Логические и сигнатурные анализаторы

1.Логический анализатор

“Логический анализатор — устройство, предназначенное для записи и анализа цифровых последовательностей. Может быть автономным, а также в виде приставки к ПК. Характеризуется числом каналов и максимальной скоростью считывания данных”1.

Логический анализатор необходим:

•Когда необходимо увидеть много сигналов одновременно;
•Когда нужно представить сигналы так, как их видит само оборудование;
•Если нужно синхронизироваться от определенной комбинации сигналов на нескольких линиях и увидеть результат
“Когда сигнал в вашей системе пересекает пороговое значение, логический анализатор реагирует на него точно так же как и сама логическая схема. Он распознает лишь два состояния - «ноль» или «единица». Кроме того он может синхронизироваться по определенному сочетанию нулей и единиц исследуемых сигналов”. ( Chip News №5 (129): статья Ай-Ли Куана «Основы применения логических анализаторов».2008)
В общем случае логический анализатор используется тогда, когда необходимо увидеть больше сигналов, чем может показать осциллограф. Они полезны для определения временных соотношений или для исследования данных, передаваемых по шине, например, адресов, данных или управляющих сигналов на шине микропроцессора. Логические анализаторы также могут декодировать информацию на шине и представлять её в осмысленном виде.
Современные логические анализаторы рассчитаны на широкий круг задач при отладке микропроцессорных систем, удобны в эксплуатации, мобильны и легко настраиваются. Они выполнены в виде приставки к персональному компьютеру (ноутбуку), являются портативными устройствами с питанием по интерфейсу USB, имеют широкие возможности по записи и анализу цифровых сигналов и продуманный, интуитивно понятный интерфейс управления. Все модели с необходимым набором шлейфов и зажимов для подключения к объекту тестирования.
“Модели логических анализаторов отличаются числом логических каналов, объёмом памяти, набором протоколов декодирования цифровых интерфейсов (шин данных), и некоторыми специальными параметрами, таких как коэффициент компрессии. В таблице 1 представлены основные технические характеристики логических анализаторов”2.
Таблица 1
Основные технические характеристики логических анализаторов.
“Модели логических анализаторов отличаются числом логических каналов, объёмом памяти, набором протоколов декодирования цифровых интерфейсов (шин данных), и некоторыми специальными параметрами, таких как коэффициент компрессии. В таблице представлены основные технические характеристики логических анализаторов”3.

1.2 Особенности логических анализаторов

Число входных каналов логического анализатора в большей или меньшей степени определяется возможностями прибора. Например, если применяется для анализа 8-разрядной логический анализатор микропроцессорной системы с 16-разрядной адресной шиной, 8-разрядной шиной данных и пятью или шестью линиями управления, то минимальное число необходимых входных каналов анализатора идеально равняется 30. Для полного анализа 16-разрядной микропроцессорной системы аналогично потребуется логический анализатор примерно с 46 входными каналами. Его полный входной сопротивление подобно осциллографом обычно равна 1 МОм, а номинал параллельно включенной емкости 10-15 пФ
Другим фактором, определяющим характеристики логического анализатора, является гибкость запуска. В отличие от осциллографа, который обычно запускается при первом пересечении входным сигналом заранее заданного предельного значения, логический анализатор должен иметь несколько дополнительных режимов запуска. “Важнейшими из них являются следующие:
1. Запуск при появлении заданного слова данных, т.е. анализатор запускается, когда входные сигналы формируют отдельную (частичную) комбинацию данных;
2. Передзапуск / послезапуск, используемые для запоминания, а если необходимо, то и для индикации входных данных, которые пришли к поступлений слова и после него;
3. Запуск, когда возникает определенная разница между ожидаемыми сигналами и полученными входными данными;
4. Запоминание и индикация данных, принятых за определенный временной интервал (обычно определяется числом циклов тактового генератора) после поступающих слова;
5. Запоминание и индикация данных, принятых после определенного числа появления поступающих слова;
6. Сравнение событий по фактическим данным с ожидаемыми событиями и запуск только в том случае, если они не совпадают
Важными факторами, определяющими характеристики анализатора, является объем памяти и скорость считывания.
Пользователь сам определяет, какой сегмент памяти следует использовать для выполнения определенных функций. Типичный объем памяти одного сегмента составляет от 64 слов до 2К слов
Временное окно, то есть промежуток времени, в течение которого могут наблюдаться сигнальные данные, непосредственно определяется общим объемом памяти логического анализатора. В ситуациях, когда нет необходимости в использовании всех входных сигнальных каналов логического анализатора, сегменты памяти объединяются в последовательные звенья таким образом, чтобы меньшее количество входных сигналов можно было наблюдать в более длительном временном окне
Часто в анализатор встраиваемые цифровой генератор слов, что обеспечивает стимулирующие воздействия на исследуемый микропроцессорная система. В этом случае анализатор может применяться для наблюдения за тем, что происходит в системе под действием этих стимулирующих сигналов
Более сложные логические анализаторы имеют энергетически-энергонезависимую память (ЕНПЗП, КМОП, ОЗУ с батарейным питанием и т.п.) для чтения, записи входных данных, размещения в ней информации пользователя или эталонной информации, а также для ее сравнения с информацией, которая поступает. В ряде случаев, если требуется большой объем памяти данных, используется память на гибких дисках. Много логических анализаторов предполагают проведение прямых сравнений между новыми поступающих и эталонными данными. Иногда логические анализаторы оснащаются двумя и даже тремя тактовым системами, которые позволяют осуществлять ввод данных, например, из мультиплексорных микропроцессорных систем”4.
Поскольку сами по себе логические анализаторы являются приборами, спроектированных на основе микропроцессоров, то их характеристики иногда могут меняться уже на стадии изготовления за счет модификации программного обеспечения.

1.3 Основы применения логических анализаторов

Рассмотрим основные методы работы с логическим анализатором и особенности его использования в качестве анализатора временных соотношений и в качестве анализатора состояний. Логический анализатор необходим, когда нужно представить сигналы именно так, как видит их само оборудование или если нужно синхронизироваться от определенной комбинации сигналов на нескольких линиях и увидеть результат. Когда сигнал системе пересекает пороговое значение, логический анализатор реагирует на него точно так же, как и сама логическая схема. Он распознает лишь два состояния сигнала — “ноль” или “единица”. Кроме того, он может синхронизироваться по определенному сочетанию нулей и единиц исследуемых сигналов. В общем случае используется логический анализатор тогда, когда нужно увидеть больше сигналов, чем может показать осциллограф.
Логические анализаторы очень полезны для определения временных соотношений или для исследования данных, передаваемых по шине, например, адресов, данных или управляющих сигналов на шине микропроцессора. Они могут декодировать информацию на шинах микропроцессоров и представлять ее в осмысленном виде. Если закончен параметрический этап проектирования и пользователь занят исследованиями временных соотношений между многими сигналами, причем ему нужно синхронизироваться по определенному сочетанию логических уровней этих сигналов, то ему нужен именно логический анализатор.

1.4 Принцип действия логического анализатора

Многие логические анализаторы состоят, по сути дела, из двух анализаторов. Первый из них — это анализатор временных соотношений, а второй — анализатор состояний.

1.4.1 Анализатор временных соотношений

Анализатор временных соотношений выводит информацию практически в том же виде, что и осциллограф, откладывая по горизонтальной оси время, а по вертикальной — уровень напряжения.
Поскольку форма сигналов в обоих приборах зависит от времени, говорят, что они представляют сигнал во временной области.

Выбор правильного метода дискретизации
Анализатор временных соотношений подобен цифровому осциллографу с вертикальным разрешением один бит. При разрешении один бит анализатор видит только два состояния — “ноль” или “единицу”. Для него существует лишь один, определенный пользователем порог напряжения. Если сигнал в момент дискретизации превышает порог, анализатор отображает его как сигнал высокого уровня или “единицу”. Если сигнал оказывается ниже порога, он отображается как “ноль” или сигнал низкого уровня. В результате создается список нулей и единиц, представляющий собой однобитное представление входного сигнала. Этот список сохраняется в памяти и используется для восстановления однобитной формы входного сигнала.
Анализатор временных соотношений превращает все сигналы в сигналы прямоугольной формы, что, на первый взгляд, ограничивает его возможности. Однако если нужно проанализировать временные соотношения нескольких сотен сигналов путем одновременного их наблюдения, нужен именно логический анализатор. Необходимо помнить, что каждая точка дискретизации использует одну ячейку памяти. Поэтому, чем выше разрешение (выше частота дискретизации), тем меньше окно захвата.

Дискретизация
переходов
При захвате пакетных данных нужно выбрать максимальное разрешение (например, 4 нс), чтобы захватить быстрые импульсы в самом начале. Это значит, что анализатор временных соотношений с объемом памяти 4K (4096 отсчетов) прекратит захват данных через 16,4 мкс, и второй пакет данных вы уже не захватите. Во время повседневной отладки нам постоянно приходится регистрировать и сохранять данные в моменты, когда активность сигнала отсутствует.
Это приводит к бесполезному расходу памяти анализатора, не давая никакой дополнительной информации. Эту проблему можно решить, если знать, в какие моменты времени возникает переходной процесс и какой будет полярность сигнала — положительной или отрицательной. Эта информация составляет основу анализа переходов и позволяет повысить эффективность использования памяти.
Для реализации эффективного анализа переходов нужно использовать на входе анализатора временных соотношений “детектор переходов” и счетчик. Теперь анализатор будет сохранять только те отсчеты, которым предшествовал переход, вместе со временем, прошедшим от последнего перехода. При таком подходе используется всего две ячейки памяти на каждый переход, а при отсутствии активности — память вообще не используется. В данном примере можно захватить второй пакет, а также третий, четвертый и пятый, в зависимости от того, сколько импульсов входит в состав пакета. В то же время можно сохранить максимальное разрешение 4 нс.

Захват выбросов
Выбросы имеют “дурную привычку” появляться в самые неподходящие моменты времени с самыми тяжелыми последствиями. Анализатор временных соотношений дискретизирует входные сигналы, следит за переходами, возникающими между выборками, и может обнаружить появление выброса. В случае анализатора выброс определяется как переход, несколько раз пересекающий порог между соседними выборками. Для распознания выброса необходимо “научить” анализатор распознавать множественные переходы и показывать их, как выбросы. Хотя отображение выбросов само по себе очень полезно, было бы еще полезней синхронизироваться от выброса и показывать данные, предшествующие ему. Это помогло бы определить причину, вызвавшую выброс. К тому же такая способность позволила бы анализатору регистрировать данные только тогда, когда нужно — в момент появления выброса.
Предположим, что есть система, которая периодически сбоит из-за выбросов на одной из линий. Поскольку выбросы появляются редко, постоянное сохранение данных приведет к невероятному увеличению объема анализируемой информации (при наличии достаточного объема памяти). Или можно взять анализатор без функции синхронизации по выбросам и сидеть перед ним, нажимая кнопку “Пуск”, пока не заметим выброс.

Синхронизация анализатора временных соотношений
Логический анализатор постоянно захватывает данные и прекращает захват при обнаружении точки трассировки. Это позволяет анализатору показывать информацию, предшествующую точке трассировки (известную, как отрицательное время), а также информацию после точки трассировки.

Синхронизация по комбинации сигналов
“Определение условий трассировки для анализатора временных соотношений несколько отличается от настройки уровня синхронизации осциллографа. Многие анализаторы могут синхронизироваться от определенного сочетания нулей и единиц на входных линиях. Для облегчения работы условия синхронизации в большинстве анализаторов можно вводить в виде двоичных (нулей и единиц), шестнадцатеричных, восьмеричных или десятичных чисел или в виде символов ASCII.
ИСпользование шестнадцатеричных чисел особенно удобно для анализа шин, имеющих разрядность 4, 8, 16, 24, или 32 бита”5.

Синхронизация по фронту
Настройку уровня запуска в осциллографе можно представить как установку уровня на компараторе, который вызывает запуск осциллографа, когда входное напряжение пересекает этот уровень. При синхронизации по фронту анализатор временных соотношений работает, в сущности, так же, за исключением того, что уровень запуска определяется установкой логического порога. Хотя многие логические устройства реагируют на уровень, тактовые и управляющие сигналы этих устройств работают, как правило, по фронту.
Синхронизация по фронту позволяет начать захват данных в момент тактирования устройства. Можно настроить анализатор так,
чтобы он начинал захват данных при появлении фронта тактовой частоты (переднего или заднего) и захватывал все выходы регистра сдвига. Конечно, в таком случае нужно обеспечить задержку точки трассировки, чтобы учесть задержку распространения в регистре сдвига.

Применение анализатора состояний
“Состоянием” логической схемы называется значение шины или линии в момент, когда данные достоверны. Рассмотрим обычный D-триггер. Данные на входе D недостоверны до тех пор, пока не появится положительный фронт тактового сигнала. Таким образом, состояние этого триггера соответствует моменту появления положительного фронта тактового сигнала.
Допустим, что есть восемь таких триггеров. Все восемь подключены к одному и тому же тактовому сигналу. При появлении положительного фронта тактового сигнала все восемь триггеров захватывают данные со своих “D” входов, и это происходит при каждом положительном фронте тактового сигнала. Эти восемь линий аналогичны шине микропроцессора. Если подключить к этим восьми линиям логический анализатор и сообщить ему, регистрировать данные при каждом появлении положительного фронта тактового сигнала, анализатор как раз и будет анализировать логические состояния. Никакая активность на входе не будет регистрироваться, пока сигнал тактовой частоты не перейдет в единицу.
Анализатор временных соотношений использует для управления дискретизацией встроенный генератор тактовой частоты, в результате он асинхронно дискретизирует сигналы исследуемой системы. Анализатор состояния дискретизирует сигналы синхронно, поскольку он получает тактовую частоту от самой системы. Как правило, анализатор состояния выводит данные в виде списка, тогда как анализатор временных соотношений выводит данные в виде временной диаграммы.
Тактовая частота
“В анализаторе временных соотношений дискретизация выполняется под управлением внутреннего генератора тактовой частоты, что сильно упрощает ситуацию. Однако в микропроцессорных схемах система может иметь несколько тактовых частот.
Необходимо засинхронизироваться от определенного адреса памяти и увидеть сохраненные в нем данные. В системе используется процессор Zilog Z80. Чтобы анализатор мог захватывать адреса процессора Z80, он должен регистрировать данные в тот момент, когда линия MREQ переходит в ноль. Однако для захвата данных анализатор должен делать выборку в момент, когда в ноль переходит линия WR (цикл записи) или когда в ноль переходит линия RD (цикл чтения).
Некоторые процессоры передают данные и адрес по одним и тем же линиям. Анализатор должен уметь считывать информацию с одной и той же шины, но в разные моменты времени. Во время цикла чтения или записи Z80 сначала выводит адрес на шину адреса. Затем он устанавливает сигнал MREQ, показывая, что на шине присутствует достоверный адрес для чтения или записи в память. После этого устанавливается линия R D или WR, в зависимости от того, что выполняется, чтение или запись. Причем линия WR устанавливается только при наличии на шине достоверных данных.
Таким образом, анализатор временных соотношений выступает в роли демультиплексора, который в нужное время захватывает адрес, а затем захватывает данные, которые появляются на тех же линиях”6.

1.4.2 Анализатор состояний

Подобно анализатору временных соотношений, анализатор состояний способен классифицировать данные, которые необходимо сохранить. Если интересует определенное сочетание нулей и единиц на шине адреса, можно сказать анализатору, начать сохранение при обнаружении этого сочетания и продолжить сохранение до заполнения памяти.
шнформацию можно отображать в шестнадцатеричной или в двоичной форме. Может оказаться полезным декодировать шестнадцатеричный код в команды ассемблера. В случае процессора шестнадцатеричные коды представляют собой его команды. Большинство производителей анализаторов разработали специальные пакеты программ, которые называются дизассемблерами или обратными ассемблерами. Назначение этих пакетов — преобразовать шестнадцатеричный код в команды ассемблера, чтобы упростить их интерпретацию.

Уровни последовательности
Анализаторы состояния имеют “уровни последовательности”, которые облегчают синхронизацию и сохранение. Уровни последовательности позволяют более точно классифицировать сохраняемые данные, нежели отдельные точки синхронизации. Это значит, что можно точно установить окно регистрации данных, не сохраняя информацию, которая не нужна. Обычно уровни последовательности выглядят, примерно, так:
1 find xxxx else on xxxx go to level x 2 then find
Xxxx else on xxxx go to level x 3 trigger on xxxx

Селективное сохранение
Под селективным сохранением подразумевается сохранение некоторой части большого целого. Например, предположим, что есть процедура на ассемблере, которая возводит в квадрат заданное число. Если эта процедура выполняет возведение в квадрат с ошибкой, можно заставить анализатор состояний захватить эту процедуру. Для этого сначала анализатору найти начало процедуры. Когда он найдет начальный адрес, ему надо искать конечный адрес, одновременно сохраняя все промежуточные данные. При обнаружении конца процедуры, анализатору нужно остановить сохранение.

Подключение исследуемой системы
До сих пор обсуждались некоторые различия между осциллографами и анализаторами временных соотношений и состояний. Но перед тем как станет возможным воспользоваться этими новыми приборами, нужно обсудить еще один вопрос — систему пробников.
Конструкция пробника логического анализатора позволяет
подключать большое число каналов к исследуемой системе за счет некоторой потери точности по амплитуде. По традиции, логические анализаторы используют активные пробники со встроенными детекторами, рассчитанные на подключение восьми каналов и обладающие общей емкостью 16 пФ на канал.

Подключение пробников
Физическое подключение к цифровым системам должно быть надежным и удобным, чтобы точно передавать данные в логический анализатор с минимальным влиянием на исследуемую систему. “Типичным решением является пассивный пробник с шестнадцатью каналами на один кабель. Каждый кабель терминируется с обоих концов нагрузкой с сопротивлением 100 кОм и емкостью 8 пФ. Кроме небольших размеров и высокой надежности, преимущество пассивной системы пробников заключаются в том, что можно терминировать пробник непосредственно в точке подключения его к исследуемой системе. Это позволяет исключить дополнительную паразитную емкость, связанную с проводами, соединяющими большие активные пробники с исследуемой системой. В результате тестируемая система “видит” емкость всего 8 пФ вместо 16 пФ, как в прежних системах снятия сигнала”7.

Аналитические пробники и другие принадлежности
Подключение анализатора состояний к микропроцессорной системе требует некоторых усилий, касающихся обеспечения механического подключения и выбора тактовых сигналов.
С некоторыми микропроцессорами может потребоваться применение внешних цепей для декодирования нескольких сигналов, чтобы получить сигнал тактовой частоты для анализатора. Аналитический пробник обеспечивает не только быстрое и надежное механическое соединение к исследуемой системе, но и все необходимые электрические адаптеры, такие как схемы тактирования и демультиплексирования.

2. Сигнатурный анализатор

В настоящее время в новой технике тестирования цифровых схем сигнатурный анализ применяется наиболее часто. Это было предопределено несколькими причинами, например такими: равномерность закона распределения вероятности Pi необнаружения ошибки кратности i и множество необнаруживаемых ошибок Vi кратности i включает в себя маловероятные конфигурации ошибочных бит в последовательности данных. Построить сигнатурный анализатор можно двумя способами:
1.метод деления полиномов;
2.метод свёртки;
“ Главная идея сигнатурного анализа при использовании метода деления полинома на полином основывается на выполнении операции деления многочленов. В качестве делимого используется поток данных, формируемых на выходе анализируемого цифрового узла, который может быть представлен как многочлен p(x) степени L-1, где L — длина потока. Делителем служит примитивный неприводимый полином p(x), в результате деления на который получается частное q(x) и остаток S(x), связанные соотношением
p(x)= q(x) p(x)+ s(x),
где остаток s(x), представляющий собой полином степени, меньшей чем m=degP(x), называется сигнатурой.

Рис.2.1 Схема сигнатурного анализатора, построенного по методу деления полиномов

Рис.2.2 Схема сигнатурного анализатора, построенного по методу свертки

Однако, результат свёртки c(x) последовательности на сигнатурном анализаторе не есть остаток s(x) от деления на полином p(x). В то же время между c(x) и s(x) существует однозначная связь”5.
Как правило, в изделия, при эксплуатации которых предполагается использовать сигнатурный анализ, в процессе разработки вносят определенные средства, позволяющие производить этот анализ наиболее простыми и дешевыми приборами и повысить эффективность контроля. Прежде всего, это средства, позволяющие разрывать в режиме контроля цепи обратной связи в контролируемой схеме. Когда выходит из строя один из элементов, входящих в контур с обратной связью, локализовать неисправности внутри этого контура с помощью сигнатурного анализа не удается.
На практике, как правило, не требуется разрывать контуры с обратной связью, включающие в себе всего несколько простейших логических элементов, так как локализация сигнатурным анализом неисправности с точностью до такого контура позволяет быстро выявить неисправность конкретного элемента другими методами. Что же касается МПС в целом, то она целиком охвачена обратной связью по контуру программного управления.
Поэтому для применения сигнатурного анализа необходимо иметь возможность разрывать цепи обратной связи в режиме тестирования МПС. Для однокристального микропроцессора это условие реализуется отключением шины данных от входа МП. Разрыв обратной связи по шине данных можно реализовать с помощью механических переключателей или электронных ключей.
Вторым важным условием пригодности МПС для испытаний с помощью сигнатурного анализа является наличие схем, вырабатывающих сигналы Пуск и Стоп, необходимые сигнатурному анализатору для выработки измерительного "окна", т.е. интервала времени, в течении которого накапливается сигнатура.
Третьим требованием является наличие в составе МПС ПЗУ, в котором содержится тестовая программа. В качестве тестовой программы может выступать:
• специально разработанная рабочая программа;
• определенная рабочая программа, если она, по мнению разработчика, в достаточной мере использует все устройства МПС”8.

2.1 Общая характеристика сигнатурного анализа

ИСпользуемая для отыскания неисправностей сигнатура – это число, состоящее их четырех знаков (цифр или букв) 16-ричного кода (несколько видоизмененного).
Сигнатура хотя и условно, но однозначно характеризует работу определенного узла или точки схемы контролируемого устройства.
Примеры сигнатур представлены на рисунке 1.

Рис.1 Примеры сигнатур

Сигнатурный анализ сводится к сопоставлению реальной сигнатуры конкретного узла или точки схемы с образцовой сигнатурой этого же узла или точки, указанной в технической документации на это устройство. Несовпадение сигнатур свидетельствует о ненормальном или неправильном функционировании устройства.

Принцип формирования сигнатуры
Для проведения сигнатурного анализа цифровых систем с микропроцессорами необходим испытательный сигнал, представляющий собой двоичную последовательность. Эту последовательность, называемую данными, вырабатывает по специальной диагностической программе микропроцессор, находящийся внутри исследуемого устройства.
Из этой последовательности в свою очередь формируется испытательный сигнал, называемый тест последовательностью. Она имеет строго определенную длину, которая зависит от числа бит, заключенных в ней.
Требуемую длину тест-последовательности устанавливают с помощью стробирующего импульса, изменяя его длительность.
Принцип формирования сигнатуры из тест-последовательности с помощью сигнатурного анализатора поясняет рисунок 2.

“Сигнатура формируется в схеме, которая содержит 16-разрядный регистр сдвига, состоящий из 16 триггеров, четыре последовательно соединенннных сумматора по модулю два и цепи обратной связи.
Тест-последовательность может быть любой длины, но в конце цикла обработки анализируется только шестнадцати битовое число, зафиксированное в регистре. Это число, выраженное в несколько видоизмененном шестнадцатиричном коде и представляет собой сигнатуру данной тест-последовательности. Так как число бит тест-последовательности намного больше числа знаков сигнатуры, то говорят, что сигнатурный анализатор осуществляет сжатие информации.
У приведенной схеме следующие особенности:
1) до начала работы все триггеры регистра находятся в состоянии логического "0";
2) имеет место следующая закономерность: если на вторых входах всех четырех сумматоров по модулю два находится бит "0" или у четного числа сумматоров бит "1", то бит, поданный на вход схемы, передается на вход D регистра без изменения. Если бит "1" имеется на вторых входах нечетного числа сумматоров, то на вход регистра передается бит, противоположный входному.
Сигнатурный анализ обладает высокой достоверностью, что подтверждается следующими выводами:
1.Вероятность того, что у двух одинаковых двоичных последовательностей будут одинаковые сигнатуры равна единице.
2.Вероятность получения одинаковых сигнатур для двух двоичных последовательностей, отличающихся только одним битом, равна нулю.
3.Вероятность получения одинаковых сигнатуру для двух двоичных последовательностей, отличающихся несколькими битами, не превышает 0,000015”9.
Структурная схема сигнатурного анализатора представлена на рисунке 3.
Рис.3 Структурная схема сигнатурного анализатора

ФВВ – формирователь временных ворот;
ФТП  формирователь тест-последовательности;
ФДКС  формирователь двоичного кода сигнатуры;
БП  блок памяти;
СОИ  схема однократного измерения.
В приведенной схеме анализатора выполняется три основных операции:
1) формирование тест-последовательности;
2) формирование сигнатуры;
3) отображение сигнатуры.
Первая операция протекает следующим образом. Из исследуемого устройства через пробник в анализатор поступают сигналы трех видов: тактовые импульсы, сигналы запуска ПУСК и сигналы останова СТОП. Фронт сигнала ПУСК подготавливает регистр сдвига формирователя сигнатур к приему тест-последовательности и задает фронт временных ворот, а фронт сигнала СТОП – их срез. Таким образом,
интервал времени, разделяющий фронты сигналов ПУСК и СТОП определяет длительность временных ворот как показано на рисунке 4.

Рис.4 Длительность временных ворот

Полученный стробирующий импульс (временные ворота) и тактовые импульсы подаются в формирователь тест-последовательности, в который через пробник данных также поступает последовательность данных из исследуемого устройства.
В моменты совпадения фронтов тактовых импульсов с битами данных образуются биты тест-последовательности. Причем на её структуру не влияют никакие изменения данных в промежутках между фронтами тактовых импульсов.
Длину тест-последовательности (число бит в ней) можно изменять, изменяя интервал времени между импульсами ПУСК и СТОП. Длину тест-последовательности (число бит в ней) можно изменять, изменяя интервал времени между импульсами ПУСК и СТОП.
Синхронизация работы всех узлов анализатора осуществляется тактовыми импульсами исследуемого устройства.
Сформированное двоичное число, определяющее сигнатуру, поступает в два блока памяти (БП). БП1 хранит это число в течение одного цикла измерения. Это число преобразуется дешифратором в четырехзначный шестнадцатеричный код - сигнатуру, который и высвечивается на дисплее. БП2 хранит результаты формирования сигнатур, полученных за два цикла измерения следующие один за другим. Если сигнатуры не совпадают, то на дисплее высвечивается надпись: "Нестабильная сигнатура". Это позволяет обнаружить случайные сбои в работе исследуемого устройства.

Общие сведения. Измеряемые параметры
Основными характеристиками оптических кабелей (ОК) и оптических волокон (ОВ) являются: дисперсия и затухание (поглощение).
В ОВ возникает несколько типов дисперсии: модовая (многомодовая, межмодовая) и хроматическая (внутримодовая, спектральная).
Модовая дисперсия возникает вследствие того, что каждая мода проходит разный путь по ОВ, как показано на рисунке 5, а следовательно имеет различную скорость вдоль оси волокна.

Рис.5 Модовая дисперсия

Скорость света, распространяющаяся в волокне, зависит от длины волны. Следовательно, импульс, занимающий конечную полосу длины волн в спектре, будет уширяться из-за того, что его составляющие с различными длинами волн будут распространяться с разными скоростями. Это явление называется хроматическая дисперсией, которая складывается из материальной дисперсии и волновой дисперсии.
Материальная дисперсия вызывается зависимостью групповой скорости света от длины волны. Эта зависимость обусловлена тем, что показатель преломления стеклянных волокон меняется с изменением длины волны. Материальная дисперсия сказывается, если передаваемый сигнал имеет широкий спектральный интервал. На рисунке 6 показано уширение импульса в следствие материальной дисперсии (а – входной ипульс, б – выходной импульс).

Рис.6 Уширение импульса

Волноводная дисперсия по своему действию подобна материальной, но возникает вследствие зависимости фазовой и групповой скоростей каждой моды световой волны от длины волны. В общем случае она мала по сравнению с другими видами дисперсий.
Затухание (поглощение)
При распространении по ОВ сигнал затухает вследствие оптических потерь, которые пропорциональны длине световода. Затухание измеряется в децибелах на единицу длины и на практике применяются от 0.2 дБ/км до 10дБ/км.
Затухание обусловлено тремя основными причинами:
1) поглощение света примесями (в качестве примесей выступают ионы металлов и гидроксильные ионы ОН из-за наличия воды в стекле);
2) рассеяние света;
3) потери на излучение на микроизгибах ОВ.
Существует два основных механизма рассеяния света в ОВ. Первый из них - рэлеевское рассеяние, вызываемое неоднородностью диэлектрических свойств вследствие хаотического распределения молекул в аморфном стекле.
Второй механизм связан с технологическими неоднородностями на поверхности раздела сердцевины и оболочки. Вследствие этого лучи света, падающие на поверхность под некоторым углом, отражаются под разными углами, что приводит к смешению мод.
Микроизгибы оптического волокна вызывают потери света вследствие излучения, но эти потери невелики, если радиус изгиба больше некоторого критического значения.
Для измерения затухания в основном используют два метода:
1) обратного рассеяния;
2) метод прямого измерения затухания.
Метод обратного рассеяния нашел широкое применение в виду возможности одновременного измерения нескольких параметров ОВ, относительно высокой скорости измерения с одного конца линии, а также достаточной для большинства задач точности. Принцип измерения параметров ОВ методом обратного рассеяния основан на наблюдении потока обратного рассеяния (ПОР), возникающего вследствие отражения зондирующего сигнала при его прохождении по ОВ от рассеянных и локальных неоднородностей. Этот метод позволяет измерять затухание ОВ, функции распределения затухания по длине ОВ и распределения локальных неоднородностей, места обрыва, а также определить дисперсию и групповое время прохождения сигнала по волокну.
На практике метод обратного рассеяния реализуется в оптических рефлектометрах, регистрирующих поток обратного рассеяния и измеряющих его параметры.

2.1 Мера качества сигнатурных анализаторов

Анализу качества сигнатурных анализаторов(СА) посвящено много работ. Хотя в результате этих исследований не выработана единая мера качества, предпочтение отдается СА, описываемым неприводимыми примитивными полиномами. В моей работе за меру качества взята сумма минимальных расстояний полиномиальных кодов, порождаемых полиномом и переменной длинной анализируемой последовательности. Предлагаемая мера позволяет также сравнивать между собой примитивные СА.
СА можно рассматривать как линейную последовательную машину без выходов, определяемую в виде совокупности двух объектов C=(A,B). “Для вычисления суммы длин минимальных расстояний полинома степени r выполняем следующие действия:
1.Строим бинарную (r,r) матрицу A;
2.Строим вектор-столбец B размерности r, у которого первая компонента равна 1, а остальные являются нулями.
3.Строим бинарную (r,n)-матрицу Hc(n) = Ak-1B, Ak-2B ... A1B, A0B. В операции умножения бинарных матриц под умножением бинарных элементов понимаем их конъюнкцию, а под сложением сложение по модулю 2.
4.Обозначим минимальное расстояние dc(n), где n — длина входной последовательности. СА обнаруживает dc-1 ошибок. Если полином примитивный, то для n=2r dc(n)=2.
5.Допустим, что для n, которое больше r dc(n)=d 1. Если матрица А неособенная (это будет тогда и только тогда, когда a0=1), то для вычисления dc(n+1) нужно проверить, существуют ли такие наименьшие d' меньше d-2 и n-1 больше k1...kd' и больше нуля, что AnB можно получить линейной комбинацией из d' столбцов из матрицы H, которые расположены после n-того столбца. Если такое d' существует, то dc(n+1)=d'+2, иначе dc (n+1)=dc(n)=d.
6.Суммируем длины всех минимальных расстояний, полученных при длинах входных последовательностях от 1 до 2r-1, где r — старшая степень полинома”10.

Библиографические ссылки

1. Википедия: независимая энциклопедия/ URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Логический_анализатор (дата обращения: 16.05.10)
2. Журнал "Радио", номер 10.Автор: А. Шрайбер, М:1999
3. Журнал "Радио", номер 08.Автор: А. В. Тимофеев, М: 2007
4. Официальные периодические издания: IT-аналитика, электронный журнал/ URL: http://www.itanalytic.ru (дата обращения : 16.05.10)
5. Барашко А.С. Об одной мере качества сигнатурных анализаторов. Отдельный оттиск — Рига: Зинатне, 1988.
6. Калабеков Б. А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов. Радио и связь, 1988. 388с.
7. Кирьянов К.Г."К теории сигнатурного анализа". вып. 2(27).
8. Метрология и электроизмерения в телекоммуникационных системах: Учебник для вузов / А.С. Сигов, Ю.Д. Белик. и др. / Под ред.В.И. Нефедова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ВысИ. Ик., 2005.
9. Бакланов И.Г. Технологии измерений в современных телекоммуникациях. – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2007.
10. Метрология, стандартизация и измерения в технике связи:
11. Учеб. пособие для вузов / Под ред. Б.П. Хромого. – М.: Радио и связь, 2006.