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Bild 1: Durch Lücken im Erfassungsprozess fehlen Daten.
Bild 2: Ein schneller zirkularer RAM-Puffer gewährleistet lückenloses Streaming vom Digitizer über den Controller zum endgültigen Speicher.
Bild 3: Eine virtuelle Gerätefront (Soft Front Panel) erlaubt die schnelle Einstellung der Parameter für Messung und Streaming.
Bild 4: Diese 262.144 µs lange Darstellung in der Zeitdomäne zeigt, dass zwei Radarpulse schmaler sind als erwartet.
Bild 5: Marker in der Software Agilent 89600 VSA zeigen die Lage des schmalen Pulses, der mit dem Data Viewer gefunden wurde.

PXI-VSA mit Streaming-Fähigkeit

Testkonfigurationen auf Basis des Datenstreamings eignen sich sehr gut für die hohen Anforderungen beim Testen von HF- und Mikrowellen-Produkten. Eine mögliche Systemkonfiguration ist der Einsatz eines PXI-basierten Vektor-Signalanalysators (VSA) mit Streaming-Fähigkeit. Das Erfassen und Analysieren unvorhersehbarer Fehler bei hohen Frequenzen und großen Bandbreiten hilft den Entwicklern, die vielen Herausforderungen beim Design von HF- und Mikrowellen-Geräten zu meistern und die Komplexität unvorhersehbarer Fehler in den Griff zu bekommen.

Testkonfigurationen auf der Basis des Datenstreamings erfassen kontinuierlich digitalisierte Daten und speichern sie in Halbleiterspeicher (SSD) oder Plattenspeichern (HDD). Danach lassen sich die lückenlos erfassten Daten auf mehrere Arten bearbeiten und detailliert analysieren. Dieser Beitrag skizziert die messtechnischen Herausforderungen des Validierens komplexer HF-Designs und präsentiert eine PXI-basierte Streaming-Lösung mit großer Bandbreite und lückenloser Datenerfassung. Es wird gezeigt, dass sich eine brauchbare Lösung auf Grundlage einiger weniger Schlüsselspezifikationen, die unmittelbar die Systemkonfiguration beeinflussen, aufbauen lässt.

Die drei Schlüsselfaktoren bei der Analyse sporadischer Fehler sind: Lücken im Datensatz, Speicherkapazität sowie die Werkzeuge für die anschließende Bearbeitung und Analyse. Lücken in den gemessenen Daten sind ein Nebeneffekt typischer Instrumentierungs-Architekturen mit begrenzter interner Speicherkapazität. Sie können bei breitbandigen Messungen oft nur einige wenige Mikro- oder Millisekunden erfassen. Jedes Mal wenn der Messprozess zurückgesetzt wird und neu startet, entsteht eine Lücke, in der keine Daten erfasst werden. Das ist bei der Suche nach nicht reproduzierbaren (intermittierenden) Fehlern problematisch, weil das gesuchte Ereignis genau in diesem Zeitraum stattfinden könnte (Bild 1). Selbst bei lückenloser Datenerfassung limitiert die verfügbare Speicherkapazität die Datenerfassung oft auf einige wenige Sekunden. Abhilfe schaffen größere interne Speicher, größere Plattenspeicher im PC und Verbindungen zu externen Speichermedien wie etwa Plattenlaufwerken mit großer Kapazität. Sobald ausreichend große Mengen lückenlos erfasster Daten vorliegen, gilt die Aufmerksamkeit den Werkzeugen zur Bearbeitung und Analyse der Daten. Sie sollten es dem Entwickler ermöglichen, auf die erfassten Daten zuzugreifen, interessierende Bereiche zu lokalisieren und verschiedene Messungen an den Daten vorzunehmen.

Mögliche Systemkonfigurationen

Drei mögliche Systemkonfigurationen eignen sich besonders für das Streaming sowie die Bearbeitung und Analyse der Daten:

  • Datenstreaming zum Hostrechner, beispielsweise einem internen oder externen PC.
  • Datenstreaming zu einem Disk-Array über einen RAID-Controller.
  • Datenstreaming zu einem Digitalen Signalprozessor über den PXI-Systembus.

Die optimale Lösung richtet sich nach den Details des Testszenariums wie Frequenzbereich und Signalbandbreite, Abtastrate und Auflösung sowie zu erwartende Erfassungszeit. Diese Parameter haben einen Multiplikationseffekt: Je größer die Werte, desto größer die Anforderungen an die Datentransferrate und die Speicherkapazität. Als Beispielszenarium sollen hier die Anforderungen für 100 MHz Streaming-Analogbandbreite und125 MSa/s komplex bei 12 bit Auflösung dienen. Die Daten werden entweder im Hostprozessor oder einem externen RAID-Array abgelegt.

Eine mögliche Lösung ist der Einsatz eines PXI-basierten Vektor-Signalanalysators (VSA) mit Streaming-Fähigkeit. Das System beinhaltet eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) zur Steuerung der Signalerfassung, ein Datenauswertungsprogramm zur Signalidentifizierung sowie die Verbindung zu einer Vektor-Signalanalyse-Software zur detaillierten Datenanalyse. Während der Stream-Erfassung landen die Daten zunächst im Halbleiterspeicher (RAM) des Digitizers. Anschließend werden sie über den schnellen PCIe-Bus in einen zirkularen RAM-Pufferspeicher des Controllers geschoben und weiter in das endgültige Speichermedium kopiert (Bild 2). Um eine lange lückenlose Datenerfassung zu gewährleisen, muss der Datentransfer vom Digitizer über den Controller zum Speicher schneller erfolgen als der Digitizer neue Daten erfassen kann.

Wichtig ist die Wahl des endgültigen Speichermediums. Ein typisches Computer-Plattenlaufwerk genügt für schmalbandige Erfassung mit Datenraten von unter 40 MB/s über einen längeren Zeitraum, schafft jedoch bei breitbandigen Signalen nur einige Sekunden. Sind sowohl große Bandbreiten als auch lange Aufzeichnungszeiten gefordert, wird ein RAID-Speichersystem mit mehreren Laufwerken benötigt.

Erfassen der Eingangssignale steuern

Im Beispielsystem bietet die virtuelle Gerätefront (Soft Front Panel – SFP) eine grafische Benutzeroberfläche, über die der Anwender das Erfassen der Eingangssignale steuern kann. Wie Bild 3 zeigt, betreffen die Einstellungen sowohl typische VSA-Parameter wie Frequenz, Eingangsleistung, Bandbreite und Triggerung als auch Streaming-Parameter. Mit Standard-Dateiprozeduren lassen sich Zieldateien im Dialog spezifizieren. Zusätzlich zur Geräteeinstellung steuert das SFP auch die Messung und überwacht den Datenfluss. Erfassungen werden mit einem „Start“-Button auf dem Bildschirm angestoßen. Sobald die Erfassung läuft, informieren Datenfluss-Indikatoren den Anwender über den Erfassungsstatus: Datenfenster, Erfassung, RAM-Puffer und Speicher. Das Datenfenster zeigt das Frequenzspektrum der erfassten Daten.

Beim Streaming selbst unterscheidet man zwei Erfassungsmodi: zeitbegrenzt oder unbegrenzt. Die Länge einer in der Dauer limitierten Erfassung ist in Sekunden spezifiziert; die Erfassung stoppt automatisch nach Ablauf. Bei unbegrenzter Erfassung muss der Anwender mit manuellen Start-, Stopp- und Abbruch-Befehlen eingreifen. Die Trigger-Verzögerungssteuerung ermöglicht auch im Streaming-Modus einen Pre-Trigger. Wird die Verzögerung auf einen negativen Wert gesetzt, werden Daten des entsprechenden Zeitraums vor dem Trigger-Ereignis erfasst. Kommt das Trigger-Ereignis, bevor die volle Verzögerungszeit abgelaufen ist, liefert der Vorgang einen kürzeren Satz von Pre-Trigger-Daten.

Die Data Viewer-Software lädt, sucht und sichert Streaming-Dateien. Sie kann die Daten bei variierenden Sample-Größen und in verschiedenen Domänen (z.B. Zeit und Frequenz) darstellen. Das in Bild 4 gezeigte Beispiel ist die Wellenform eines gepulsten Radars, dargestellt als Amplitudenantwort eines Impulszuges. Deutlich zu sehen ist, dass jeder zwölfte Puls schmaler ist als erwartet.

Erfasste Daten analysieren

Die Streaming-Dateien sind kompatibel mit der Agilent 89600 VSA Software, die weitere Analysetiefe ermöglicht. Sobald die Streaming-Datei erfolgreich geladen ist, muss der Playback-Trigger gesetzt werden. Damit steht eine Vielzahl von Messmöglichkeiten wie Zeitdomänen-Verarbeitung, FFT-basierte Spektrumsmessungen, Modulationsanalyse auf  Symbol-Ebene und andere zur Verfügung. Flexibilität ist das herausragende Merkmal eines guten Fehlersuch-Werkzeugs. Flexibilität in der Streaming-Konfiguration eröffnet vielfältige Testszenarien. Flexibilität in der anschließenden Analyse erleichtert die Fehlersuche, die dem HF- und Mikrowellen-Entwickler dabei helfen, die Komplexität unvorhersehbarer Fehler in den Griff zu bekommen.