24.06.2020
Grundlagen

Interaktives Debugging in Multi-Domain-Umgebungen am Beispiel von IoT-Anwendungen

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  • Oszilloskop mit eigenem neuen Chipset (DS-MSO7000)
  • Abb. 1: RSA Dichtigkeit in Kombination mit Spektrogramm
  • Abb. 2: RSA Leistung vs. Zeit
  • Abb. 3: Kombination eines Echtzeitspektrum-Analyzers mit einem Oszilloskop für Multi-Domain-Untersuchung
  • Abb. 4: RSA-Erfassung mit Leistungstrigger
  • Abb. 5: 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.

Ein neuer Echtzeit-Spektrum-Analysator ist so konfiguriert, dass eine Echtzeit-Visualisierung für eine Multi-Domain-­Untersuchung durchgeführt werden kann. Zusammen mit einer neuen Oszilloskop-Serie kann eine neue Version die

Brücke zwischen HF-Analyse und eingebetteten Signalen schließen und somit echte Multi-Domain-Analysen realisieren. Die anhaltende Verbreitung von Neuentwicklungen im Bereich des IoT und die komplexen Anforderungen, die die HF-Integration mit sich bringt, führt dazu, dass Entwickler Testgeräte benötigen, die über unterschiedliche Disziplinen hinweg verwendet werden können. Eine einzelne IoT-Entwicklung kombiniert die HF-Übertragung, digitale und analoge Design-Elemente miteinander. Daraus resultiert, dass der Entwicklungsingenieur deshalb mit einer vielseitigen Entwicklung umgehen muss, die beides beinhaltet, die Analyse des HF-Design und die gleichzeitige Untersuchung von weiteren Untersystemen, die durch die Wechselwirkung 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 (z. B. Gehäuse) liegen kann. Um komplexe Messanforderung mit Flexibilität adressieren zu können, bietet Rigol die neuen Echtzeit-Spektrum-Analysatoren (RSA5000, RSA3000) [RSA] sowie das neue Oszilloskop mit dem eigen entwickelten Chipsatz (DS-MSO7000) [MSO] an. Beide Geräte bieten vielseitig integrierte Testmöglichkeiten an, um eine IoT-Entwicklung in ihrer kompletten Anwendung und Komplexität gerade in der Untersuchung (Debuggen), im Vergleich von zusammenhängenden Ereignissen (Korrelation), und der generellen Analyse durchzuführen. Im Gegensatz zu anderen Echtzeit-Spektrum-Analyzern bietet die RSA5000/RSA3000-Serie eine Kombination zwischen traditionellen sweep-basierenden und einem Echtzeit-Spektrum-Analyzer mit unterschiedlichen integrierten Triggermethoden und einem Zwischenfrequenz(ZF)-Ausgang an, um zusammen mit einem Oszilloskop eine erweiterte Multi-Domain Analyse durchzuführen.

Untersuchung (Debuggen)

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, 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 vs. 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 Mpts und die Aufzeichnungsfunktion die Möglichkeit, sehr lange Signallaufzeiten aufzunehmen und zu analysieren. In der Untersuchung wird allerdings zuerst auf die HF-Messung mit dem Echtzeit-Spektrum-Analyzer 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 bzw. der Wiederholrate eines Signals innerhalb eines Erfassungszeitraums darzustellen.
Mit den unterschiedlichen Echtzeit-Messungen kann jeder HF-Fehler erfasst und zusätzlich analysiert werden, das heißt 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 8.192 Zeilen dazu schalten. Zum anderen kann über die gesamte Echtzeitbandbreite eine Leistungsanalyse über die Zeit (PvT) durchgeführt werden. PvT entspricht einer Hochauflösung einer Spektrogramm-Zeile in 1.024 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 Abbildung 1 wurde ein Frequenzsprung-Signal mit einer FSK-Modulation vermessen. Mit 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 vermessen werden. Für sehr schnelle transiente Ereignisse wie es zum Beispiel bei einem 2FSK-Signal der Fall ist, kann man dann mit der Darstellung PvT zusätzlich die Signal-Charakterisierung am Signal-Burst durchführen.
Abbildung 2 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 Abbildung 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 Leistungstrigger (in diesem Fall >-60 dBm).  
Die individuellen Pulse aus Abbildung 2 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 verwendet und an den ZF-Ausgang des RSA5000/RSA3000 angeschlossen werden.
Eine der Herausforderungen bei der Analyse einer HF-Übertragung oder einer ungewollten Abstrahlung liegt im Auftreten eines Störsignals, das seinen Ursprung aus einem anderen Funktionsbereich des IoT-Boards hat. Das ist der Punkt, bei dem die Korrelationsmessung zur interaktiven Untersuchung wichtig wird.

Vergleich von zusammenhängenden Ereignissen (Korrelationsmessung)

Sobald Fehler entdeckt sind, ist es oft notwendig, Ihren Einfluss auf andere eingebettete Signalkomponenten oder Datenpakete von seriellen Bussystemen zu untersuchen, um den Ursprung herauszumessen. In Abbildung 3 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-Analysers verbunden. Zudem ist der ZF-(IF)-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 Arten zu triggern.
Die erste Methode erfolgt durch die Selbst-Triggerung des Oszilloskops. Mit dem RSA im Echtzeit-Modus kann eine Messung (z.B. 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 vermessen. Das Oszilloskop kann man jetzt auf die HF-Änderung des ZF-Signals vom RSA triggern. Diese Änderungen können jetzt mit den anderen Bussignalen (gemessen mit den digitalen Kanälen des MSO) verglichen werden. Gegenseitige Einflüsse der Bussignale und der HF-Signale können jetzt mit dem Oszilloskop analysiert werden. 
Die zweite Methode verbessert die detaillierte Analyse durch das Sicherstellen, das beide Geräte gleichzeitig auf Pause gesetzt werden. Das lässt sich 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 durchschreitet, wird der Trigger ausgelöst. Zusätzlich kann mit dem Oszilloskop auch eine einfache Darstellung des Spektrums gezeigt werden. Das DS-MSO7000 nutzt hierzu 1 Million Abtastpunkte, um die FFT zu berechnen und darzustellen. Somit lässt sich auch mit dem Oszilloskop eine sehr gute Frequenzdarstellung erzeugen. Das Spektrum lässt sich in unterschiedlichen Farben darstellen. Die Farben ändern sich je nach Erfassungswahrscheinlichkeit über die Zeit. Somit lässt sich auch im Oszilloskop feststellen, welche Signalkomponenten häufiger auftreten als andere. Die Verwendung der FFT ist optimal einsetzbar, um noch einmal den Frequenzbereich von komplexen zeitlich zusammenhängenden Ereignissen darzustellen, mit dem DS-MSO7000 zu analysieren und die Analyse von HF-Muster gleichzeitig auf dem RSA in Echtzeit zu messen.
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 Abbildung 4 wurde der Leistungstrigger verwendet, um ein 2FSK-Puls zu erfassen. Das ZF-Signal und das Trigger-Signal  des RSA wird am Oszilloskop (Kanal 2 und Kanal 1) zusätzlich vermessen (siehe Abb. XX). Beide Geräte triggern zusammen, sobald der Leistungstrigger bei einer Frequenz von 2,4 GHz der Level von -70 dBm überschritten wird. Sobald potentielle Fehler auftreten und diese sich über die unterschiedlichen Funktionsbereiche auswirken, dann kann das jetzt mit der genannten Konfiguration vermessen werden. Mögliche Design-Verbesserungen sind außerdem sofort sichtbar.   

Analyse der Datenbusse

Nachdem die Fehler identifiziert und die zusammenhängenden Verhaltensweisen der eingebetteten und der HF-Signale dargestellt wurden, können die seriellen Datenbusse genauer analysiert werden. Mit einer Speichertiefe von bis zu 500 Mpts 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 ein inkonstanter Fehler auf den ungewünschten Einfluss nachvollzogen werden kann. In programmierbaren Komponenten wie FPGAs liegt oft die Ursache von vielen dieser Fehler begründet. Ein Weg um die Qualität solcher Komponenten zu Untersuchen und deren Verifizierung liegt in der Überwachung eines gewissen Zeitraumes. Hierzu kann eine bekannte kontinuierliche Datenübertragung verwendet werden, um Logik- oder Zustandsfehler zu erkennen. Ein im Oszilloskop integriertes Multimeter kann für die schnelle Überprüfung von Spannungswerten verwendet werden.
Rigols Aufnahme-/Rekord-Modus ist ein weiteres Werkzeug für die Multi-Domain-Analyse im DS-MSO7000. Mit der Aufnahme 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 ist elementar, um das zugrunde liegende Problem zu beseitigen. In Abbildung 5 wurde der Trigger (lila Kurve) und der ZF-Puls 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) von den eingebetteten Signalen. Durch die Wellenform-Erfassungsrate von 600.000 wfms/s lassen sich auch schnelle und kleine Signal-Glitches schnell erfassen. Durch die Verwendung der Aufnahme ist die Korrelation zwischen dem gestörten eingebetteten Signal und des ZF-Signals 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 2-Kanal-Arbiträr-Funktionsgeneratoren können auch dazu genutzt werden, die Signale auf dem Bildschirm zu erfassen und wieder zu geben. Somit lässt sich auch eine genauere Analyse durchführen.
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 Echtzeitspektrum Analysator vermessen werden. Dabei wird für das 2FSK-Signal die Frequenzabweichung und die Amplitudengenauigkeit gemessen. Diese Messung kann man auch mit einer Pass/Fail-Maske überprüfen. 

Fazit: Mehrwert für Debugging-­Anwendung

Der RSA3/RSA5-Echtzeit-Spektrum-Analysator von Rigol ist so konfiguriert, um eine Echtzeit-Visualisierung für eine Multi-Domain-Untersuchung durchzuführen. Zusammen mit der neuen Oszilloskop-Serie DS-MSO7000 kann gerade die 500MHz-Version die Brücke zwischen HF-Analyse und eingebetteten Signalen schließen und somit echte Multi-Domain-Analysen realisieren. Das beinhaltet auch die Analyse einer zeitlichen Korrelation zwischen HF- und eingebetteten-Signalen, Konfiguration von unterschiedlichen Trigger-Methoden abhängig wiederum von den verschiedenen Signalarten und fügt noch eine Echtzeit Visualisierung von HF-Signalen hinzu. Diese Analysemöglichkeit der beiden Geräte liegt bei einem guten Preis-/Leistungsverhältnis unter dem bisher bekannten Niveau und eröffnet neue Messmethoden. Diese Funktionen machen die RSA500/RSA3000-Serie sowie die DS-MSO7000-Serie zu einem wichtigen Bestandteil der Multi-Domain-Analyse. Rigol bringt somit einen deutlichen Mehrwert für Debugging-Anwendungen im HF- und Embedded-Projekten gerade im Bereich IoT, indem Ingenieure viel Zeit und Geld sparen.

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