Interaktives Debugging in Multi-Domain-Umgebungen

Bild 1: Der Echtzeit-Spektrumanalysator RSA5000 von Rigol. Rigol

Die anhaltende Verbreitung von Neuentwicklungen im Bereich Internet der Dinge (IoT) und die komplexen Anforderungen, die die Hochfrequenz-Integration mit sich bringt, führt dazu, dass Entwickler Messgeräte benötigen, die in unterschiedlichen Disziplinen verwendet werden können. Eine einzelne IoT-Entwicklung kann die HF-Übertragung, digitale und analoge Design-Elemente miteinander kombinieren. Daraus resultiert, dass Designer oft Schaltungen vermessen müssen, die beides enthalten, die Analyse des HF-Designs und die gleichzeitige Untersuchung von weiteren Subsystemen, die durch Wechselwirkungen beeinflusst werden können. Designprobleme können in eingebetteten oder HF-Signalen sowie durch ungewollte Abstrahlung entstehen, während die Ursache in einem dieser Signale oder in dem mechanischen Design (zum Beispiel Gehäuse) liegen kann. Im Gegensatz zu anderen Echtzeit-Spektrumanalysatoren bietet die RSA5000/RSA3000-Serie eine Kombination aus traditionellem sweep-basierenden und Echtzeit-Spektrumanalysator mit unterschiedlichen integrierten Triggern und einem Zwischenfrequenz-(ZF)-Ausgang an, um zusammen mit einem Oszilloskop eine erweiterte Multi-Domain-Analyse durchzuführen.

Debugging

Eine Identifizierung von Ereignissen beginnt mit dem Erfassen und der Verifikation eines Signals im Zeit- oder Frequenzbereich. Einer der Vorteile der RSA5000/RSA3000-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 DS-MSO7000 erweitert werden. Das Oszilloskop bietet durch seine maximale Speichertiefe von bis zu 500 Megapunkten und der Aufzeichnungsfunktion die Möglichkeit, sehr lange Signallaufzeiten aufzunehmen und zu analysieren. In diesem Beitrag wird allerdings zuerst auf die HF-Messung mit dem Echtzeit-Spektrumanalysator 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 Bild 2 zu sehen ist, sind auch überlagernde Signale deutlich zu erkennen. Blaue Signalkomponenten treten sehr selten in Erscheinung, während grüne und gelbe Signalkomponenten häufiger auftreten.

Bild 2: Dichtigkeits-Messung von einem versteckten Signal-Artefakt. Rigol

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 Dichte-Analyse auch ein Spektrogramm mit einer Historie von bis zu 8192 Zeilen dazu schalten. Zum anderen kann über die gesamte Echtzeitbandbreite eine Leistungsanalyse über die Zeit (PvT) durchgeführt werden. PvT entspricht einer Auflösung einer Spektrogramm-Zeile in 1024 Abtastwerten. Hierbei kann man die Zeiteinheit von Mikrosekunden bis Sekunden variieren und einstellen. Auch eine Kombination der unterschiedlichen Darstellungen ist möglich.

Während die Dichte-Messung anzeigt, wie oft ein Signal entlang des Spektrums aktiv ist, zeigt das Spektrogramm die Zeitsequenz über eine längere Zeitdauer an. In Bild 3 wurde ein Frequenzsprungsignal mit einer FSK-Modulation vermessen. Bei 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 gemessen werden. Für sehr schnelle transiente Ereignisse wie es zum Beispiel bei einem 2FSK-Signal der Fall ist, kann man dann mit der PvT-Darstellung zusätzlich die Signal-Charakterisierung am Signal-Burst durchführen.

Bild 3: RSA zeigt Dichtigkeit zusammen mit Spektrogramm. Rigol

Bild 4 zeigt dasselbe Signal zusammen mit der PvT-Darstellung (oberer Bereich). In dieser Darstellung kann mit dem Marker eine 1-ms-Widerholrate des Pulses herausgemessen werden. Das Spektrogramm (linke Seite) zeigt dasselbe Frequenzsprungsignal wie in Bild 3 und die Frequenzdarstellung (unterer Bereich) zeigt die letzte Erfassung des 2FSK-Signals. Das Gerät triggert dann, wenn die Leistung des Signals größer ist als der Pegel des Leistungstriggers (in diesem Fall mehr als -60 dBm).

Die individuellen Pulse aus Bild 4 sind sehr kurz und können noch einmal in PvT mit einer kleineren Zeiteinheit genauer analysiert werden. Um eine sehr genaue Auflösung eines Pulses zu erreichen und diesen zusätzlich im Zusammenhang mit weiteren Signalen des IoT-Boards zu vermessen, kann das 500-MHz-Oszilloskop DS-MSO7054 (Bild 5) verwendet und an den ZF-Ausgang des RSA5000/RSA3000 angeschlossen werden.

Bild 4: RSA zeigt Leistung versus Zeit. Rigol

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 Punkt bei dem die Korrelationsmessung zur interaktiven Untersuchung wichtig wird.

Auf der nächsten Seite sind Korrelationsmessung und Analyse Thema.

Korrelationsmessung

Sobald Fehler entdeckt sind, ist es oft notwendig, ihren Einfluss auf andere eingebettete Signalkomponenten oder Datenpakete von seriellen Bussystemen zu untersuchen um den Ursache herauszufinden.

Bild 5: Das Oszilloskop DS-MSO7000 mit eigenem neuen Chipsatz. Rigol

In Bild 6 sind drei unterschiedliche Verbindungsmöglichkeiten zwischen dem RSA5000/RSA3000 und dem DS-MSO7000 dargestellt. Dieser Messaufbau ermöglicht alle interaktiven Untersuchungsmethoden (Debuggen). Der Trigger-Ausgang des RSA5000/RSA3000 ist mit dem Trigger-Eingang oder mit Kanal 1 des DS-MSO7000 verbunden. Der Trigger-Ausgang des Oszilloskops ist mit dem Trigger-Eingang des Echtzeit-Analysators verbunden. Außerdem ist der ZF-Ausgang des RSA5000/RSA3000 an Kanal 2 (50 Ω) des DS-MSO7054 (500 MHz) angeschlossen. Jetzt können beide Geräte eingestellt werden, um auf drei unterschiedliche Art und Weisen 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 einfach mit einem 500-MHz-Oszilloskop messen. Das Oszilloskop kann man jetzt auf die HF-Änderung des ZF-Signals vom RSA triggern. Diese Änderungen können anschließend mit den anderen Bussignalen (gemessen mit den digitalen Kanälen des MSO) verglichen werden. Gegenseitige Einflüsse der Bussignale und der HF-Signale sind dann mit dem Oszilloskop analysierbar.

Bild 6: Kombination eines Echtzeit-Spektrumanalysators mit einem Oszilloskop für die Multi-Domain-Untersuchung. Rigol

Die zweite Methode verbessert die detaillierte Analyse dadurch, dass beide Geräte gleichzeitig auf Pause gesetzt werden können. Das lässt sich dadurch 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 optimal genutzt werden. Mit dem Touchscreen lässt sich ein Viereck an beliebiger Stelle mit beliebiger Größe erzeugen. Sobald das Signal die Zone durchläuft, wird der Trigger ausgelöst. Zusätzlich kann mit dem Oszilloskop auch eine einfache Darstellung des Spektrums gezeigt werden. Das DS-MSO7000 nutzt hierzu eine Million Abtastpunkte um die FFT zu berechnen und darzustellen. Somit lässt sich auch mit dem Oszilloskop eine gute Frequenzdarstellung erzeugen. Das Spektrum kann in unterschiedlichen Farben dargestellt werden. Die Farben ändern sich je nach Erfassungswahrscheinlichkeit über die Zeit. Somit lässt sich auch im Oszilloskop feststellen, welche Signalkomponenten häufiger auftreten als andere. Die FFT ist optimal einsetzbar um noch einmal den Frequenzbereich von komplexen zeitlich zusammenhängenden Ereignissen darzustellen, mit dem DS-MSO7000 zu analysieren und die HF-Muster gleichzeitig auf dem RSA in Echtzeit zu messen.

Bild 7: RSA-Erfassung mit Leistungstrigger. Rigol

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. In Bild 7 wurde der Leistungstrigger verwendet um einen 2FSK-Puls zu erfassen. Das ZF-Signal und das Trigger-Signal des RSA werden am Oszilloskop (Kanal 2 und Kanal 1) zusätzlich vermessen (Bild 8). Beide Geräte triggern zusammen, sobald der Leistungstrigger bei einer Frequenz von 2,4 GHz und der Level von -70 dBm überschritten wird. Sobald potenzielle Fehler auftreten und diese sich über die unterschiedlichen Funktionsbereiche ausbreiten, dann kann das jetzt mit der genannten Konfiguration gemessen werden. Mögliche Design-Verbesserungen sind außerdem sofort sichtbar.

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 bis zu 500 Megapunkten kann man bei der Serie DS-MSO7000 das zu analysierende Signal sehr lange mit einer hohen Abtastrate aufzeichnen und zum Beispiel Änderungen vor und nach einem möglichen HF-Event analysieren. Die zeitliche Analyse ist besonders wichtig, da gerade inkonstante Fehler nachvollzogen werden können. In programmierbaren Komponenten wie FPGAs liegt oft die Ursache in vielen dieser Fehler begründet. Ein Weg um die Qualität solcher Komponenten zu untersuchen und zu verifizieren, liegt in der Überwachung eines bestimmten Zeitraumes. Hierzu kann eine bekannte kontinuierliche Datenübertragung verwendet werden um Logik- oder Zustandsfehler zu erkennen. Ein im Oszilloskop integriertes Multimeter lässt sich zur schnellen Überprüfung von Spannungswerten verwenden.

Bild 8: Das Oszilloskop DS-MSO 7000 zeigt das ZF- und das Trigger-Signal vom RSA sowie vom digitalen Bussystem des IoT-Designs. Rigol

Rigols Aufnahme/Rekord-Modus ist ein weiteres leistungsstarkes Werkzeug für die Multi-Domain-Analyse im DS-MSO7000. In dem Modus 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 sind elementar, um das zugrunde liegende Problem zu beseitigen. In Bild 9 wurden der Trigger (lila Kurve) und der ZF-Impuls 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) der eingebetteten Signale. Durch die Wellenform-Erfassungsrate von 600.000 Wellenformen pro Sekunde lassen sich auch schnelle und kleine Signal-Glitches schnell erfassen. Durch die Verwendung der Aufnahme ist die Korrelation zwischen dem gestörten eingebetteten Signal und dem ZF-Signal 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. Die im MSO7000 integrierten Zweikanal-Arbiträr-Funktionsgeneratoren können auch dazu genutzt werden, die Signale auf dem Bildschirm zu erfassen und wiederzugeben. Somit lässt sich auch eine genauere Analyse durchführen.

Bild 9: DS-MSO 7000 Serie: Die Oszilloskop-Erfassung zeigt ein Glitch in der Mitte der Pass/Fail-Maske das mit der Aufnahme von Rahmen durchgeführt wurde. Rigol

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 gemessen werden. Dabei werden für das 2FSK-Signal die Frequenzabweichung und die Amplitudengenauigkeit gemessen. Diese Messung kann man auch mit einer Pass/Fail-Maske überprüfen. In Bild 10 ist das Ergebnis von einem 2FSK-Frequenzsprungsignal zu sehen.

Bild 10: 2FSK-Analyse mit dem Spektrumanalysator RSA5000. Rigol

(jj)