HF-Komponenten für 5G mit PXI-Messtechnik untersuchen

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Bei HF-Tests von Komponenten und Geräten für 5G müssen Testingenieure auf Pfadverluste und Signalausbreitung achten. PXI-Messtechnik verspricht, den Anwender bei der Arbeit zu unterstützen.

Im Vergleich zu 4G (LTE) bietet 5G NR (New Radio) eine größere Kanalbandbreite sowie mehr Funkfrequenzen. Die verwendeten Frequenzen beginnen bei unter einem Gigahertz und reichen bis in den Millimeterwellen-Band (Frequenzen größer 30 Gigahertz) [1]. Allerdings sind komplexere Konfigurationen bei den verwendeten Antennen notwendig, was für den Testingenieur einen größeren Aufwand bedeutet. Die verwendeten Frequenzbänder liegen im sogenannten Millimeterwellen-Bereich.

Dazu hat der 5G-NR-Standard zwei Frequenzbereiche definiert: Sub-6-GHz- (FR1: 410 MHz bis 7,125 GHz) und Millimeterwellen-Bänder (FR2: 24,25 bis 52,6 GHz). Somit müssen 5G-Geräte und -Messgeräte einen oder beide Frequenzbereiche unterstützen. Millimeterwellen stellen Herausforderungen im Zusammenhang mit Pfadverlust und Signalausbreitung dar. Bei Millimeterwellen ist der Pfadverlust zwischen Messgeräten und Prüflingen höher als im Band von Sub-6-GHz. Darüber hinaus erschweren Testmethoden Over-the-Air (OTA) für Leistungskennzahlen in den Sub-6-GHz- und Millimeterwellen, belastbare und wiederholbare Ergebnisse zu erreichen.

Beim 5G sind leistungsstarke Messgeräte notwendig

Damit Messtechniker die Messunsicherheiten bei den hohen Frequenzen reduzieren können, sind leistungsstarke Signalgeneratoren und Signalanalysatoren unerlässlich. Sie stellen sicher, dass die Fehler nicht von Messgeräten stammen. Die Integration sogenannter Systeme zur Design-Verifikation für 5G-Millimeterwellenbänder erfordert Testfunktionen wie hohe Ausgangsleistung, gute Fehlervektorgröße (EVM), Nachbarkanalleistung (Adjacent Channel Power, ACP), Dynamikbereich und komplexe Systemintegration. Mit einer In-Band-Testlösung lassen sich spezifische Frequenzbänder für bestimmte Testanwendungen oder Standards abdecken. Ein 6-GHz-Vektorsignalanalysator (VSA) und ein Vektorsignalgenerator (VSG) decken alle gängigen Testfälle für FR1-Betriebsbänder ab.

Werden VSA und VSG mit einem externen Millimeterwellen-Transceiver gekoppelt, können sie als Zwischenfrequenz- (IF-)Signalanalysator und -Signalgenerator für FR2-In-Band-Tests eingesetzt werden. Über eine PXI-Plattform lassen sich mehrere Messgeräte in einem Gehäuse integrieren. Beim Messen von Millimeterwellen muss der Messkopf so nah wie möglich an die Antenne geführt werden, um die Signalführung der Millimeterwellen zu verkürzen und so die Einfügungsdämpfung zwischen Testsystem und Prüfling zu reduzieren.

Datenbandbreiten bis 8 GBit/s

Die maximale Kanalbandbreite bei 5G NR beträgt 400 MHz für FR2 und die maximale zusammenhängende aggregierte Kanalbandbreite bis 1,2 GHz. Damit sich die Nichtlinearität von Leistungsverstärkern mit erweiterten Messungen wie digitale Vorverzerrungstechniken charakterisieren lässt, sind Signalgenerierungs- und Analysegeräte mit bis zu einer Bandbreite von 1,2 GHz notwendig. Das ist das Dreifache der Kanalbandbreite zur Auswertung von DPD. Bei so breitbandigen Signalen dauert es einige Zeit, die Messdaten zur weiteren Signalverarbeitung an einen Computer zu übertragen und die verarbeiteten Daten an den Generator zurückzugeben.

Mit einer neuen Generation PCIe-Gen3-Plattform von PXIe stehen dem Anwender Datenbandbreiten bis 8 GBit/s Slot-to-Slot zur Verfügung. Damit lassen sich mit einem leistungsstarken PXI-FPGA-Rechenmodul gemessene und verarbeitete Daten zwischen den Modulen übertragen. Der Zugriff auf das benutzerdefinierte FPGA ermöglicht es, individuelle Rechenalgorithmen und Testanwendungen zu implementieren. Dazu gehören beispielsweise DPD- und Envelope-Tracking- (ET-)Signalprozesse. Die FPGA-Hardwareverarbeitung und der Datentransfer über die PXIe-Backplane beschleunigen DPD/ET-Testanwendungen erheblich. Es ist eine bis zu 20-fache Verbesserung der Messgeschwindigkeit für die schnellsten DPD/ET-Messungen möglich.

Testkonfiguration mit mehreren Antennen

Der Einsatz von 5G erfordert mehrere Antennen wie MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output) und Beamforming. Damit lässt sich die spektrale Effizienz und Funkabdeckung verbessern. Der ursprüngliche 5G-NR-Standard spezifiziert 8x8 MIMO, was die Komplexität des Aufbaus eines mehrkanaligen HF-Testsystems erhöht. Um die Leistungsfähigkeit des mehrkanaligen Signals genau beurteilen zu können, müssen Timing und Phase zwischen den Testkanälen präzise aufeinander abgestimmt sein.

Timing-Synchronisation im Basisband: Wenn die Anzahl der synchronisierten Kanäle steigt, wird die Verkabelung zwischen den Messgeräten wesentlich komplizierter und der Testaufbau dauert länger. PXI-Instrumente können Taktgeber gemeinsam nutzen und Triggersignale über einen Backplane-Bus leiten. Die feste Testumgebung und der minimale Verkabelungsaufwand erleichtern die Implementierung der Synchronisation und die wiederholbaren Triggerereignisse.

Phasenkohärenz: HF-Systeme mit mehreren Antennen verwenden einen gemeinsamen lokalen Oszillator (LO), der auf mehrere Kanäle verteilt wird. Eine ähnliche Struktur ist erforderlich, um HF-Systeme mit mehreren Antennen zu simulieren oder zu analysieren. Ein kommerzieller Signalgenerator oder Signalanalysator verfügt jedoch über einen eigenen unabhängigen Synthesizer. Damit lässt sich nur schwer eine enge Phasenkohärenz erreichen.

Statische Zeit- und Phasenverschiebungen

Wenn sich mehrere Messgeräte einen gemeinsamen LO teilen, ist es möglich, statische Zeit- und Phasenverschiebungen zu kalibrieren, die von Kabellängen und Steckverbindern stammen. Neue HF-Synthesizer verwenden ein DDS-Verfahren (Direct Digital Synthesis) und profitieren von einer niedrigen Leistungsaufnahme, einem kleinen Gehäuse, einem schnellen Frequenz-Sweep, einem geringen Phasenrauschen und einer einstellbaren Phase. PXI-Geräte für 5G-Phasenkohärenztests bieten diese Vorteile. Das Bild 1 zeigt einen zweikanaligen phasenkohärenten 44-GHz-Vektor-Signalgenerator mit einer Modulationsbandbreite von 2 GHz in einem PXI-Gehäuse.

Allerdings werden die Testmargen für Multiport-HF-Komponenten wie HF-Frontend-Module (FEMs) und Transceiver immer enger. Damit wird eine Multiport-Testarchitektur erforderlich. Eine echte Multiport-Testarchitektur bietet eine höhere Leistungsfähigkeit als eine Switch-basierte Lösung und somit eine höhere Messgeschwindigkeit durch simultane Sweeps. Mit einer PXI-Modulplattform lassen sich mehrere PXI-Vektor-Netzwerkanalysator-Module kaskadieren (Bild 2).

Referenz

[1] „Was ist 5G New Radio (5G NR)?“ aus IP Insider (abgerufen am 16.9.2019

* Eric Hsu ist bei Keysight Technologies für das Produktmarketing verantwortlich.

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