Signal- und Spektrumanalyse Neue Architektur verspricht höhere Messgeschwindigkeit und einfache Testaufbauten

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Moderne Mobilfunk- und Wireless-Anwendungen fordern steigende Bandbreiten und Modulationsordnungen. Das sprengt die Leistungsgrenzen aktueller Signalanalysatoren. Die Antwort ist eine neue Architektur mit doppelten Empfangspfaden und Vorselektion.

Moderne Mobilfunk- und Wireless-Technologien fordern blitzschnelle Datenraten mit beeindruckenden Modulationsbandbreiten. Dafür ist ein herausragendes Signal-Rausch-Verhältnis entscheidend, um präzise Datenübertragungen zu gewährleisten. Doch oft stoßen aktuelle Signalanalysatoren an ihre Grenzen, was die umfassende Messung der nötigen Performance angeht. Um diese Hürden zu überwinden, setzen wir auf I/Q-Mittelwertbildungen und Kreuzkorrelationstechniken, um störende Rauscheffekte zu minimieren. Die I/Q-Mittelwertbildung ist ein bewährtes Mittel zur Rauschunterdrückung, allerdings gilt sie nur für sich wiederholende Signale. Hierbei werden identische I/Q-Daten mehrfach gemittelt, wodurch zufälliges Gaußsches Rauschen abnimmt, während das Kernsignal konsistent bleibt.

Diese Methode verbessert den Dynamikbereich erheblich und dämpft messgerätebedingtes Rauschen. Doch was tun, wenn das Signal nicht wiederholend ist? In solchen Fällen springt die Kreuzkorrelation ein: Zwei synchronisierte Analysatoren arbeiten mit erweiterten Signalverarbeitungsmöglichkeiten, um den Dynamikbereich zu optimieren. Dies bringt allerdings mehr Komplexität und höhere Kosten mit sich.

Komplexe Messgeräte wie Oszilloskope bieten oft zwei oder mehr Eingänge für solche Anwendungen. Dennoch bleibt der Dynamikbereich eines Oszilloskops in der Regel begrenzt. Der A/D-Wandler eines Oszilloskops ist für die Breitbanddigitalisierung optimiert. Im Gegensatz dazu bieten PXI-Module mit mehreren Eingängen typischerweise einen größeren Dynamikbereich. Allerdings ist die Messdynamik eingeschränkt, wenn keine Vorselektion erfolgt und dadurch unerwünschte Signale bei der Spiegelfrequenz oder unerwünschte Mischprodukte das relevante Frequenzband beeinträchtigen.

Eine neue Architektur eröffnet vielseitige Möglichkeiten

Die moderne Architektur von Signalanalysatoren mit zwei internen Empfangspfaden eröffnet zahlreiche Möglichkeiten. Mit einer Vorselektion am Eingang werden unerwünschte Signale unterdrückt. Hersteller können sowohl die Empfangspfade als auch den externe Splitter optimal kalibrieren und entzerren. Mit einem einfachen Knopfdruck aktiviert, macht die Kreuzkorrelation Splitter und zusätzliche Kalibrierungsschritte überflüssig. Entfallen die Splitter, können zwei HF-Eingangstore direkt an die Empfangseinheiten angeschlossen werden. Das eröffnet Anwendungen in modernen Technologien wie MIMO, Beamforming oder Störungsanalysen. Besonders vorteilhaft ist dies für Mobilfunk- und Wireless-Standards wie WLAN, 5G oder Radarsysteme. Diese duale Empfangspfad-Architektur steigert spürbar die Leistungsfähigkeit (Bild 1).

Die Implementierung der Kreuzkorrelationsfunktion erweitert den Dynamikbereich und ermöglicht Messergebnisse, die über herkömmlichen Analysatoren liegen. Solche Techniken, wie bei professionellen Phasenrauschmessgeräten wie R&S FSWP und R&S FSPN, helfen, das Phasenrauschen des internen Lokaloszillators zu unterdrücken. In der modernen Kommunikation sind hohe Frequenzen entscheidend, doch das Phasenrauschen bleibt eine große Herausforderung. Es verstärkt sich mit dem 20-fachen des Logarithmus der Frequenz, beeinträchtigt bei hohen Frequenzen die EVM-Performance (Error Vector Magnitude) und erfordert mitunter ein Downgrade auf niedrigere Modulationsordnungen, was die Datenrate beeinträchtigt. Um die Phasenrauschleistung zu optimieren, müssen Synthesizer und Oszillatoren präzise getestet werden.

Warum oftmals Phasenrauschtester notwendig sind

Leistungsstarke Signal- und Spektrumanalysatoren sind daher unerlässlich. Allerdings werden sie oft durch ihre internen Lokaloszillatoren limitiert, weshalb spezialisierte, oftmals teure, Phasenrauschtester notwendig sind, um verlässliche Analysen zu gewährleisten. Bild 2 zeigt, wie sich die Qualität eines QPSK-Signals bei einer Abtastrate von 20 MHz mit steigendem Phasenrauschen verschlechtern. Solange das Phasenrauschen bei einem Wert von -95 dBc/Hz liegt, bleiben die Informationen klar. Steigt es jedoch, beispielsweise auf -80 dBc/Hz, wird die Datenübertragung unsicher, was BPSK-Modulation und eine geringere Datenrate erzwingt. Eine Phasenrauschleistung von mindestens -90 dBc/Hz ist für QPSK unerlässlich, aber herausfordernd bei einer Mittenfrequenz von 140 GHz. Hier beweisen Kreuzkorrelationstechniken ihren Wert in der präzisen Messung und Optimierung von Synthesizern und Oszillatoren..

In der modernen Radar-Technologie ist die Erkennung von Zielen mit kleinem Radarquerschnitt (RCS), wie etwa Drohnen, besonders wichtig. Um diese Präzision zu erreichen, muss die Messtechnik empfindlicher werden. Dies gelingt durch eine Verringerung des Breitband-Grundrauschens und eine Optimierung der Phasenrauschleistung des Lokaloszillators im Radar. Diese Verbesserungen stellen sicher, dass schwache Reflexionen von kleinen Zielen mit minimaler Dopplerverschiebung sichtbar bleiben, ohne von Störsignalen überlagert zu werden.

Kleine Störsignale identifizieren, damit die Radarsensibilität besser wird

Neben der Reduzierung des Phasenrauschens und der Dämpfung von Eingangsrauschen ist es entscheidend, kleine unbeabsichtigte Nebenlinien und Störsignale zu identifizieren. Diese können fälschlicherweise als echte Ziele erkannt werden und die Sensibilität des Systems beeinträchtigen, indem sie die Vertrauenswürdigkeit echter Ziele verringern. Aktuelle Technik, wie Signal- und Spektrumanalysatoren, hilft bei der Erkennung solcher Störungen. Um Nebenlinien nahe des Grundrauschens zu erfassen, müsste jedoch die Auflösebandbreite (RBW) des Analysators enorm reduziert werden, was aufgrund langer Einschwingzeiten zu langsameren Sweeps und einer verlängerten Messdauer führt.

Eine Empfängerarchitektur mit doppeltem Pfad und Kreuzkorrelationsfähigkeit könnte hier entscheidende Vorteile bieten. Diese kann das Eigenrauschen fast bis zur physikalischen Grenze verringern, ohne die RBW einschränken zu müssen. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Analysatoren, bei denen niedrige RBW die Geschwindigkeit des Sweeps reduzieren, könnten dadurch schnellere Sweeps bei sehr geringem Eigenrauschen erzielt werden. Bild 3 illustriert diesen Vorteil: Die blaue Linie zeigt Messungen mit einem Kreuzkorrelationsdetektor, während die gelbe Linie das Ergebnis nur eines RMS-Detektors darstellt. Bei einer RBW von 1 MHz sind Nebenlinien mit dem RMS-Detektor kaum sichtbar. Dies unterstreicht klar die Überlegenheit des Kreuzkorrelationsdetektors bei der Erkennung kleiner Störsignale.

Optimierte Vorselektion in der Breitband-Modulationsanalyse

In der Breitband-Modulationsanalyse stoßen herkömmliche Signalanalysatoren bei der I/Q-Analyse im Mikrowellenbereich auf Einschränkungen durch unzureichende Vorselektion. Bei Frequenzen im Gigahertz-Bereich wird ein Signal auf eine hohe Zwischenfrequenz hochgemischt, wodurch die Spiegelfrequenz sehr hoch liegt. Ein Tiefpassfilter unterdrückt diese Spiegelfrequenz. Doch bei Frequenzen oberhalb von 5 bis 10 GHz führt die Hochmischung zu erhöhtem Rauschen, was den Einsatz von YIG-Filtern (Yttrium-Eisen-Granat-Filter) zur Vorselektion nötig macht. Diese Mikrowellenfilter, obwohl effektiv zur Spiegelfrequenzunterdrückung, haben eine maximale Bandbreite von 50 MHz und starke Welligkeit, was sie für präzise I/Q-Analysen ungeeignet macht. Das Umgehen dieser Filter kann die Messergebnisse durch Rausch- und Störsignale bei der Spiegelfrequenz verfälschen.

Filterbänke bieten hier eine Lösung. Mit breiterer Bandbreite und flachem Frequenzgang bieten sie hohe Pegelgenauigkeit, ideal für I/Q-Analysen. Sie ermöglichen Breitband-I/Q-Analysen mit effektiver Spiegelfrequenzunterdrückung über 50 MHz hinaus, abhängig von Zwischenfrequenz und A/D-Wandlern. Dies verbessert den Dynamikbereich und reduziert Störungsfehler durch Spiegelfrequenzen. Der flache Frequenzgang minimiert absolute Fehler bei Pegelmessungen von CW-Trägern und Nebenlinien, da die Welligkeit der YIG-Filter entfällt. Dies könnte die Pegelmessunsicherheit im Mikrowellenbereich auf 1 dB senken und den Bedarf an weiteren Leistungsmessköpfen überflüssig machen. Nebenlinienpegel wären dann in Radaranwendungen präzise spezifizierbar (Bild 4).

In der Spektrumanalyse sind YIG-Filter über weite Frequenzbereiche deutlich langsamer und weniger präzise. Durch den Einsatz von Filterbänken beschleunigt sich die Spektrumanalyse um das zehn- bis zwanzigfache, da sie schneller schaltbar sind. Allerdings ist die Signalunterdrückung im Stoppband um 20 bis 40 dB geringer als bei YIG-Filtern. Eine Kombination beider Filtertypen kann optimale Ergebnisse liefern: YIG-Filter für schmalbandige Analysen und Erkennung kleinster Störer, während Filterbänke für schnelle Messungen oder I/Q-Analysen eingesetzt werden.

Zusammen mit einer Mehrwege-Empfängerarchitektur unterstützen Filterbänke effektiv die Suche nach Nebenlinien, indem interne Störsignale unterdrückt werden können. LO-bezogene Nebenlinien lassen sich beispielsweise besser unterdrücken, wenn diese Signale in unterschiedlichen Empfangspfaden mit verschiedenen Zwischenfrequenzen erscheinen. Mit einer einfachen NAND-Operation können überschüssige unerwünschte Signale eliminiert werden.

Einfacher Aufbau für Tests von Phased-Array-Antennen

Phased-Array-Antennen sind in verschiedenen modernen Technologien von entscheidender Bedeutung, insbesondere für das Beamforming in der Luft- und Raumfahrt, der Mobilkommunikation sowie der Automobilindustrie bei Radaranwendungen. Eine präzise Abstimmung der Phase zwischen verschiedenen Sendepfaden ist dabei unerlässlich, um die Funktionsfähigkeit und Effizienz dieser Antennen sicherzustellen. Ein Signal-Analysator-basierter Aufbau könnte in dieser Hinsicht eine effiziente Lösung bieten. Mit mehreren phasenkohärenten Pfaden und kalibrierter Anfangsphase könnte dieser Aufbau die Phasenbeziehungen zuverlässig messen und analysieren. Alle Kanäle müssen dabei phasenkohärent sein, um die Strahlausrichtung der Antenne korrekt beurteilen zu können. Bei Tests unter modulierten Bedingungen, wie sie für Phased-Array-Antennen häufig nötig sind, wird ein direkter Vergleich zwischen einzelnen Elementen der Antenne erforderlich. Das ist beispielsweise zwischen einem Ausgangselement und dem n-ten Element (Bild 5).

In der Theorie könnte hierfür ein Vektornetzwerkanalysator (VNA) eingesetzt werden. Allerdings verlängert sich der Messvorgang bei modulierten Signalen aufgrund der begrenzten Bandbreite. Alternativ könnte man für die Messung ein Oszilloskop nutzen. Hier liegt allerdings das Problem bei einem eingeschränkten Dynamikbereich. PXI-Module, die den gleichen Lokaloszillator verwenden, bieten hierbei einen größeren Dynamikbereich, arbeiten jedoch typischerweise ohne Vorselektion. Ohne Vorselektion besteht das Risiko, dass Signale bei der Spiegelfrequenz den Dynamikbereich einschränken. Die beschriebenen Methoden sind somit nicht ohne Nachteile. Um die Begrenzungen auszugleichen, sind komplexere Messaufbauten erforderlich sein. Sie können jedoch fehleranfällig sein. Eine passende Messumgebung sollte sowohl Präzision als auch eine fehlerfreie Handhabung in der Analyse der Phased-Array-Antennen bieten.

Spezifische Eingangseinstellungen für die verschiedenen Empfangspfade

Die Analyse der gegenseitigen Beeinflussung verschiedener Kommunikationsstandards auf unterschiedlichen Frequenzen ist nicht trivial. Beispielsweise stellt die Wechselwirkung zwischen Kommunikations- und Radarsignalen eine Herausforderung dar. Das erfordert einen Signalanalysator, der über eine große Bandbreite verfügt, um den gesamten Signalbereich abzudecken. Alternativ kann ein Analysator mit mehreren Eingängen oder verschiedene Empfänger mit einem Eingang verwendet werden.

Ein häufiges Problem bei der Verwendung von Oszilloskopen oder PXI-basierten Signalanalysatoren ist die Schwierigkeit, spezifische Eingangseinstellungen für die verschiedenen Empfangspfade zu definieren. Dazu gehören beispielsweise Dämpfung oder Vorverstärkung. Diese Einschränkung wird besonders deutlich, wenn in einem Messszenario sowohl kleine höhere Harmonische einer Radaranwendung als auch ein starkes Mobilfunksignal analysiert werden sollen. Der Dynamikbereich des Analysators kann dadurch erheblich eingeschränkt werden. Darüber hinaus ist der zu erfassende Frequenzbereich durch die verfügbare Analysebandbreite limitiert.

Ein Signalanalysator mit mehreren Eingängen oder einer Mehrpfadstruktur bietet hier erhebliches Potenzial. Er ermöglicht die Einstellung individueller Frequenzen für die Lokaloszillatoren sowie unterschiedlicher Verstärkungs- oder Dämpfungswerte an den Eingängen. Diese Flexibilität erlaubt es sogar, eine Triggerung auf einer völlig anderen Frequenzen als derjenigen, auf der die Messung erfolgt. Beispielsweise könnte ein Wi-Fi-Burst bei 2,45 GHz die Signalaufnahme auslösen, um zu beobachten, ob dadurch ein Radarsignal bei 6 GHz beeinträchtigt wird (Bild 6).

Eine neue Architektur für Signal- und Spektrumanalysatoren

Die gegenwärtig verfügbaren Signal- und Spektrumanalysatoren sind nicht optimal gerüstet, um die Anforderungen neuester Technologien zu erfüllen. In diesem Artikel wurden eine neue Architektur und Konzepte vorgeschlagen, um diese Einschränkungen zu überwinden. Mithilfe von zwei internen Empfangspfaden, einer filterbasierten Vorselektion an den Eingängen und einer integrierten Kreuzkorrelation könnten der Dynamikbereich erweitert, die Messgeschwindigkeit erhöht und die Testaufbauten erheblich vereinfacht werden.

Diese Weiterentwicklungen könnten für die Signal- und Spektrumanalyse revolutionäre Bedeutung gewinnen. Die Entwickler bei Rohde & Schwarz haben sich mit den Themen auseinandergesetzt und Ansätze für die Umsetzung erarbeitet, um heutige Einschränkungen der Signal- und Spektrumanalyse mit neuester Technologie zu überwinden. (heh)

* Dr. Wolfgang Wendler ist im Produktmanagement Signal- und Spektrumanalysatoren bei Rohde & Schwarz.

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