Một máy thu giám sát phổ hoặc một hệ tác chiến điện tử hiếm khi gặp tín hiệu mà nó được thiết kế để gặp. Trong phòng lab, kỹ sư đưa vào một xung radar sạch và hệ thống nhận dạng đúng. Ngoài thực địa, cùng lúc đó có radar dẫn đường, radar thời tiết, đường truyền vệ tinh, mạng di động và vài nguồn phát không rõ nguồn gốc — chồng lấn về thời gian, chênh nhau vài chục dB về công suất, và không nguồn nào chờ nguồn nào phát xong.
Khoảng cách giữa hai tình huống đó là lý do mô phỏng phổ điện từ trở thành một hạng mục đo lường riêng. Bài viết đi qua cách mô tả một kịch bản nhiều nguồn phát, hai kiến trúc phần cứng để tạo ra nó, các giới hạn thật về bộ nhớ và đồng bộ pha, và cách kiểm chứng tín hiệu trước khi đổ lỗi cho thiết bị cần thử.
Kịch bản nhiều nguồn phát được mô tả bằng gì
Điểm gây hiểu nhầm phổ biến nhất: mô phỏng môi trường không phải là cộng vài dạng sóng lại với nhau. Một môi trường thực được mô tả ở mức từng xung, và đơn vị mô tả đó trong ngành là từ mô tả xung — pulse descriptor word, viết tắt PDW.
Mỗi PDW mang các trường tối thiểu sau:
- Thời điểm tới (time of arrival) — quyết định mật độ xung và mức chồng lấn giữa các nguồn.
- Tần số — cố định, nhảy tần, hay quét trong nội bộ một xung.
- Độ rộng xung — cùng với chu kỳ lặp quyết định tỉ lệ đóng/mở của nguồn.
- Góc tới (angle of arrival) — chỉ có nghĩa khi hệ tạo tín hiệu có nhiều kênh đồng bộ pha.
- Điều chế trên xung (modulation on pulse) — chirp tuyến tính, mã pha, hay không điều chế.
Cách mô tả này quan trọng vì nó tách nội dung của xung khỏi lịch trình phát xung. Phần mềm Keysight N7660C Signal Studio for Multi-Emitter Scenario Generation dựng kịch bản theo đúng mô hình đó trong dải 0 đến 40 GHz, rồi truyền chuỗi PDW xuống phần cứng. Nhờ tách rời như vậy, một kịch bản dài hàng phút không cần bộ nhớ dài hàng phút — điều kiện then chốt mà phần tiếp theo sẽ định lượng.
Hai kiến trúc tạo tín hiệu phức hợp
Kiến trúc AWG băng gốc và IF
Máy phát sóng tùy ý cho phép định nghĩa tín hiệu ở mức từng mẫu, nên nó là lựa chọn khi kịch bản có các hiện tượng mà mô hình xung tiêu chuẩn không mô tả được: xung méo dạng, nhiễu nền có phân bố cho trước, hoặc chồng lấn nhiều xung trong cùng một băng tức thời.
Về số liệu, Keysight M8190A chuyển đổi được giữa hai chế độ DAC: 14 bit ở tốc độ tới 8 GSa/s, hoặc 12 bit ở tốc độ tới 12 GSa/s, với tốc độ lấy mẫu thay đổi được từ 125 MSa/s. Dải động phi hài (SFDR) đạt tới 90 dBc điển hình và méo hài tới −72 dBc điển hình, tương ứng số bit hiệu dụng tới 12,25. Băng thông analog 5 GHz.
Chính cặp số “14 bit và băng thông rộng cùng lúc” mới là điều đáng chú ý trong mô phỏng môi trường. Một kịch bản thực có nguồn mạnh và nguồn yếu cách nhau vài chục dB; nếu độ phân giải dọc không đủ, nguồn yếu chìm dưới nền lượng tử hoá của chính máy phát, và bài đo trở thành phép thử máy phát chứ không phải phép thử máy thu.
Kiến trúc nguồn phát vector nhanh
Khi kịch bản trải rộng lên dải microwave và cần công suất ra thực, tuyến hợp lý là nguồn phát tín hiệu vector. Keysight M9384B VXG phủ 1 MHz đến 44 GHz với tuỳ chọn F44 (tuỳ chọn F32 dừng ở 31,8 GHz), mức ra từ −120 dBm đến +23 dBm, và băng thông RF điều chế tới 2 GHz với tuỳ chọn D21. Bộ nhớ dạng sóng tuỳ ý 256 MSa tiêu chuẩn, nâng lên 512 MSa hoặc 1024 MSa theo tuỳ chọn.
Hai kiến trúc này không loại trừ nhau. Cách ghép thường gặp là AWG dựng phần băng gốc phức tạp, còn nguồn phát vector nâng lên tần số công tác và cấp mức công suất.
Ngân sách bộ nhớ: vì sao playtime là ràng buộc thật
Đây là chỗ nhiều dự án vấp phải khi chuyển từ bài thử một xung sang kịch bản đầy đủ. M8190A có tới 2 GSa bộ nhớ dạng sóng trên mỗi kênh — nghe rất nhiều, cho tới khi chia cho tốc độ lấy mẫu. Ở 12 GSa/s, 2 GSa tương ứng khoảng 167 ms tín hiệu liên tục. Kịch bản radar cần vài phút, tức gấp hơn một nghìn lần.
Tờ thông số M8190A nêu thẳng vấn đề này và đưa ra ba cơ chế:
- Memory ping pong — định nghĩa hai phân đoạn A và B; trong lúc máy phát lặp A, phần mềm nạp lại B, rồi chuyển sang B và ghi đè A.
- Streaming — chia bộ nhớ thành từ 5 phân đoạn trở lên nối thành vòng, máy phát chạy tuần tự còn phần mềm nạp phân đoạn kế tiếp. Ở chế độ streaming theo trigger, máy chuyển phân đoạn khi có sự kiện trigger, rất hợp với radar xung có tỉ lệ đóng/mở thấp: xung ngắn xen kẽ khoảng nghỉ dài làm giảm mạnh yêu cầu băng thông tải dữ liệu.
- Nâng tần số bằng số (digital up-conversion) trong ASIC riêng của Keysight — dạng sóng chỉ cần lưu một lần, còn biên độ, tần số và pha được lưu độc lập và đặt theo thời gian thực dưới quyền điều khiển của bộ sequencer. Tài liệu nêu cơ chế này kéo dài playtime tới một triệu lần.
Bài học thực hành rút ra rất cụ thể: hãy tính playtime cần thiết trước khi chọn cấu hình bộ nhớ, và kiểm tra máy tính điều khiển cùng đường truyền có đủ băng thông để nuôi chế độ streaming hay không. Bộ nhớ lớn không cứu được một kịch bản dài; kiến trúc streaming mới cứu.
Đồng bộ nhiều kênh khi kịch bản có góc tới
Ngay khi PDW mang trường góc tới, bài toán chuyển từ “tạo tín hiệu” sang “tạo tín hiệu với quan hệ pha xác định giữa các kênh”. Sai lệch thời gian giữa hai kênh biến thành sai lệch góc mà máy thu ước lượng được.
Mô-đun đồng bộ M8192A cho phép đồng bộ pha tới 6 mô-đun M8190A, tức 12 kênh, với một đầu vào trigger duy nhất kích được cả 6 mô-đun theo độ trễ tất định. Độ lặp lại lệch thời gian giữa hai kênh bất kỳ là 2 ps, độc lập với tốc độ lấy mẫu, và bước hiệu chỉnh lệch thời gian đạt độ phân giải 50 fs.
Con số 2 ps đáng được quy đổi. Ở sóng mang 10 GHz, một chu kỳ là 100 ps, nên 2 ps tương ứng khoảng 7,2 độ pha. Nếu thuật toán ước lượng góc tới của thiết bị cần thử dựa trên chênh pha giữa các kênh, sai số 7 độ là đại lượng phải đưa vào ngân sách sai số — không phải chi tiết bỏ qua được. Trên tuyến nguồn phát vector, M9384B đặt được độ lệch pha tương đối giữa kênh 1 và kênh 2 với độ phân giải 0,001 độ và độ lặp lại 0,0001 độ khi có tuỳ chọn PCH.
Kiểm chứng kịch bản trước khi đưa vào thiết bị cần thử
Nguyên tắc không nên bỏ qua: đo lại chính tín hiệu vừa tạo ra, bằng một đường thu độc lập, trước khi kết luận bất cứ điều gì về thiết bị cần thử. Rất nhiều “lỗi máy thu” hoá ra là lỗi kịch bản — sai mức, sai thời điểm, hoặc nén ở tầng khuếch đại của chính hệ tạo tín hiệu.
Keysight N9042B UXA phủ từ 2 Hz tới 26,5 GHz, 44 GHz hoặc 50 GHz tuỳ tuỳ chọn tần số, với các bậc băng thông phân tích từ 10 MHz tiêu chuẩn lên 255 MHz, 1 GHz, 1,5 GHz, 2 GHz và 4 GHz. Ở chế độ phân tích phổ thời gian thực, bộ chuyển đổi A/D chạy 4,8 GSa/s tương ứng 2,4 GHz băng phức, và băng thông phân tích thời gian thực tối đa đạt 1 GHz, 1,5 GHz hoặc 2 GHz tuỳ mô-đun tuỳ chọn.
Chế độ thời gian thực có ý nghĩa riêng ở đây: máy phân tích quét thông thường có thời gian chết giữa các lần quét, và một xung ngắn rơi vào khoảng chết đó sẽ không bao giờ xuất hiện trên màn hình. Với kịch bản mật độ xung cao, đó chính là loại lỗi khó tin nhất — kịch bản đúng nhưng phép đo kiểm chứng lại bỏ sót.
Chọn cấu hình mô phỏng phổ điện từ theo bài toán
- Kịch bản băng gốc hoặc IF, cần dải động dọc cao, dưới 5 GHz — M8190A ở chế độ 14 bit, kết hợp M8192A nếu cần nhiều kênh đồng pha.
- Kịch bản trải lên microwave, cần công suất ra và băng điều chế rộng — M9384B với tuỳ chọn băng thông D21 và tuỳ chọn PCH cho đồng bộ đa kênh.
- Kiểm chứng và phân tích môi trường đã dựng — N9042B với bậc băng thông phân tích tương xứng băng tức thời của kịch bản, bật chế độ thời gian thực khi mật độ xung cao.
Nếu hệ thống của bạn thiên về dựng dạng sóng radar đa kênh hơn là mô phỏng cả môi trường, bài máy phát dạng sóng tùy ý đa kênh cho tín hiệu radar đi sâu hơn vào phần đồng bộ và dựng xung.
Kết luận
Chất lượng của một bài thử trong môi trường tác chiến điện tử mô phỏng bị chặn bởi ba đại lượng đo được: độ phân giải dọc quyết định dải động giữa nguồn mạnh và nguồn yếu, kiến trúc bộ nhớ quyết định độ dài kịch bản, và độ lệch thời gian giữa các kênh quyết định độ chính xác góc. Việc tạo tín hiệu phức hợp chỉ đáng tin khi cả ba được ghi vào ngân sách sai số ngay từ đầu, và khi kịch bản được đo kiểm chứng bằng một đường thu độc lập.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, đồng thời vận hành phòng hiệu chuẩn được công nhận theo ISO/IEC 17025 — nơi các nguồn phát và máy phân tích trong hệ mô phỏng của bạn được đưa về chuẩn có truy xuất. Để được tư vấn cấu hình hoặc đặt lịch hiệu chuẩn, liên hệ hotline 0908 173 345.
