3.3.2. Tryb Ultra-Segmentation

W poprzedniej części została podkreślona istotność tempa akwizycji przebiegów przy założeniu, że błędy występują w sposób losowy. To założenie jest spełnione w wielu sytuacjach, jednak w niektórych zastosowaniach, na przykład wykorzystujących sygnały impulsowe, wysokie tempo akwizycji nie przekłada się na poprawę wyników. W takim przypadku konieczne jest przechwycenie wszystkich impulsów, a nie tylko niektórych. Jeśli oscyloskop jest w stanie wyzwolić się, gdy nadchodzi interesujący sygnał, istotne jest zmniejszenie czasu martwego, aby zdążyć przed nadejściem kolejnego impulsu.

W takich sytuacjach pomocny jest tryb Ultra-Segmentation dostępny w RTO. Na rys. 9 widać, że czas martwy składa się z dwóch części o różnej długości (t_fb = 0,3 ms, t_vb = 0,9 ms). Dominującym składnikiem jest czas fazy przetwarzania t_vb. Kolejkowanie kolejnych czasów akwizycji pozwala wyeliminować czas martwy (patrzy rys. 9). Z tego powodu w trybie Ultra-Segmentation przebiegi na ekranie nie są odświeżane. Dopiero po zakończeniu akwizycji podgląd zarejestrowanych przebiegów staje się dostępny w trybie historii.

Na rys. 12. pokazano zalety trybu Ultra-Segmentation omijającego zmienny czas martwy. Po wyzwoleniu w chwili czasowej t₁ i akwizycji impulsu (1-n) następuje próbkowanie trwające t_s. Następnie oscyloskop potrzebuje tylko stałego czasu t_fb, zanim będzie gotowy do następnego wyzwolenia, co pozwala przeprowadzić akwizycję kolejnego impulsu.

Rys. 12. Cykl pracy oscyloskopu cyfrowego w trybie Ultra-Segmentation

Tryb Ultra-Segmentation jest uruchamiany przez naciśnięcie przycisku„HORIZONTAL” na panelu przednim i wybór zakładki „Ultra Segmentation”. Pojawia się okno dialogowe, w którym użytkownik może uruchomić ten tryb i określić liczbę przebiegów, które mają zostać zarejestrowane.

Fot. 13. Okno dialogowe trybu Ultra-Segmentation

Po zakończeniu wszystkich akwizycji w trybie Ultra-Segmentation, użytkownik może przejść do trybu historii oraz uruchomić automatyczne odtwarzanie, wciskając przycisk „Show History”. Ten sam efekt da wciśnięcie przycisku „HISTORY” na panelu przednim. W tym momencie użytkownik może używać wszystkich funkcji, co opisano w części 3.1.

3.4.  Ograniczenia trybu historii

Tryb historii jest obarczony pewnymi ograniczeniami. Po pierwsze, odczyt pamięci akwizycji jest możliwy dopiero po zatrzymaniu akwizycji, co zostało opisane wcześniej. Rozpoczęcie nowej akwizycji oznacza usunięcie dotychczasowych przebiegów z pamięci. Może to nastąpić po wciśnięciu przycisku „RUN” na panelu przednim lub wysłaniu podobnej komendy. Po drugie, dodanie kanału wejściowego lub zmiana skali czasowej spowoduje usunięcie danych z pamięci akwizycji, nawet jeśli akwizycja została wstrzymana.

Istnieją też dwa różne tryby akwizycji, dla których tryb historii nie jest dostępny – tryb próbkowania „equivalent time” i tryb „roll”. Ze względu na nietypowe wykorzystanie pamięci w tych trybach, zarejestrowane dane nie są dostępne w trybie historii.

W pamięci akwizycji mieści się ograniczona liczba zarejestrowanych przebiegów. Liczba ta jest określana jako głębokość historii. Można ją przybliżyć wzorem

Tabela 2

W zależności od ustawień trybu decymacji, trybu operacji arytmetycznych na przebiegach lub aktywnych operacji matematycznych na sygnałach, głębokość historii może się zmniejszyć. Gdy kanał wejściowy jest nieużywany, kanał aktywny może alokować próbki w tej pamięci. Na przykład oscyloskop z czterema kanałami i 20 milionami próbek na kanał może wykorzystać pamięć na 80 milionów próbek dla jednego kanału, jeśli pozostałe kanały są nieaktywne.

4. Przykłady zastosowań

Zanim zostaną przedstawione przykłady zastosowań, warto zapoznać się z konfiguracją oscyloskopu i dobrać ustawienia tak, aby zmaksymalizować korzyści płynące z trybu historii.

4.1.  Schemat konfiguracji podstawy czasu

Najważniejszym ograniczeniem jest wybór odpowiedniej częstotliwości próbkowania zgodnie z twierdzeniem o próbkowania Nyquista-Shannona. Mówi ono, że częstotliwość próbkowania powinna być przynajmniej dwukrotnie większa od najwyższej częstotliwości składowej występującej w sygnale. W przypadku sygnałów impulsowych o częstotliwościach radiowych należy uwzględnić harmoniczne częstotliwości nośnej i szerokość pasma modulacji.

Po określeniu częstotliwości próbkowania należy wybrać czas akwizycji i długość rejestracji. Wszystkie trzy parametry można ustawić w oknie dialogowym „HORIZONTAL” (fot. 4). Są one ze sobą powiązane, gdyż częstotliwość próbkowania pomnożona przez czas akwizycji stanowi długość rejestracji. Dla sygnału impulsowego maksymalna długość impulsu stanowi minimalny czas akwizycji.

W przypadku sygnału cyfrowego określenie potrzebnego czasu akwizycji może nie być tak oczywiste, jak w przypadku sygnału impulsowego. Wybór zależy w dużej mierze od zawartości sygnału. Długość pojedynczego symbolu może być dobrym wyborem. W przypadku protokołu UART będzie to 10 bitów, czyli jeden bajt danych wraz z bitami stopu.

Ostatnią kwestią jest dobór czasu obserwacji. W przypadku sygnałów impulsowych należy określić liczbę impulsów do obserwacji. W każdej sytuacji użytkownik powinien upewnić się, czy wymagana ilość pamięci mieści się w dostępnej głębokości historii oscyloskopu, korzystając z obliczeń przedstawionych w części 3.4.

4.2.  Sygnały radarów impulsowych

Po wstępie teoretycznym czas zapoznać się ze szczegółami sygnału radaru impulsowego. W tym przykładzie zademonstrowano kilka możliwości RTO, w tym analizę w dziedzinie częstotliwości na kilku zarejestrowanych przebiegach oraz związane z tym testowanie z maską, jak również pomiary w dziedzinie czasu. Jednocześnie będzie to demonstracja uzyskania niezwykle krótkiego czasu martwego przez oscyloskop RTO w trybie Ultra-Segmentation. Daje to gwarancję, że wszystkie potrzebne dane zostaną zarejestrowane, a wynik akwizycji będzie wiarygodny. Warto podkreślić, że tryb Ultra-Segmentation i tryb historii to zupełnie różne tryby, ale przebiegi zarejestrowane w trybie Ultra-Segmentation stają się dostępne tylko w trybie historii.

Aby ograniczyć opis do funkcji wprowadzonych w RTO, w nocie aplikacyjnej przyjęto pewne założenia upraszczające konfigurację sprzętową. Zamiast mierzyć sygnały świata zewnętrznego i aby zapewnić kontrolę nad pomiarem, do generacji złożonego ciągu impulsów został wykorzystany wektorowy generator SMBV100A Rohde & Schwarz. Kanał 1 oscyloskopu został dołączony bezpośrednio do wektorowego generatora sygnału z terminacją 50 Ω. Nominalna częstotliwość nośna sygnałów to 400 MHz, co nie jest typowe dla radarów, ale prawdziwe urządzenia tego typu dokonują najpierw konwersji z pasma RF do częstotliwości pośredniej. Oscyloskop RTO może bezpośrednio zarejestrować i zmierzyć sygnał 400 MHz.

Sygnał radaru składa się z sekwencji impulsów trzech różnych typów, tworzących ciąg w sumie 21 impulsów. Fot. 15. przedstawia cały ciąg tych impulsów zaobserwowany w czasie jednej akwizycji. Taki ciąg jest powtarzany co 100 ms – podobnie, jak w rzeczywistych radarach. Parametry impulsu typu „chirp” są opisane na rys. 14. Pierwszy typ impulsu (typ 1) występuje tylko raz i charakteryzuje się przestrajaniem częstotliwości o 2 MHz w dół na przestrzeni 8 ms. Jest również przesunięty o 2 MHz w stosunku do częstotliwości nośnej. Przy ustawieniu skali poziomej 500 ms na działkę impuls jest ledwo widoczny ze względu na niską amplitudę i bliskość kolejnego impulsu. Następne impulsy, oznaczone jako typ 2 to sygnały przestrajane liniowo w zakresie 3,5 MHz powyżej częstotliwości nośnej i szerokości 5 ms, powtarzane 10 razy w odstępach co 80 ms. Ostatnie impulsy należące do typu 3 również są przestrajane w zakresie 3,5 MHz, tym razem w dół poniżej częstotliwości nośnej. Ich długość wynosi 13 ms. Każdy z typów impulsów ma inną amplitudę.

Rys. 14. Parametry impulsu typu „chirp”

Na podstawie tych parametrów sygnału, rozdzielczość podstawy czasu został ustawiona na 400 ps, aby spełnić kryterium Nyquista dla harmonicznych częstotliwości nośnej. Przy długości rejestracji 12,5 miliona próbek i ciągłej akwizycji oznacza to 5 ms na przebieg, dzięki czemu oscyloskop wyświetla pełen ciąg impulsów. Tempo akwizycji jest wolne, ponieważ ciąg impulsów pojawia się tylko 10 razy na sekundę w odstępach 100 ms.

Analiza powinna obejmować wiele ciągów impulsów, gdyż analiza pojedynczego ciągu jest niewystarczająca. Wobec tego w kolejnym kroku całkowity czas obserwacji został wydłużony do 3 sekund. Ponieważ ciąg powtarza się co 100 ms, a wymagana rozdzielczość to 400 ps, użycie trybu historii jest niezbędne. Aby zwiększyć zdolność wykrycia należy zredukować czas martwy, a zatem został użyty tryb Ultra-Segmentation. Mając wiedzę a priori o szeregu impulsów może to wydawać się nielogiczne, lecz podczas rejestracji nieznanego ciągu o nieznanym czasie powtarzania będzie to istotne. Rozdzielczość czasowa nadal wynosi 400 ps, długość rejestracji to 50 tysięcy próbek, co daje czas akwizycji 20 ms dla 600 ciągów impulsów. Bez trybu historii wymagana pamięć z pewnością przekroczyłaby dostępną jej pojemność.

Aby ocenić zaproponowana konfigurację, należy upewnić się, że wszystkie szczegóły sygnału zostały zarejestrowane. Z tego powodu pierwszym krokiem jest analiza chwil czasowych. Skrypt Matlaba (załącznik 1) oblicza chwile czasowe każdego zapisanego przebiegu. Dalsza analiza dowodzi, że wszystkie czasy zostały zapisane poprawnie.

Fot. 15. Ciąg impulsów

Na fot. 21 zarejestrowanych impulsów jest przedstawionych na odcinku 5 ms. Pozostałe 95 milisekund, podczas których radar nie pracuje, nie zostały pokazane w celu poprawy czytelności. Niestety odległość między pierwszym a drugim impulsem równa 20,29846 ms jest niewielka. Ponieważ czas akwizycji (t_s) wynosi 20 ms, okres między akwizycją numer -34 a -33 jest równy zaledwie 298 nanosekund, co odpowiada minimalnemu czasowi martwemu (t_fb). Rejestracja impulsów w tak małej odległości stanowi poważne wyzwanie dla oscyloskopu cyfrowego.

Fot. 16. Zarejestrowane chwile czasowe

Drugim krokiem jest sprawdzenie poszczególnych impulsów. Analizę interesujących parametrów można wykonać przy użyciu funkcji pomiarowych, jak długość impulsu czy amplituda. Użytkownik może też chcieć zbadać parametry w dziedzinie częstotliwości, jak szerokość pasma impulsu „chirp”. W tym celu wystarczy skonfigurować funkcję MATH FFT oscyloskopu z częstotliwością środkową 400 MHz i szerokością pasma 12,5 MHz i zastosować funkcję pomiarową „signal bandwidth” do widma. Najlepsze rezultaty daje uśrednienie obrazu i użycie okna Hamminga. Ten rodzaj okna jest zalecany w instrukcji użytkownika dla sygnałów sinusoidalnych. Aby upewnić się, że pasmo wszystkich przebiegów mieści się w zakresie 3,5 MHz wokół częstotliwości nośnej 400 MHz, użytkownik może dodać maskę i sprawdzić to dla wszystkich impulsów.

Ta konfiguracja jest pokazana na fot. 17. Wyniki pomiarów długości impulsu i pasma sygnału zgadzają się z oczekiwanymi parametrami. Aby sprawdzić wyniki dla wszystkich przebiegów, wystarczy wcisnąć przycisk „PLAY” w oknie historii, dzięki czemu zostanie przeprowadzony pomiar dla wszystkich przebiegów w pamięci.

Wyniki pokazują, że impulsy typu 2 oraz 3 wychodzą poza maskę, zgodnie z zamierzeniem. Dla impulsu typu 1 test z maską w dziedzinie częstotliwości pokazuje odpowiednie przesunięcie częstotliwości środkowej o 2 MHz (patrz fot. 18). Wynik pomiaru zawężonego pasma sygnału to 2 MHz.

Podsumowując, wysoka rozdzielczość czasowa i długi czas obserwacji są kluczowe w analizie sygnałów impulsowych w dziedzinie czasu oraz częstotliwości. Oscyloskopy RTO spełniają te wymagania. W trybie historii dostępny jest pełen zestaw funkcji pomiarowych, tak samo jak w standardowym trybie akwizycji ciągłej lub trybie „RUN Nx SINGLE”.

Fot. 17. Impuls radarowy typu 3

Fot. 18. Impuls radarowy typu 1