HF-Diagnose HF-Analysatoren für eine präzise Signalverarbeitung

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Die Erzeugung und Analyse komplexer Signale ist eine der zentralen Anforderungen bei einem HF-Design. Anspruchsvolle Signalformen machen verbesserte Sende- und Empfangssysteme erforderlich, insbesondere im Hinblick auf die Interferenz- und Modulationsanalyse.

Die präzise Erzeugung und Analyse komplexer Signale gehört zu den zentralen Herausforderungen während der Test- und Optimierungsphase von HF-Designs. Mit dem Einsatz immer anspruchsvollerer Signalformen steigen auch die Anforderungen an die Prüfung von Sende- und Empfangssubsystemen. Dies reicht von der Interferenz- bis zur Modulationsanalyse. Moderne Standards wie 5G NR, Wi-Fi 6 und Wi-Fi 7 setzen höhere Trägerfrequenzen, größere Bandbreiten und steigende Symbolraten in noch komplexeren Modulationsschemata voraus.

Um diese Signale für Designverifikation und Debugging zuverlässig zu erfassen oder zu erzeugen, sind leistungsfähige Mess- und Erzeugungssysteme erforderlich. Die zunehmende Vielfalt neuer Protokolle, Modulationen und Kanalmodelle macht den Einsatz der nächsten Generation von Basisband-, Generations- und Analyselösungen unverzichtbar. Nur so lassen sich HF-Entwicklung und Testverfahren effizient vorantreiben.

Limitierungen und Auswirkungen bei einem Vektorsignalgenerator

Typische HF-Signalquellen ermöglichen eine Signalemulation innerhalb einer Bandbreite von 50 bis 200 MHz, das für viele Anwendungen, jedoch stets mit einer entsprechenden Begrenzung der Symbolrate, ausreichend ist. Die Vektorsignalgenerator-Serie SSG5000X-V von Siglent bietet beispielsweise eine Modulationsbandbreite von 150 MHz, was die maximale Symbolrate auf 60 MSym/s limitiert. Diese Einschränkungen beeinflussen sowohl die Vielfalt der emulierbaren Signale als auch die Qualität des erzeugten Signals. Ein zentrales Kriterium bei der Überprüfung von Übertragungssystemen ist der Fehlervektorbetrag (EVM), der maßgeblich von der Reinheit des Stimulus-Signals abhängt.

Faktoren wie Abtastrate und Bandbreite des IQ-Basisbandgenerators, Frequenzgenauigkeit, Linearität der Ausgangsstufe, Zeit seit der letzten Kalibrierung und Phasenrauschen wirken sich direkt auf die Signalintegrität und damit auf den EVM aus. In einem Vergleichstest (Bilder 1 und 2) mit identischem Analysator und ausreichend hoher Leistung, wurde ein Standard-64-QAM-Testsignal (pseudozufällige Daten, 5-GHz-Träger, 30 MSym/s, Direktverkabelung) vermessen. Der SSG5000X-V erreichte dabei einen RMS-EVM von 0,87 %, während der SSG6082A-V mit 0,74 % einen geringeren Fehler aufwies. Über alle typischen und gemessenen IQ-EVM-Signale, darunter W-CDMA, LTE, GSM, EDGE, QAM, QPSK und CDM2000, lag der EVM des SSG6082A-V ungefähr ein Fünftel unter den Werten des SSG5000X-V.

Eine größere Speichertiefe für längere und dynamische Signalverläufe

Fehler, die durch Geschwindigkeits- und Bandbreitenbeschränkungen des Basisbandgenerators verursacht werden, können sich in Form von Interferenzen, zusätzlichem Rauschen sowie Mehrbandtönen und -kanälen bemerkbar machen. Anwendungen mit additivem weißem Gaußschen Rauschen (AWGN) sind direkt durch die verfügbare Signalbandbreite begrenzt. Dabei legt die IQ-Bandbreite die maximale Breite des erzeugbaren Rauschens fest, da die Abtastrate des Basisbands mindestens diese Bandbreite abdecken muss.

Komplexe Interferenzsignale mit mehreren Tönen oder IQ-Signalen in verschiedenen Kanälen erfordern erweiterte Abtast- und Speicherressourcen. Neben der Abtastrate spielt dabei die Kapazität des Basisband-Samplespeichers eine zentrale Rolle. Eine größere Speichertiefe ermöglicht längere und dynamischere Signalverläufe bei hohen Abtastraten. Der SSG6082A-V kann beispielsweise Basisbandsignale mit über 2 Mrd. Samples erzeugen. Zur Unterstützung der Entwickler können Signale am PC mit Hilfe einer Signalentwicklungssoftware wie SigIQPro erstellt werden und auf das Gerät übertragen werden. Bild 3 zeigt dazu ein Beispiel mit 100 Tönen im Abstand von 5 MHz auf einem 4-GHz-Träger.

Wi-Fi-Interferenztests erfordern häufig standardisierte aktive Signale in mehreren Kanälen, um Kanalwechsel- und Durchsatzverhalten zu untersuchen. Die Kombination aus großer Bandbreite, hoher Symbolrate und ausreichender Speichertiefe wird benötigt, um mehrere Kanäle mit jeweils eigenen Wellenformen zu einem einzigen Muster zusammenzuführen. In Bild 4 ist dies exemplarisch dargestellt. Einige moderne Kommunikationsprotokolle erfordern eine deutlich höhere Modulationsbandbreite als bisher üblich. Während herkömmliche LTE-Signale typischerweise mit 20-MHz-Kanälen arbeiten, nutzen aktuelle 5G-NR-Signale Bandbreiten bis 100 MHz und 802.11be-Signale für Wi-Fi 7 sogar bis zu 320 MHz. Solche Anwendungen setzen die Fähigkeit voraus, breitbandige und komplexe Signale mit hohen Symbolraten und Modulationsverfahren wie QAM 1024 zu erzeugen. Diese Verfahren steigern den Durchsatz, indem mehr Bits pro Symbol übertragen werden.

Die Kombination aus großer Bandbreite, hoher Symbolrate und komplexen Modulationsschemata ist entscheidend, um die verfügbare Übertragungskapazität optimal zu nutzen. Kennzahlen wie Fehlervektorbetrag (EVM), Bitfehlerrate und erzielter Datendurchsatz dienen dabei zur Bewertung der Signalintegrität und Effizienz. Die Erzeugung breitbandiger Signale ermöglicht eine umfassendere Analyse der Bandbreitennutzung, da sie realistische, anwendungsspezifische Testszenarien mit hoher Genauigkeit und Wiedergabetreue abbilden kann.

Entwicklung der Leistungsfähigkeit moderner HF-Analysatoren

Analog zur kontinuierlichen Leistungssteigerung bei HF-Signalgeneratoren entwickeln sich auch Funktionsumfang und Genauigkeit moderner Analysatoren weiter. Dazu zählen größere Speicherkapazitäten, verbesserte Messpräzision sowie eine erweiterte Analysebandbreite. Eine Möglichkeit zur Visualisierung dynamischer HF-Signale ist die Echtzeit-Dichteansicht. Diese wird durch viele schnelle Fast-Fourier-Transformationen (FFT) der Zeitbereichssamples innerhalb eines gegebenen Spektrums erzeugt. Ein zentraler Aspekt ist dabei die 100-prozentige Erfassungswahrscheinlichkeit (Probability of Intercept, POI). Sie definiert die kürzeste Pulsdauer, die durch den Analysemodus zuverlässig erfasst werden kann. Die POI wird im Wesentlichen durch die Abtastrate sowie durch das Interleaving oder die Überlappung der FFTs beeinflusst.

Für aktuelle Kommunikationsstandards wie 5G oder Wi-Fi ist die POI von besonderer Bedeutung, da viele dieser Signale kurze, intermittierende Pulse oder Burst-Übertragungen enthalten. Nur mit einer ausreichend hohen Erfassungswahrscheinlichkeit lassen sich diese Signalereignisse zuverlässig abbilden und bewerten. Instrumente wie der SHA862A stellen hierzu nicht nur Demodulationsansichten, sondern auch Echtzeit-Bandbreitenansichten von bis zu 110 MHz bereit. In Verbindung mit präziser Abtastung verbessert eine größere Analysebandbreite die Möglichkeit, komplexe Signale detailliert und mit höherer Genauigkeit zu untersuchen.

Breitbandige Signalaufnahmen lassen sich mit modernen Hochgeschwindigkeitsoszilloskopen als Kernkomponente eines Analysesystems realisieren. Mit bis zu 8 GHz nahezu DC-gekoppelter Bandbreite bietet ein Oszilloskop der SDS7000A-Serie eine schnelle Abtastung von 20 GSa/s bei einer Auflösung von 12 Bit. Die so gewonnenen Daten können zur Visualisierung von bis zu 1-GHz-Bandbreite genutzt werden. In Bild 5 ist eine breitbandige Echtzeitansicht des Spektrums mit hochauflösendem Oszilloskop dargestellt. Für weiterführende Auswertungen lassen sich digitale Down-Conversion-Techniken einsetzen. Diese ermöglichen die Extraktion von IQ-Daten aus dem Träger und die Nutzung der hohen Abtastrate zur Demodulation komplexer, breitbandiger Signale.

Ein Beispiel ist das im Einstieg des Textes gezeigte Bild mit dem 5G-NR-Signal, das hinsichtlich EVM und Bit-Genauigkeit analysiert werden kann. Digitale Down-Conversion reduziert dabei systematische Fehler, die bei analogen Umwandlungstechniken auftreten könnten. Auf diese Weise lassen sich Bit-Ebene-Validierung und Fehlervektoranalyse sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich visuell darstellen, was Debugging und Fehleranalyse unterstützt. Darüber hinaus können höhere Protokollprüfungen, etwa Kanal- oder Leitungsmessungen, ergänzt werden. (heh)

Breitband-Kommunikation

Leistungsoptimierung für HF-Verstärker

Vektorsignalgenerator

Breitbandige HF‑Tests für 5G, Radar und IoT mit dem SSG6082A‑V

* Thomas Rottach ist für Sales und Marketing bei Siglent Technologies Germany verantwortlich.

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