Arbiträrgenerator in der Anwendung AWG-Serie verspricht präzise HF-Signaltests und modulierte Anwendungen

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Die 63er-Serie von Spectrum Instrumentation bietet bis zu 10 GS/s, 16-Bit-Auflösung und eine Bandbreite bis zu 3,9 GHz. Drei Beispiele zeigen, wofür sich die Generatoren eignen.

Arbiträrgeneratoren (AWGs) erzeugen beliebige Wellenformen, begrenzt durch Abtastrate und Bandbreite. Die neuen Flagschiff-AWGs der 63er-Serie von Spectrum Instrumentation bieten bis zu 10 Gigasamples pro Sekunde und bis zu einer Bandbreite von 3,9 GHz. Sie sind als PCIe-Karten (M5i.63xx-Serie) oder als eigenständige, über Ethernet angesprochene, NETBOX-Geräte (DN2.63x-Serie) erhältlich, jeweils in sechs Varianten. Das Bild auf Seite 18 zeigt die PCIe-Version M5i.6357-x16.

Die AWGs ermöglichen die Erzeugung von hochfrequenten Signalen mit 100 Pikosekunden Zeit- und 16-Bit-Amplitudenauflösung. Sie erzeugen Wellenformen bis Mikrowellenfrequenzen mit hoher Reinheit und geringer Verzerrung. Mit bis zu 8 GS Speicher lassen sich 800 ms bei 10 GS/s ausgeben. Längere Wellenformen sind per Streaming von der CPU oder einer GPU mit bis zu 10 GByte/s möglich. Die Geräte sind für automatisierte, ferngesteuerte Anwendungen konzipiert und vollständig programmierbar. Die GUI SBench 6 unterstützt die interaktive Steuerung, Wellenformerstellung und Datenanalyse.

Beispiel 1: Messen der HF-Filtereigenschaften

Für die Messung des Frequenzgangs eines Filters werden eine Signalquelle und ein Messgerät benötigt, beide mit größerer Bandbreite als der Filter. Im Beispiel wird ein 50 MHz-Bandpassfilter mit 425 MHz Mittenfrequenz geprüft. Geeignete Testsignale sind gewobbelte Sinuswellen, Impulse und weißes Rauschen – die gewobbelte Sinuswelle bietet dabei die höchste Dynamik und wird am häufigsten genutzt.

Der für den Filter-Test erforderliche linearen Sinus-Sweep wird mit dem Arbiträrgenerator M5i.6350-x16 mit 10 GS/s Ausgangsrate, 2,5 GHz Bandbreite und 16 Bit Auflösung erzeugt. Ein Digitizer M5i.3360-x16 mit 10 GS/s Abtastrate, 4,7 GHz Bandbreite und 12 Bit Auflösung misst den Frequenzgang am Filterausgang. Die Geräte werden hier über die SBench 6 GUI von Spectrum gesteuert.

SBench 6 enthält einen Funktionsgenerator, der über mathematische Gleichungen mit diversen mathematischen Operatoren, Funktionen und Konstanten komplexe Wellenformen erzeugt. Dabei werden Abtastrate, Dauer, Amplitude und Gleichung definiert. Im Beispiel wird damit eine gewobbelte Sinuswelle erzeugt. Das Testsignal sollte einen größeren Frequenzbereich als die Filterbandbreite abdecken. Im Beispiel reicht der Sweep von 333 bis 625 MHz in 10 µs. Bild 1 zeigt das erzeugte Signal.

Der vollständige Sweep ist im oberen linken Raster zu sehen. Gezoomte Ansichten unten links und in der Mitte zeigen die Frequenzänderung. Die FFT im rechten Raster – ein Analyse-Tool von SBench 6 – zeigt den flachen Frequenzgang des Signals. Rote und blaue Cursor markieren Start- und Endfrequenzen (333 bis 625 MHz), wie im Infobereich links angezeigt. Dieses Signal wird an den AWG-Ausgang gesendet.

Der AWG-Ausgang speist den Filtereingang, der Ausgang des Filters ist mit dem Digitizer verbunden. Eine separate SBench 6-Instanz erfasst und analysiert das Filterausgangssignal per FFT (Bild 2). Wie das Beispiel zeigt, können die AWGs der M5i.63xx-Serie mit ihrer 16 Bit-Amplitudenauflösung komplexe Hochfrequenzsignale mit großer Präzision und hoher Signalreinheit erzeugen.

Beispiel 2: Mehrtonprüfung für Verstärkerlinearität und EMV

Mehrtontests zur Beurteilung der Linearität von Verstärkern werden mit dualen Sinussignalen durchgeführt, die eine hohe Signalreinheit erfordern. Die Signale werden in den Verstärker eingespeist, und die Verzerrungen aufgrund der Nichtlinearität werden gemessen. Die AWGs der 63er-Serie von Spectrum erzeugen das Zweiton-Sinussignal mit geringer Verzerrung auf einem Kanal, wie in Bild 3 gezeigt.

SBench 6 erzeugt die Zweiton-Wellenform durch Summieren zweier Sinuswellen mit Frequenzen von 1,6667 und 1,6664 GHz. Die resultierende Wellenform zeigt ein Schwebungsmuster, das der Frequenzdifferenz entspricht (links oben und gezoomt links unten). Die FFT des Signals zeigt eine kombinierte Frequenzspitze bei 1,66 GHz (rechts oben), und die gezoomte FFT zeigt die beiden Frequenzkomponenten, markiert mit roten und blauen Cursorn (rechts unten). Das Testsignal wird vom AWG erzeugt und an den Verstärker angelegt. Die Messung des Verstärkerausgangs mit einem Digitizer M5i.3360-x16 von Spectrum ist in Bild 4 zu sehen.

Die Bild 4 zeigt rechts das erfasste Zeitsignal mit der Schwebungsfrequenz der beiden Träger. Die Cursor markieren die Schwebungsfrequenz. Das Frequenzspektrum des Signals (links) zeigt die klassischen Intermodulations-Mischkomponenten. Mischsignale dritter Ordnung entstehen durch die Mischung einer zweiten Harmonischen des Trägers mit dem anderen Träger. Weitere Mischprodukte entstehen durch ähnliche Mischungen. Diese Harmonischen und Mischkomponenten werden zur Berechnung von Gütezahlen für die Verstärkerqualität verwendet. Die Reinheit des Testsignals ist entscheidend für die Messgenauigkeit. Mehrtonprüfungen werden auch in der EMV eingesetzt, um die Anfälligkeit eines Geräts gegenüber HF-Störungen in einem bestimmten Frequenzbereich zu testen und die Testzeit zu verkürzen.

Beispiel 3: Modulierte HF-Kommunikationssignale

Hochfrequenz-Kommunikationssignale werden meist auf modulierten Trägern übertragen, wobei die Modulation die Amplitude, Frequenz oder Phase des Trägers variiert. Der lineare Frequenzdurchlauf für Filtertests ist eine Form der Frequenzmodulation. Phasenmodulation wird in Radaranwendungen zur Leistungssteigerung verwendet. Bild 5 zeigt die Entstehung eines phasenmodulierten Radarimpulses.

Die Phasenmodulation eines Radarimpulses zerlegt den Impuls in Segmente, die jeweils mit einer spezifischen Phasenverschiebung übertragen werden. In diesem Beispiel gibt es dreizehn Segmente. Die Phasenverschiebung wird durch einen binären Code gesteuert, wobei der Wert zwischen binären Zuständen wechselt und eine feste Phasenverschiebung von etwa zwei Radianten bei jedem Übergang verursacht. Das Testsignal wird mit SBench 6 erstellt.

Bis zu acht Messkarten phasenstabil synchronisieren

Die AWGs der 63er-Serie von Spectrum sind als PCIe-Karten und Ethernet-Stand-alone-Geräte mit einem oder zwei Kanälen erhältlich. Für MIMO-Anwendungen können mehrere PCIe-Karten über ein Star Hub-Modul synchronisiert werden, das phasenstabile Synchronisierung von bis zu acht Karten ermöglicht. Dies erlaubt Systeme mit bis zu 16 Kanälen (5 GS/s) oder acht Kanälen (10 GS/s). Der Taktversatz zwischen den AWGs kann um ±127 ps kompensiert werden.

Die AWGs der 63er-Serie von Spectrum Instrumentation erlauben es mit einer Ausgaberate von bis zu 10 GS/s, einer analoge Bandbreite von bis zu 3,9 GHz und 16-Bit-Amplitudenauflösung nahezu jede Wellenform zu erzeugen. Mit 12 Varianten in PCIe- und Ethernet-Formfaktoren ermöglichen sie die Erzeugung hochfrequenter, reiner und verzerrungsarmer Signale. (heh)

Interview Oliver Rovini, Spectrum Instrumentation

„Maßgeschneiderte Synchronisation minimiert Phasenfehler“

* Oliver Rovini ist Technischer Leiter und Arthur Pini ist T&M-Ingenieur. Beide arbeiten für Spectrum Instrumentation.

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