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Generatore di segnaliI moderni strumenti per la generazione di segnali vengono realizzati sfruttando due diversi principi di funzionamento, a cui corrispondono due tipologie di prodotti: i generatori di funzioni arbitrarie, o AFG (Arbitrary Function Generator), e i generatori di forme d’onda arbitrarie, o AWG (Arbitrary Waveform Generator).

Entrambe le tipologie di strumenti sono molto flessibili e altrettanto diffuse sul mercato. Tuttavia, è bene conoscerne le differenze, per scegliere lo strumento più adatto in base alla propria applicazione specifica, come faremo nel seguito di questo articolo ipotizzando di voler effettuare delle prove di caratterizzazione di un ricevitore per un bus seriale veloce come Automotive Ethernet.

Generatori di funzioni a sintesi digitale diretta (DDS)

La sintesi digitale diretta, meglio conosciuta come DDS (Direct Digital Synthesis) è una tecnica di generazione dei segnali che utilizza dei dispositivi digitali per generare un segnale modificabile in frequenza e fase a partire da un segnale di clock di riferimento a frequenza fissa.

Si tratta del metodo realizzativo dei generatori di segnali in linea di massima oggi meno costoso e che garantisce ottimi risultati, ma che ha una limitazione importante derivante dall’utilizzo di una frequenza di campionamento fissa.

Vale la pena ricordare che in un generatore arbitrario, la forma d’onda personalizzata che si desidera viene ‘disegnata’ mediante un certo numero di campioni.

Schema a blocchi generatore di funzioni a sintesi digitale diretta (DDS)Fig. 1 - Schema a blocchi generatore di funzioni a sintesi digitale diretta (DDS)

La frequenza di uscita del segnale generato è strettamente legata alla frequenza di campionamento del generatore e dal numero di campioni che definiscono la forma d’onda secondo questa semplice relazione, di fondamentale importanza:

Frequenza di uscita = Frequenza di campionamento / Numero di campioni forma d’onda

All’atto pratico, un generatore di tipo DDS genera una forma d’onda a una certa frequenza prelevando i dati da una tabella di lookup ad un ritmo determinato dalla frequenza di campionamento che, ricordiamo, in questo caso è fissa.

Quindi, quando vogliamo generare la stessa forma d’onda, ma ad una frequenza più elevata, il numero di campioni preso in considerazione dal generatore DDS diminuirà, con il risultato che la forma d’onda reale generata sarà un po’ meno accurata rispetto alla nostra descrizione della forma d’onda campione.

Allo stesso modo, se desideriamo generare la stessa forma d’onda originaria a una frequenza più bassa, essendo la frequenza di campionamento fissa, il generatore DDS replicherà un po’ di punti della descrizione della forma d’onda campione originaria.

In sostanza, per la generazione di forma d’onda ad alta risoluzione, la sintesi digitale diretta può portare alla generazione di forme d’onde un po’ troppo approssimate per le applicazioni dove servono forme d’onda complesse e dettagliate.

In particolare, a seconda delle frequenza d’uscita, alcuni piccole variazioni e dettagli presenti nella forma d’onda campione potrebbero essere del tutto assenti nelle forma d’onda reale generata. Nel caso migliore, ciò contribuisce ed aumentare il jitter, mentre nel caso peggiore questa eccessiva approssimazione può dar luogo a forme d’onda in uscita molto distorte, o addirittura prive di alcuni dettagli.

Per contro, il grande vantaggio della tecnica DDS, oltre alla sua semplicità realizzativa che contribuisce ad abbassare il costo dei generatori, è dovuto alla capacità di poter variare in modo semplice e rapido la frequenza del segnale di uscita evitando salti di fase, facilitando ad esempio la creazione di segnali con sweep di frequenza in tempo reale anche ad alta velocità.

Veri generatori di forme d’onda arbitrarie

Gli strumenti che vengono spesso chiamati veri generatori di forme d’onda arbitrarie, o ‘True AWG’, hanno un principio di funzionamento concettualmente molto semplice, corrispondente all’inverso di quello di un comune digitalizzatore o oscilloscopio digitale.

Questa tipologia di generatori di forme d’onda arbitrarie viene talvolta anche indicata come ‘PPC’, o Point Per Clock, per un motivo che sarà evidente in un attimo.

Ogni punto delle rappresentazione della forma d’onda campione è memorizzato all’interno di una memoria, che viene letta sequenzialmente tramite un segnale di clock di riferimento a frequenza variabile. I valori delle celle di memoria sequenzialmente indirizzate tramite il segnale di clock vengono inoltrati al circuito di conversione digitale/analogico (DAC), che è seguito da un filtro passa basso.

Vero generatore di forme d’onda arbitrarieFig. 2 - Schema a blocchi vero generatore di forme d’onda arbitrarie

Poiché il numero di campioni con cui viene descritta la forma d’onda che si intende generare è fissa, per variarne la frequenza d’uscita basta modificare la frequenza del generatore di clock, il che determinerà il passaggio più rapido dei campioni verso il convertitore DAC.

In altre parole, la frequenza del segnale d’uscita dipende solamente dalla frequenza del segnale di clock e dal numero di campioni in memoria che descrivono la forma d’onda, secondo la relazione già illustrata in precedenza.

A differenza che nei generatori di tipo DDS, nei generatori di forme d’onda True Arbitrary vengono sempre utilizzati tutti i singoli campioni che descrivono la forma d’onda, qualunque sia la frequenza di uscita.

Di conseguenza, è possibile generare la forma d’onda desiderata sempre con la stessa accuratezza, qualunque sia la frequenza del segnale di uscita. I campioni non vengono mai saltati né ripetuti, pertanto anche i più piccoli dettagli memorizzati nella forma d’onda campione vengono sempre riprodotti nella forma d’onda d’uscita.

Pertanto, l’accuratezza dipende solo dalla risoluzione con la quale si descrivono le forme d’onda e dalla stabilità dei componenti del generatore, mentre è sostanzialmente indipendente dalla frequenza di uscita della forma d’onda generata.

L’accuratezza che rimane indipendente dalla frequenza di uscita e dalla complessità della forma d’onda costituisce il principale vantaggio dei veri generatori di forme d’onda arbitrarie nei confronti del generatori di funzioni a sintesi digitale diretta.

Per contro, risulta più difficile effettuare una scansione in frequenza in tempo reale del segnale generato, in quanto vanno ricalcolati tutti i punti di definizione della forma d’onda in funzione della frequenza.

Vantaggi e svantaggi dei generatori DDS e True Arbitrary

DDS: Clock campionatore a frequenza fissa

True Arbitrary: Clock campionatore a frequenza variabile

Massima comodità nel variare la frequenza

Più scomodo variare la frequenza

Meno adatto a riprodurre perfettamente ogni dettaglio della forma d’onda

Perfetto per riprodurre sistematicamente ogni dettaglio della forma d’onda

Distorsione maggiore per forme d’onda non sinusoidali

Distorsione minore per forme d’onda non sinusoidali

Per ottenere il meglio dei due mondi, esistono in commercio anche generatori di funzioni arbitrarie che consentono di utilizzare a scelta entrambi i metodi di generazione nello stesso strumento, in funzione delle esigenze specifiche.

Alcuni esempi di generatore di forme d’onda arbitrarie che integrano nello stesso strumento le due modalità di funzionamento, DDS e True Arbitrary, sono i modelli della serie T3AWG3K di Teledyne Test Tools.

A seconda dell’esigenza applicativa del momento, con la semplice pressione di un tasto sul pannello frontale, il generatore passa da una modalità all’altra.

Generatore Teledyne Test Tools T3AWG3KFig. 3 - Generatore Teledyne Test Tools T3AWG3K

Come stressare un ricevitore Automotive Ethernet

Supponiamo di voler mettere alla prova un ricevitore per un bus seriale veloce, come ad esempio Automotive Ethernet nella sua versione 100Base-T1.

Vorremo non solo valutare se il ricevitore funziona correttamente quando riceve un segnale ben formato e non distorto, bensì capire anche come si comporta il ricevitore in esame quando deve far fronte a segnali affetti da imperfezioni di vario genere, ad esempio jitter, rumore, livelli di tensione errati o altri tipi di difetti.

Per svolgere tali attività, ci serve pertanto un generatore di segnali di stimolo che sia sufficientemente flessibile, accurato e semplice da utilizzare, per creare una sequenza di segnali di prova che ci permetta di capire quali sono i veri limiti di funzionamento del nostro ricevitore.

Il bus Automotive Ethernet funziona mediante segnali fisici che utilizzano la modulazione PAM3, ossia una modulazione d’ampiezza ternaria capace di trasferire un simbolo ternario (+1, 0, -1) per ciascun periodo di clock.

La versione dello standard 100Base-T1 utilizza un clock a 66,667 Mb/s e segnali con una tensione nominale di 1 V, o 0 V e -1 V corrispondenti al simbolo da trasmettere, per cui il ricevitore funziona con due livelli di soglia di decisione per distinguere tra i tre simboli ammessi.

Segnale PAM3 con 2 livelli di soglia di decisioneFig. 4 - Segnale PAM3 con 2 livelli di soglia di decisione

È proprio in questi casi che un generatore di forme d’onda arbitrarie eccelle, in quanto le forme d’onda di stimolo che servono possono essere articolate e non semplici da ottenere con un classico generatore di funzioni.

Ci serve infatti come segnale di partenza un segnale PAM3 pulito, di frequenza e ampiezza adeguata, già di per sé non disponibile facilmente in tutti i generatori di funzioni.

Ma, soprattutto, ci serve anche tutta una serie di segnali PAM3 ‘distorti’, affinché si possa stressare il nostro ricevitore in esame, per capire fino a che punto continua a funzionare in modo soddisfacente.

Vediamo come generare una tale sequenza di segnali di stimolo con un moderno generatore di funzioni arbitrarie, il modello T3AWG3K di Teledyne Test Tools.

Ipotizziamo di voler generare una sequenza di segnali di stimolo composta da una forma d’onda pseudocasuale PAM3 pulita, seguita da una forma d’onda analoga ma affetta da rumore, una successiva affetta da rumore ancora più forte e così via.

Segmenti e componenti

Utilizzando il generatore T3AWG3K in modalità AWG possiamo creare molto facilmente un segnale di stimolo PAM3 pseudocasuale utilizzando il Waveform Editor.

In questo ambiente si possono creare forme d’onda di qualunque tipo e complessità combinando vari segmenti e componenti.

I segmenti corrispondono a porzioni successive della forma d’onda nell’asse dei tempi. Ciascun segmento della forma d’onda, a sua volta, può essere composto dalla sovrapposizione di più componenti.

Segnale PAM3 100Base-T1 pulito creato con Waveform Editor UtilityFig.5 - Segnale PAM3 100Base-T1 pulito creato con Waveform Editor Utility

Partiamo dalla creazione di un segnale PAM3 per Automotive Ethernet. Nel nostro caso ci servirà un solo segmento. Costruiremo il segmento come somma di due componenti.

Come primo componente scegliamo tra le forme d’onda predefinite disponibili nel Waveform Editor la sequenza pseudocasuale PRBS7, che diverrà il primo componente del nostro segmento. Come secondo componente del nostro segmento scegliamo la sequenza pseudocasuale PRBS8, che sommata crea come risultato un segnale PAM3 pulito, che potremo utilizzare come stimolo per il test del nostro ricevitore Automotive Ethernet.

Per costruire una sequenza di segnali di stimolo affetti da rumore crescente duplichiamo la forma d’onda creata in precedenza e aggiungiamo un nuovo componente al segmento. Questa volta, tra i segnali predefiniti disponibili nel Waveform Editor scegliamo il rumore bianco e impostiamo un livello di 100 mV. Ecco fatto: ora abbiamo la nostra forma di stimolo rumorosa.

Segnale PAM3 100Base-T1 con rumore bianco aggiunto artificialmenteFig. 6- Segnale PAM3 100Base-T1 con rumore bianco aggiunto artificialmente

Con lo stesso procedimento possiamo creare le altre forme d’onda affette da un livello di rumore crescente.

A questo punto possiamo sfruttare la funzione Sequencer del generatore T3AWG3K per creare una sequenza completa di segnali di stimolo da inviare al nostro ricevitore.

Carichiamo in ciascuna entry del Sequencer le forme d’onda campione create precedentemente, a partire da quella pulita a cui fanno seguito quelle a rumore crescente. Per ciascuna entry impostiamo la modalità di ripetizione infinita e il passaggio alla forma d’onda successiva tramite la pressione di un tasto.

Sequenza di segnali PAM3 con livello di rumore crescenteFig. 7 - Sequenza di segnali PAM3 con livello di rumore crescente

Ora siamo pronti. Avviando la sequenza verrà dapprima generato il segnale PAM3 pulito. Ogni volta che premiamo un tasto aggiungeremo del rumore per mettere sempre più in difficoltà il nostro ricevitore e valutarne i limiti di funzionamento.

Così come abbiamo creato forme d’onda affette da rumore, potremmo creare altrettanto facilmente altre forme d’onda affette da imperfezioni diverse. Ad esempio potremmo alterare uno o più simboli intervenendo direttamente sul loro livello di tensione, oppure potremmo aggiungere del jitter o dell’offset, oppure ancora creare segnali di stimolo con più difetti sovrapposti.

La grande quantità di memoria disponibile e l’elevata risoluzione nel generatore T3AWG3K non ci impone alcun limite pratico sulla complessità e articolazione del segnale di stimolo.

Inoltre, nel caso dell’offset, il generatore T3AWG3K offre un ulteriore vantaggio. Poiché il livello di tensione di offset sul segnale d’uscita viene aggiunto a livello hardware, ciò permette di sfruttare sempre al massimo l’elevata risoluzione verticale dello strumento (16 bit), anche quando il segnale d’uscita è fortemente sbilanciato verso massa.

Segnale PAM3 con rumore crescente acquisito e analizzato con un oscilloscopioFig. 8 - Segnale PAM3 con rumore crescente acquisito e analizzato con un oscilloscopio

Conclusioni

Come succede spesso, non c’è una risposta univoca tra quale sia lo strumento migliore tra generatore di funzioni arbitrarie e generatore di forme d’onda arbitrarie.

Quando servono forme d'onda standard la cui frequenza deve essere variata rapidamente, un generatori di funzioni a sintesi digitale diretta è spesso la soluzione più comoda.

Quando invece servono segnali più complessi e articolati, in cui vanno inseriti artificialmente dei difetti in modo controllato, come nel caso del debug di un ricevitore Automotive Ethernet, allora un generatore di forme d’onda arbitrarie è la scelta più razionale.

Per fortuna, acquistando un generatore di segnali T3AWG3K di Teledyne Test Tools il problema non si pone: lo strumento può funzionare in entrambe le modalità e garantisce elevata risoluzione verticale (16 bit), ampia memoria (1 Gp), grande velocità di campionamento (1,2 Gs/s), tanti canali sincronizzati (fino a 32) ed elevate gamma dinamica (± 12 V) con offset hardware aggiuntivo (±12 V).

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