатов измерений

На этапе проектирования и оценки прототипа оптимально использовать настольные приборы, такие как анализаторы сигналов серии X и генераторы сигналов, благодаря их высокой производительности и возможностям их лицевой панели. Позже в жизненном цикле продукта, где большую весомость получают такие критерии, как скорость, гибкость и занимаемая площадь, для тестирования лучше подходят модульные решения, выполненные в одном корпусе, такие как векторный приемопередатчик Keysight M9420A VXT в формате PXIe и комплект для тестирования средств беспроводной связи E6640A EXM. Например, EXM [13] обеспечивает самое широкое мультиформатное покрытие среди всех тестеров в своем классе с регулярными обновлениями, которые добавляют новые форматы. Текущие поддерживаемые форматы включают 2G / 3G / 4G, WLAN, ZigBee, Bluetooth и Wi-SUN. EXM также может быть расширен до четырех TRX-каналов. Это позволит получить возможности векторного анализатора сигнала (vector signal analyze, VSA), векторного генератора сигнала (vector signal generator, VSG) и четырехпортового RFIO с полосой частот до 6 ГГц и шириной полосы 160 МГц. Порты могут быть настроены как два полудуплексных и два полнодуплексных или четыре полнодуплексных.

Как уже было сказано, для ускорения проектирования и тестирования компания Keysight предлагает три популярных программных приложения для настольных, модульных и объединенных платформ тестирования. ПО Signal Studio позволяет создавать настраиваемые и соответствующие стандартам формы сигналов, в то время как измерительные приложения серии X дают возможность одним нажатием кнопки тестировать различные беспроводные форматы IoT. Помимо функционала ПО для генерации сигнала и измерительных приложений, 89600 VSA является ведущим в отрасли инструментом для анализа цифровой модуляции и может использоваться для более глубокого устранения неполадок беспроводных форматов.

В качестве альтернативы интегрированным тестовым наборам малые и средние предприятия могут выбрать для таких реализаций, как ASK / FSK, экономически эффективные решения [14–17], самые дешевые из них будут для Bluetooth и ZigBee. Например, для тестирования недорогих устройств и модулей можно использовать базовый анализатор спектра (Basic Spectrum Analyzer, BSA) N9320B / N9322C. Такой анализатор подходит для исследований, разработок и производства бытовой электроники, а также для целей ремонта и как учебное оборудование лабораторий в университетах и колледжах. Это оборудование может использоваться и для мониторинга спектра общего назначения.

Рис. 6. Система тестирования на соответствие T3111S RIDER NFC — для тестирования аналоговых и цифровых радиочастотных протоколов устройств NFC, EMV и ISO

Система тестирования на соответствие требованиям считывания на основе ближнего поля T3111S RIDER NFC, показанная на рис. 6, — это комплексное решение для тестирования аналоговых и цифровых протоколов RF устройств NFC, EMV и ISO. Тестовая система основана на испытательном комплекте NFC T1141A и дополняется роботами Keysight или FIME для точного и повторяемого радиочастотного тестирования. Система T3111S является официально утвержденной тестовой платформой для программы сертификации NFC Forum Certification. Кроме того, Keysight предлагает современное решение для инженеров-разработчиков NFC на основе осциллографа Infiniium серии S и генератора сигналов 33522B.

Анализ спектра в реальном времени

Анализ спектра в реальном времени может использоваться для решения целого ряда проблем, включая устранение падения производительности в реальных условиях и захват мешающих сигналов (преднамеренных или непреднамеренных), которые могут влиять на производительность, даже если они кратковременны и очень непродолжительны. Расширить возможности анализа можно за счет добавления дополнительных функций в анализаторы сигналов серий UXA, PXA и MXA. Опция анализатора спектра в реальном времени (Real-Time Spectrum Analyzer, RTSA) [18, 19] позволяет обнаруживать сигналы длительностью всего 3,33 нс и сканировать полосу пропускания в реальном времени с частотой до 510 МГц, а с использованием внешнего микширования — до террагерцовой частоты. Эффективный запуск дает пользователям возможность сосредоточиться на интересующем их сигнале в сложных сигнальных средах и даже увидеть небольшие сигналы на фоне присутствующих сигналов большого уровня.

Рис. 7. Результаты анализа спектра в реальном времени отображаются: а) в формате плотности; б) на спектрограмме и в зависимости мощности от времени

Дополняет RTSA ПО векторного анализа сигналов 89600A VSA, которое позволяет проводить более глубокий анализ захваченных сложных сигналов. Благодаря измерительному приложению N9077A WLAN и возможностям RTSA анализатор сигналов может точно определять помехи, вызванные сигналами в диапазонах ISM и UNII (2,4 ГГц или 5 ГГц). На рис. 7 показаны результаты анализа спектра в реальном времени в различных форматах для выявления быстрых, неуловимых или неожиданных сигналов. Дисплей обеспечивает детальное представление текущих изменений содержания спектральной среды. Цветовая шкала показывает периодичность явления, а спектрограмма представляет частотные спектры в зависимости от времени и использует цвет, чтобы указать величину интересующего сигнала.

ЭМП / ЭМС

Вопросы электромагнитных помех (ЭМП) и, как следствие, электромагнитной совместимости (ЭМС) чрезвычайно сложны и требуют самого внимательного подхода уже на ранних стадиях проектирования [20]. Для моделирования излучений электронных схем и компонентов уже в начале цикла разработки можно использовать ПО Keysight EDA EMPro. Расчетные результаты помогают определить, находятся ли выбросы в пределах уровней, определенных общими стандартами ЭМС, такими как CISPR, FCC Part 15 и MIL-STD-461G. Моделирование может помочь дизайнерам оценить уровни выбросов еще до разработки аппаратного обеспечения.

Чтобы избежать дорогостоящих задержек при выполнении проекта из-за его несоответствия требованиям ЭМС, команды разработчиков проводят предварительное тестирование на соответствие требованиям для своих новых проектов. Это помогает идентифицировать проблемы ЭМП и ЭМС на максимально ранних стадиях и принять соответствующие превентивные меры [24], а в случае выявленного несоответствия — меры по исправлению ситуации [25]. Приложение для измерения ЭМП — это ПО для испытаний на ЭМС N/W6141A для анализаторов сигнала серии X (PXA / MXA / EXA / CXA). С помощью широкого набора инструментов сбора и анализа данных, ориентированных на ЭМС, оно облегчает проведение испытаний на соответствие этим важным требованиям.

Рис. 8. Тестовая установка для проведения измерений излучаемых ЭМП

Успех тестирования на соответствие ЭМС зависит от быстрого и эффективного перемещения продуктов через очередь испытаний. Полное тестирование может проводиться в соответствии с CISPR [22] и MIL-STD [23] с помощью обновляемого приемника ЭМП N9038A MXE, выполняющего их измерения в диапазоне частот 3 Гц — 44 ГГц. В качестве комплексного решения для тестирования ЭМП партнеры Keysight Solutions предоставляют единую точку контакта для объединения MXE с камерами, антеннами, ПО, интеграцией с добавленной стоимостью, пробниками и многим другим. На рис. 8 показана тестовая установка для измерений излучаемых ЭМП.

Заключение

Решение проблем, с которыми сталкиваются разработчики устройств IoT, требует надежных и точных приборов для испытаний и измерений. Используя решения компании Keysight, инженеры могут не только быстрее выйти на рынок со своей продукцией и получить преимущество перед конкурентами, но и повысить вероятность того, что их устройства будут успешно внедрены в проектах, что и является их конечной целью.

Чтобы помочь разработчикам устройств и тем, кто занимается их выпуском и инсталляцией, оперативно решать возникающие проблемы, компания Keysight разработала ряд решений, охватывающих все фазы жизненного цикла продукта. Каждое решение для поддержки развивающихся стандартов и удовлетворения новых потребностей в тестировании и измерениях поддерживается постоянными исследованиями компании. Чтобы обеспечить разработчикам устройств доступ к передовым решениям и идти в ногу со временем, Keysight входит в состав многих отраслевых комитетов.