USB-Spektrumanalysator: Performant trotz Kompromissen

Datenverarbeitung erst auf dem PC und die Stromversorgung über USB machen ein Messgerät einfacher und günstiger. Gleichzeitig wird jedoch die erreichbare Leistung eingeschränkt. Welche Kompromisse ging Tektronix für den Spektrumanalysator RSA306 ein, um dennoch ein leistungsfähiges Messgerät zu erhalten?

Der RSA306 ist ein Echtzeit-Spektrumanalysator, der die Messungen mit einem schnellen Digitizer ausführt und das Spektrum über der Echtzeit-Erfassungsbandbreite mittels einer Fourier-Transformation kontinuierlich aktualisiert. Größere Bandbreiten lassen sich durch die Veränderung der Frequenz des Überlagerungsoszillators im Instrument und einer abschnittsweisen Untersuchung des gewünschten Frequenzbereichs in Schritten entsprechend der Echtzeit-Bandbreite untersuchen.

Das Eigenrauschen des RSA306 ist sehr gering und mit einem eigenständigen Laborinstrument vergleichbar. Ein Labor-Instrument der mittleren Leistungsklasse wie der RSA5106B bietet jedoch einen um 25 dB besseren störsignalfreien Dynamikbereich und ein geringeres Phasenrauschen als der RSA306. Welche Design-Kompromisse diese Leistungseinschränkungen beim RSA306 verursachen, wird nachfolgend erläutert.

Architektur des Instruments

Die vermutlich markanteste Änderung bei diesem Instrument gegenüber der Architektur eines konventionellen Echtzeit-Analysators ist die Datenverarbeitung. In einem typischen Echtzeit-Spektrumanalysator werden die Daten digital heruntergewandelt und im Aufzeichnungsspeicher der Hardware abgelegt (Bild 1). Im RSA306 werden die Rohdaten über den USB-3.0-Port zum PC übertragen, wo die gesamte digitale Verarbeitung mittels Software auf dem PC erfolgt (Bild 2). Die digitale Abwärtskonvertierung in I-Q-Daten, Filterung, Fourier-Transformation, Kanalkorrektur und DPX-Berechnungen für die Darstellung werden von der Software ausgeführt. Hierzu wird ein moderner Prozessor (Intel Quad-Core i7 oder gleichwertig) benötigt, damit die Software die großen Datenmengen in der Größenordnung von 224 MB/s vom Instrument verarbeiten kann.

Die USB-3.0-SuperSpeed-Verbindung erreicht eine Signalrate von 5,0 Gbit/s pro Richtung. Durch die 8B/10B-Codierung bei USB 3.0 wird der Datendurchsatz auf 4,0 Gbit/s begrenzt. Wenn der typische Protokoll-Overhead und das Handshaking hinzugerechnet werden, liegt der praktische Datendurchsatz bei etwa 3,2 Gbit/s. Der 14-bit-Digitizer im RSA306 tastet das ZF-Signal mit 112 MHz ab, was einen Datenstrom von 224 MB/s ergibt, da jeder Datenwert in ein 16-bit-Wort gepackt wird. Ein zusätzlicher Overhead von 0,2 % kommt für Zeitstempel und Trigger-Informationen hinzu, sodass sich eine Gesamtdatenrate von 1,8 Gbit/s ergibt. Obwohl dies problemlos innerhalb der praktischen Durchsatzrate von 3,2 Gbit/s der USB-3.0-Schnittstelle liegt, können die Burstartigen Übertragungen beim Microsoft-Windows-Betriebssystem ein Problem darstellen. Glücklicherweise verfügt der Cypress-FX3-USB-3.0-Schnittstellen-Chip über einen Pufferspeicher im Datenpfad und kann so den Datenfluss optimieren. Insgesamt vier Pufferspeicher mit der gleichen Länge wie das Frame-Protokoll stehen im Gerät zur Verfügung. Die Puffer werden in einer Ringkonfiguration genutzt, um die Daten zu übertragen. In der Praxis wurde beobachtet, dass mit einem schnellen Prozessor und mit Windows 7 oder 8 keine Frames verloren gehen, wenn die Prozessor-Bandbreite nicht entscheidend durch externe Prozesse reduziert wird.

Die auf dem PC laufende Software steuert den gesamten Betrieb des RSA306. Die Software lässt sich in zwei Teile aufteilen: das RSA306-API und SignalVu-PC. SignalVu-PC ist eine Bedienoberfläche, die auf mehreren Plattformen (Spektrumanalysatoren und Oszilloskope) läuft und eine Steuerung und Datendarstellung im gleichen Format auf allen Geräten ermöglicht. Die RSA306-API-Software ist eine Hardware-Anpassungsebene, welche die von SignalVu-PC an die Hardware ausgegebenen Steuerbefehle in Hardware-Befehle für den Spektrumanalysator übersetzt. Die Liste der API-Befehle ist öffentlich und kann von Programmierern genutzt werden, um eine eigene Steuer- und Anzeige-Software für den RSA306 zu erstellen.

Die SignalVu-Software für den Analysator RSA306 kann auch als Signalrekorder mit 40 MHz Bandbreite verwendet werden. Wenn die Festplatte des Steuer-PC ausreichend schnell ist (Halbleiter-Festplatte mit 300 MB/s Schreibgeschwindigkeit), können die Daten unterbrechungsfrei aufgezeichnet werden. Eine Begrenzung stellt nur die Kapazität der Festplatte dar.