Hohe Datenraten und komplexe Modulationsverfahren HF-Signale bei drahtlosen Systemen charakterisieren

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Die zunehmende Komplexität von HF-Komponenten und -Systemen stellt Entwickler oft vor Probleme bei der Charakterisierung und Optimierung ihrer Designs. Aber auch die Messtechnik beeinflusst die Messergebnisse. Wie kann dem entgegengewirkt werden?

Steigende Signalbandbreiten, Modulation höherer Ordnung und räumliches Multiplexing ermöglichen höhere Datenraten in der drahtlosen Kommunikation. Steigende Bandbreiten verbessern die Benutzererfahrung für Breitbanddaten. Die Erwartungen der Nutzer an die Dienstqualität von drahtlosen Netzen erhöhen die Nachfrage nach zuverlässiger Leistung auf Systemebene. Wenn drahtlose Konzepte von der Simulation in den Versuch übergehen, ist daher die Reduzierung von Unsicherheiten eine wesentliche Voraussetzung für eine effektive Produktentwicklung.

Testvorrichtungen für Messaufbauten reichen von einfachen Kabeln bis hin zu komplexen Vorrichtungen mit Splittern, Kopplern und Signalkonditionierung. Entwicklungsingenieure bewerten häufig die Leistung des Prüflings (DUT). Entwickler können die Leistung des Prüflings isolieren, indem sie Testvorrichtungen kalibrieren oder de-embedden, um systematische Fehler zu eliminieren, die mit solchen Vorrichtungen verbunden sind. Bei den Messaufbauten setzen die Testingenieure häufig auf Vektorsignalgeneratoren (VSG) und Signalanalysatoren, um die Leistung des Prüflings zu bewerten. Pfadverluste und Frequenzgänge zeigen, wie Prüfeinrichtungen Messungenauigkeiten verursachen können.

Leitungsverluste und Frequenzgangfehler in Prüfaufbauten

Leitungsverluste sind ein bekanntes Problem, das eine korrekte Handhabung erfordert. Die während der Übertragung verlorene Signalenergie führt zu einer geringeren Leistungsübertragung zur Messebene als das Ausgangssignal des Signalgenerators. Frequenzgangfehler, einschließlich Amplituden- und Phasenfehler, beeinträchtigen die momentane Bandbreite. Der Frequenzgang misst die Amplitude und Phase des Ausgangssignals als Funktion der Eingangsfrequenz. Wenn der Frequenzgang bei einer bestimmten Bandbreite nicht flach ist, wirkt sich dies auf die Amplitude und Phase der Eingangssignale aus. Auch bei HF-Frequenzen sind größere Bandbreiten besonders anfällig für Auswirkungen des Frequenzgangs.

Zusätzlich zu dem inhärenten Rauschen in der physikalischen Welt fügt jeder Frequenzgang über die momentane Bandbreite dem Ausgang des Prüflings eine Beeinträchtigung hinzu. Die Leistung des Prüflings erscheint verschlechtert, wenn es keine Trennung zwischen der Störung und den Messergebnissen gibt. Eine Entzerrung kann manchmal, aber nicht immer, den Frequenzgang verringern. Dies liegt daran, dass der Frequenzgang aufgrund der Auflösung der Kanalantwort nicht immer vollständig korrigiert werden kann.

De-Embedding und die Messumgebung korrigieren

Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und der Fehlervektorbetrag (EVM) können aufgrund der verschiedenen Komponenten des Prüfgeräts mit erhöhtem Frequenzgang und Pfadverlust verringert werden. De-Embedding ist ein bekanntes Verfahren zur Korrektur in Messumgebungen, einschließlich VSGs und Signalanalysatoren. Dabei werden Amplituden- und Phasenfehler, die von den Prüfgeräten erzeugt werden, eliminiert. Dieser Vorgang wird als Verschieben der Referenzebene bezeichnet; HF-Entwickler können ihre Prüflinge durch Verschieben der Referenzebene genau charakterisieren.

Heutzutage ist die Verwendung eines Vektor-Netzwerkanalysators (VNA) eine übliche Methode zur Charakterisierung von Prüflingen. Die Prüfeinrichtung wird in Betrag und Phase de-embedded, indem eine .s2p-Datei an den Signalgenerator übergeben wird. Um den Pfadverlust des Prüflings zu kompensieren, kann die Verlustkompensationsdatei verwendet werden.

Impedanzfehler am Eingang des Prüflings anpassen

Impedanzfehlanpassungen in den Messeinstellungen stellen eine weitere Herausforderung dar. Impedanzfehlanpassungen am Eingang des Prüflings sind zwar kein neues Problem, aber die Art und Weise, wie sie sich auf die Messungen auswirken, erfordert mehr Aufmerksamkeit. Jede Impedanzfehlanpassung führt zu einer reflektierten Welle, die zur Signalquelle zurückkehrt und mit dieser konstruktiv oder destruktiv interagiert, wobei dem einfallenden Signal eine zusätzliche Frequenzwelligkeit hinzugefügt wird. Wenn eine einfallende und eine reflektierte Welle im Kabel koexistieren, können sie das Messergebnis beeinflussen. Der Einfluss reflektierter Wellen auf die Messergebnisse ist bei dichten OFDM-Übertragungen (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) mit Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM) höherer Ordnung von größerer Bedeutung.

Impedanzanpassung hängt vom Testsystem ab

Im Allgemeinen verringert die Energie des reflektierten Signals die Leistung, die zum Prüfling gelangt. Die Verwendung eines Reflektometers korrigiert Impedanzfehlanpassungen. Anwender von VNAs sind mit der Integration des Reflektometers in die VNA-Architektur zur Korrektur der Impedanzfehlanpassung des Prüflings vertraut. Externe Reflektometer für Signalgeneratoren und Messaufbauten von Signalanalysatoren sind kommerziell erhältlich, werden aber wegen der Komplexität der Korrektur nur selten eingesetzt.

Die Komplexität der Korrektur von Impedanzfehlanpassungen nimmt zu, wenn mehrere Prüflinge und Prüfsysteme verwendet werden. Für jedes Testsystem ist eine andere Impedanzanpassung erforderlich. Daher führt die Prüfung eines Prüflings mit mehreren Prüfplattformen zu unterschiedlichen Messergebnissen und stellt eine Herausforderung für die Korrelation dar. Angesichts der vielen verschiedenen Arten von Prüfständen ist es von entscheidender Bedeutung, die Impedanzfehlanpassung zu korrigieren, um eine Reproduzierbarkeit zwischen den Prüfsystemen zu erreichen. Darüber hinaus kann dieser Schritt auch Zeit bei der Überprüfung des Entwurfs und bei der Herstellung sparen.

Messungenauigkeiten und die Qualität modulierter Signale

Die Korrektur von Pfadverlusten und das De-Embedding sind heute bei Messungen mit Signalgeneratoren und -analysatoren von entscheidender Bedeutung. Die Erzeugung fehlerkorrigierter Signale ist mit einem Reflektometer möglich. Diese arbeiten zusammen, um dem Anwender die Möglichkeit zu geben, die Kombination aus Signalgenerator, Prüfeinrichtung und Impedanzfehlanpassung sowohl in Betrag als auch in Phase über die relevanten Frequenzen zu de-embedden. Aufgrund der Schwierigkeit, diese Korrektur zu implementieren, verwenden die meisten Signalgeneratoren und Signalanalysatoren keine anpassungskorrigierte Signalerzeugung.

Eine EVM-Messung liefert ein numerisches Maß für die Qualität digital modulierter Signale. Phasenrauschen des Lokaloszillators (LO), Rauschen des Leistungsverstärkers (PA) und IQ-Modulatorprobleme können unter anderem zu Ungenauigkeiten beitragen.

Der Einfluss der EVM-Ergebnisse auf die Leistung

EVM-Messungen liefern nützliche Informationen über die Leistung von Sendern und Empfängern. Dies ist darauf zurückzuführen, dass EVM empfindlich auf jeden Signalfehler reagiert, der den Betrag und die Phase eines Signals für das digitale Modulationsformat verändert. Darüber hinaus können EVM-Messungen durch Anpassung des Mischerpegels des Empfängers, des SNR des Digitalisierers und der Phasenrauschfehler genauer gemacht werden. Der Frequenzgang und das SNR wirken sich direkt auf den EVM aus. Um die Leistung des EVM zu verbessern, ist es notwendig, die dem Messobjekt zugeführte Leistung zu optimieren und so viele Quellen des Frequenzgangs wie möglich zu eliminieren.

EVM-Messungen liefern nützliche Informationen über die Leistung von Sendern und Empfängern. Dies ist darauf zurückzuführen, dass EVM empfindlich auf jeden Signalfehler reagiert, der den Betrag und die Phase eines Signals für das digitale Modulationsformat verändert. Darüber hinaus können EVM-Messungen durch Anpassung des Mischerpegels des Empfängers, des SNR des Digitalisierers und der Phasenrauschfehler genauer gemacht werden. Der Frequenzgang und das SNR wirken sich direkt auf den EVM aus. Um die Leistung des EVM zu verbessern, ist es notwendig, die dem Messobjekt zugeführte Leistung zu optimieren und so viele Quellen des Frequenzgangs wie möglich zu eliminieren.

Mit der Entzerrung die Qualität des Signals verbessern

In drahtlosen Systemen hilft die Entzerrung, damit die Auswirkungen des Frequenzgangs gesenkt werden. Da die Auflösung der Kanalantwort manchmal nicht ausreicht, um den Frequenzgang vollständig zu korrigieren, führt die Entzerrung manchmal zu einer Teillösung des Problems. Bei den Standards 5G NR und Wi-Fi 6/7 wird die Entzerrung verwendet, um die Verstärkungsantwort des Übertragungssystems abzuflachen, so dass die Verschlechterung des Frequenzgangs bei Messungen weniger sichtbar ist. Allerdings verwenden nicht alle drahtlosen Standards Entzerrung. Beispielsweise wird in der drahtlosen Backhaul- und Satellitenkommunikation in der Regel keine Entzerrung verwendet. Größere Bandbreiten erhöhen den Fehler im Frequenzgang. Die Korrektur des Frequenzgangs über die momentane Bandbreite für alle Komponenten im Prüfaufbau kann sich auf die EVM-Ergebnisse auswirken.

Leistungsverstärker sind für die Gesamteffizienz und den Durchsatz von Kommunikationssystemen wichtig. Die inhärente Nichtlinearität von Leistungsverstärkern führt zu Nachbarkanalinterferenz und zu Inband-Verzerrung. Die In-Band-Verzerrung verschlechtert die EVM, die Bitfehlerrate (BER) und den Datendurchsatz des Kommunikationssystems. Drahtlose Standards wie WLAN, LTE, 5G NR und kommerzielle Satellitenstandards verwenden zunehmend OFDM. Das Modulationsformat ermöglicht Datenanwendungen mit hoher Bandbreite.

Entwickler müssen spektrale Linearität bei sehr hohen Datenraten ermöglichen, um die von den Nutzern erwartete Dienstgüte zu erreichen. Die Forderung nach spektraler Effizienz zwingt die Mobilfunkstandards zur Verwendung von QAM höherer Ordnung und sehr dichten OFDM-Modulationsschemata, die das Verhältnis von Spitzenleistung zu mittlerer Leistung (PAPR) oder große Schwankungen in der Signalhüllkurve erhöhen.

Digitale Vorverzerrung als wichtige Linearisierungsmethode

Die digitale Vorverzerrung (Digital Pre-Distortion, DPD) ist die wichtigste Linearisierungsmethode in modernen Kommunikationssystemen. DPD bietet gute Linearisierungsmöglichkeiten, um die Gesamteffizienz zu erhalten. Dazu sind verbesserte digitale Signalprozessoren und A/D-Wandler notwendig. Zur Implementierung von DPD muss der Algorithmus das Verhalten des PA genau modellieren. Die Entwickler müssen den Prüfling unter präzisen Messbedingungen und unter Berücksichtigung der PAPR aktueller drahtloser Kommunikationssignale stimulieren, um ein vorhersagbares Verständnis der Funktion des Prüflings zu erhalten.

Die Betriebsbedingungen sind dynamischer geworden. Deshalb sind Messungen, die in der Vergangenheit eine gute Annäherung an die Geräteleistung lieferten, wie die S-Parameter, nicht mehr geeignet, um eine Annäherung an die Leistung zu erhalten. VSGs und Signalanalysatoren sind Messgeräte, um die Eigenschaften von Komponenten, Modulen und integrierten Funksystemen unter praktischen Modulationsbedingungen zu charakterisieren. Messaufbauten müssen lineare und nichtlineare Effekte kompensieren, die durch reale Modulationsbedingungen in den Signalpfad des Prüflings eingebracht werden.

Die Entzerrung berücksichtigt die Amplituden- und Phasengänge des Prüflings und des Prüfsystems. Daher hat der Frequenzgang des Prüflings und der Quelle keinen Einfluss auf den EVM, wenn ein lineares Gerät geprüft wird. Jeder lineare Fehler wird durch die nichtlineare Reaktion des Verstärkers zu einem komplexen Fehler, den das Prüfsystem am Eingang des Prüflings verursacht. Eine Entzerrung kann nicht helfen. Bei falscher Modifikation verringert sich die gemessene Leistung des Verstärkers, wodurch das DPD-Modell komplizierter wird.

* TJ Cartwright ist Produktmarketing-Manager bei Keysight Technologies.

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