Mit einer Softwareoption Signale für 5G NR erzeugen und analysieren

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Der künftige Mobilfunkstandard 5G gewinnt weiter an Fahrt. Wie sieht es aufseiten von Test und Design aus? Eine spezielle Softwareoption für Signalgeneratoren und -analysatoren unterstützt den Messtechniker.

Zwei Maßnahmen sollen 5G NR (New Radio) zu höheren Datenraten als in LTE verhelfen: Der Einsatz von Millimeterwellen bis 100 GHz [1] und die Unterstützung höherer Signalbandbreiten. 5G NR nutzt Bandbreiten bis zu 100 MHz bei Trägerfrequenzen unter 6 GHz und bis zu 400 MHz bei Frequenzen im Millimeterwellenbereich. 5G NR nutzt im Up- und Downlink OFDM, um die Bandbreiten effizient auszunutzen, erlaubt aber variable Unterträgerabstände in unterschiedlichen Frequenzbändern. Es wird erwartet, dass bis zu 16 Träger gebündelt werden können, um damit für Einzelgeräte Bandbreiten im Gigahertzbereich bereitzustellen.

5G NR setzt in hohem Maße MIMO und Beamforming mit Antennen-Arrays ein, um der größeren Dämpfung bei hohen Frequenzen entgegenzuwirken. Leistungsverstärker mit den geforderten Eigenschaften zu entwerfen ist anspruchsvoll und erfordert mögliche neue Designansätze wie bei der digitalen Vorverzerrung. Für Frequenzen im Millimeterwellenbereich sind sowohl die Schaltungen als auch die Komponenten sorgfältig zu entwickeln und auszuwählen. Effekte wie Phasenrauschen durch Mischer und Vervielfacher nehmen ab.

Das Problem der hohen Frequenzen

Beamforming bedingt eine sehr gute Synchronisation der Amplituden und Phasen zwischen den Elementen aktiver Antennensysteme. Die hohen Frequenzen verschärfen die Anforderungen für Test- und Messverfahren. Einerseits erfordern die kurzen Wellenlängen und die höheren Verluste in den Schaltungen eine hohe Integration, was es unmöglich macht, Testanschlüsse einzubauen. Effekte durch Anschlüsse und Messobjektaufnahmen sind nicht mehr vernachlässigbar, sie können die Aussagekraft von kabelgebundenen Messungen beeinflussen. Deshalb werden Messungen über die Luftschnittstelle, kurz auch OTA, eine wichtige Rolle spielen. Für Entwickler bedeutet das, sie brauchen geeignete Signalquellen und -analysatoren.

Mithilfe der Option R&S SMW-K144 für den R&S SMW200A lassen sich sowohl Signale für Up- und Downlink-Signale nach 5G-NR für unterschiedliche Testanwendungen erzeugen. Der Generator stellt extrem reine 5G-NR-Signale bereit, die über einen geringen Frequenzgang verfügen und Bandbreiten bis 2 GHz bei Frequenzen bis 40 GHz verfügen. Zudem unterstützt die Software alle in den Standards spezifizierten Wellenformen wie Cyclic Prefix OFDM und DFT-s-OFDM [2], Kanalbandbreiten von 5 MHz bis 400 MHz, Modulationsarten bis 256 QAM, Unterträgerspreizung von 15 kHz bis 240 kHz und Cyclic-Prefix-Optionen.

Verluste bei den Millimeterwellen ausgleichen

Über die Bedienoberfläche lassen sich die verschiedenen Parameter wie das sogenannte Bandwidth Parts konfigurieren. Eine weitere Option ist R&S FSW-K144 für den Signal- und Spektrumanalysator R&S FSW. Enthalten sind Funktionen für die tief gehende Analyse von 5G-NR-Downlink-Signalen mit standardkonformen Parametern für FFT-Größe oder Länge des Cyclic Prefix. Die Parameter lassen sich entweder am Messgerät einstellen oder automatisch ermitteln. So beispielsweise die Cell ID, die andere Signalparameter beeinflusst. Ein Signalgenerator für 5G NR muss sehr reine Breitbandsignale mit sehr gutem EVM über einen weiten Frequenzbereich bereitstellen können.

Pflicht sind erstklassige Spektral-, Phasen- und Amplitudeneigenschaften. Zum Ausgleichen der hohen Verluste bei den Millimeterwellen ist eine hohe HF-Ausgangsleistung notwendig. Der Vektorsignalgenerator R&S SMW200A erfüllt die Anforderungen aus 3GPP Release 153 [3]. Er generiert Signale mit 2 bis 40 GHz. Mit der automatischen internen Pegelkorrektur ist ein Frequenzgang <0,4 dB möglich, gemessen bei einer Bandbreite von 2 GHz über die gesamte Frequenz. Ausgangsleistungen bis +18 dBm erlauben OTA-Tests ohne Zusatzverstärker. Die spektralen Eigenschaften stellen sicher, dass 5G-NR-Signale mit einer gemessenen EVM von >0,3% für ein 100-MHz-Downlink-Signal erzeugt werden können. Mit integriertem Fading-Simulator lassen sich auch komplexe Anwendungen wie Echtzeit-Fading unterstützen.

Analysebandbreiten bis 5 GHz bei Frequenzen bis 90 GHz

Für 5G NR sind Analysebandbreiten von >1 GHz erforderlich, um das Zusammenspiel mehrerer Träger zu erfassen. Die Option R&S FSW-B1200 stattet die Modelle mit 43 und 50 GHz des Signal- und Spektrumanalysators R&SFSW mit einer internen Analysebandbreite von 1,2 GHz aus. Der A/D-Wandler mit 14 Bit bietet eine geringe inhärenten EVM. Auch der Messaufbau und die Verkabelung zwischen den Geräten sind einfacher. Die Option R&S FSW-B2001 vergrößert die Analysebandbreite von R&S FSW43 und R&S FSW50 intern auf 2 GHz. Damit können Designer von Leistungsverstärkern für 5G NR beispielsweise Vorverzerrer entwickeln und verifizieren. Bei höheren Bandbreiten lässt sich der R&S FSW85 mit dem Oszilloskop R&S RTO2064 koppeln. Dann stehen Analysebandbreiten bis 5 GHz bei Frequenzen bis 90 GHz zur Verfügung.

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Referenzen

[1] Rel-15 definiert zwei Frequenzregionen (FR): FR1 (450 MHz bis 6 GHz) und FR2 (24,25 GHz bis 52,6 GHz). Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses ­Artikels wurden in 3GPP TS 38.101-2 v15.0.0 (offizielle, eingefrorene Non-Standalone-5G-NR-Spezifikation vom Dezember 2017) drei Bänder für FR2 spezifiziert: n257 (28 GHz), n258 (26 GHz) und n260 (39 GHz).

[2] Discrete Fourier Transform-spread-OFDM.

[3] Offizielle 3GPP Rel-15, eingefrorene Non-Standalone-NR-Spezifikation vom Dezember 2017 (TS 38.101-1 v15.0.0 und TS 38.101-2 v15.0.0)

* Johan Nilsson ist seit 2001 Produktmanager für Spektrumanalysatoren. Dr. Patrick Agyapong ist seit 2017 Produktmanager Signalgeneratoren. Beide arbeiten bei Rohde & Schwarz in München.

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