Reine und jitterfreie Signale mit dem Arbiträrgenerator

Arbiträrgenerator in der Kommunikationsmesstechnik Reine und jitterfreie Signale mit dem Arbiträrgenerator

23.01.2013Autor / Redakteur: Klaus Höing * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Werden mobile Kommunikationssysteme entwickelt, müssen die entsprechenden Messsysteme reine Signale liefern, die sich auch verzerren und verändern lassen. Wir stellen mit dem 33500B von Agilent eine solche Messlösung vor.

Anbieter zum Thema

dataTec AG

TRACO ELECTRONIC GMBH

DMB Technics AG

Jitterfreie Signale: Alle Stützstellen einer im Speicher abgelegten Signalform werden mit dem 33500B zu 100% wiedergegeben
(dataTec)

Aktuelle Übertragungsstrategien wie MIMO sind messtechnisch sehr anspruchsvoll. Denn bereits bei den Entwürfen zu einem Kommunikationssystem und bei der Definition der einzelnen Komponenten müssen entsprechende messtechnische Konzepte und Kriterien entwickelt werden, auf die das Übertragungssystem kontrolliert werden kann. Damit kommt dem Stimulus eine besondere Bedeutung zu. Dieser muss nicht nur die Codierungen beherrschen, sondern auch die Modulationen, nach denen heutige Kommunikationssysteme aufgebaut sind – und das ganze mit Ausgangssignalen, die besonders rein sind und keinen Jitter aufweisen.

Ergänzendes zum Thema

Der 33500B auf einen Blick

Der 33500B von Agilent bietet Bandbreiten zwischen 20 oder 30 MHz. Dank der Trueform-Technologie werden wesentlich bessere Spezifikationen erreicht als mit den bisherigen Methoden. Alle Stützstellen einer im Speicher abgelegten Signalform werden zu 100% wiedergegeben. Der Flanken-Jitter konnte auf 2 ps reduziert werden, wohingegen die Modelle mit den bisherigen Methoden ca. 50 ps aufweisen. Ebenso wurde die Signalreinheit um den Faktor 5 besser. Die Speichertiefe der Arbiträrfunktion ist standardmäßig auf 1 MStützpunkte ausgelegt, optional erweiterbar auf 16 MStützpunkte, die jeweils in 512 unterschiedlichen Sequenzen aufgeteilt werden können.

Testequipment für mobile Übertragungssysteme sind meist spezifisch designte Geräte, um damit die Modulationsart und die Signalbandbreiten abzudecken. Zur Signalanalyse eines Übertragungssystems wird von den Designern oft ein Vektor-Signal-Analysator bevorzugt, da hiermit das Spektrum, die Phasenlage als auch die Amplitude der Signale bestimmt werden können. Als Stimulus für das System kommt meist ein Vektor-Signal-Generator oder kurz VSG zum Einsatz. Das Gerät ist in der Lage, mehrere, zeitabhängige Trägersignale mit unterschiedlicher Amplitude und Phasenlage zu generieren. Sehr viele Messungen müssen im Zwischenfrequenzbereich oder im Niederfrequenzbereich gemacht werden. Hier kommt typischerweise ein Arbiträrgenerator zum Einsatz, der oft auch in VSGs integriert ist. Meist wurden diese AWGs eingesetzt, um die Eingangssignale für die IQ-Modulation zur Verfügung zu stellen. Aufgrund der genannten Rahmenbedingungen an die Übertragungssysteme werden an die HF-Signalgeneratoren ebenfalls hohe Anforderungen gestellt. Das sind beispielsweise die spektrale Reinheit, ein weiter Frequenzbereich, die Modulationsbandbreite und Amplitudenpegel, Jitter und die Vielfalt an Modulationsarten. Nicht zuletzt spielt das Preis/Leistungsverhältnis eine nicht unwesentliche Rolle.

Trueform-AWG als Stimulus für das DUT

Bild 1: Typischer Messaufbau zur Messung an einem Übertragungssystem oder zur Qualifizierung von Systemkomponenten und Systemmodulen
(dataTec)

Die meisten der kostengünstigen Arbiträr-Signal-Generatoren arbeiten nach dem Prinzip der DDS-(Direct Digital Synthesis-)Architektur, die für heutige Übertragungssysteme nicht mehr die erforderliche Präzision aufweisen und bei denen die Ausgangssignale mit hohem Jitter belastet sind. Mit der neuen Trueform-Technologie von Agilent [1] wurden die neuen Arbiträrgeneratoren für diesen Anwendungszweck ausgelegt. Einen typischen Messaufbau zeigt das Bild 1 mit den notwendigen Messgeräten als Stimulus dem zu testenden Modul und ausgangsseitig mit den entsprechenden Analyse-Geräten, wie dem VSA und einem Oszilloskop.

Bereits aus dem Schaubild ist zu erkennen, dass der Trueform-AWG als Stimulus für das DUT (Device Under Test) oder dem HF-Signalgenerator von zentraler Bedeutung ist. Ein Arbiträrgenerator mit zwei Kanälen ist in der Lage zwei gleiche, um 90° phasenverschobene, Signale zu generieren. Diese Signale stehen dann entweder dem HF-Signalgenerator zur Verfügung, um die IQ-Modulation vorzunehmen oder sie werden direkt als IQ-moduliertes Signal auf das DUT gegeben. Wie die jeweilige Beschaltung aussieht hängt davon ab, welches Frequenzband das Eingangssignal haben muss. Genügt ein Frequenzbereich bis 30 MHz, so kann dieses direkt aus dem Arbiträr-Generator genommen werden. Für höhere Frequenzbereiche ist der HF-Signalgenerator notwendig. Wesentlich ist, dass jede Differenz der beiden Signale zueinander, sei es die Amplitude, Frequenzverhalten und Verzögerung zu nicht tolerierbaren Verzerrungen des Modulationssignals führt, woraus dann weiter Quadraturfehler, Ungleichgewicht und Unsymmetrie folgt.

Architektur des AWG eliminiert den Jitter im Signal

Jitter ist eine weitere, die Signale und die Qualität des Übertragungssystems negativ beeinflussende Größe. In dem obigen Beispiel beeinflusst Jitter nicht nur das I- und Q-Signal sondern auch die Stabilität des Trägers, was zu unerwünschten Verzerrungen und zu einer unakzeptablen spektralen Bandbreite führt. Daher wurde bei der Neuentwicklung des Arbiträrgenerators 33500B darauf geachtet, dass die oben stehenden Kriterien erfüllt werden und so der Generator auch zum Test heutiger Übertragungssystme, dessen Systemkomponenten und –Module, eingesetzt werden kann. Mit der Markt-Einführung des 33500B steht damit eine Geräteserie zu Verfügung, die eine, zu wesentlich teureren Signalgeneratoren, vergleichbare Spezifikation liefert.

Bild 2: Vergleichendes Blockschaltbild und Signal-Generierung bei DDS- und bei der neuen Trueform-Technologie
(dataTec)

Mit der Technologie lassen sich Signale ohne die Beeinträchtigungen erzeugen. Vergleicht man beide Blockschaltbilder, ist der Unterschied in dem zwischen dem Signal-Datenspeicher und dem DAC (Digital-Analog-Converter / DA-Wandler) eingeschobene DSP-(Digital Signal Processing-)Block, der aus einer Interpolator-Oversampling-Einheit, einem FIR-(Finite Impulse Response-)Tiefpassfilter und einer Daten-Reduktionseinheit besteht. Die neue Trueform-Architektur eliminiert den Jitter dadurch, indem das im Speicher abgebildete Signal zwischen zwei benachbarten, vorgegebenen Stützstellen interpoliert, gefiltert und wieder zusammengesetzt wird. Die Wirkungsweise des DSPs wird sofort ersichtlich, wenn man die beiden Bilder für die Signalerzeugung vergleicht. Durch die Interpolation und dem Oversampling wird erreicht, dass eine Treppenstufe deutlich feiner aufgeschlüsselt wird. Die Werte für die einzelnen Zeitpunkte, die dem DA-Wandler zur Wandlung angeboten werden, liegen wesentlich näher an der geforderten Kurvenform (grüne Linie). Der Trick besteht in der Interpolation und dem nachgeschalteten FIR-Filter. Die Wirkungsweise dieses Filters besteht darin, dass die Impulsantwort oder die Antwort auf eine zeitlich nicht definierte Anregung zu einer Pulsantwort definierter Dauer führt. Die Wechselwirkung der Interpolation zwischen zwei Treppenstufen und dieser Filterwirkungsweise führt dazu, dass der Jittter deutlich reduziert werden kann. Durch die feinere Aufteilung der Treppenkurve mit einer zeitäquidistanten Abtastung von T_up kann der maximale Jitter nur T_up betragen.

Bei DDC entspricht der maximale Jitter T_m, wenn T_m und T_s minimal voneinander abweichen. Damit wird der Jitterverlauf zu einer Art Schwebung zwischen den Werten 0 und T_m. Bei der Serie 33500B Arbiträr-Signalgeneratoren liegt der Jitter bei 2 ps; andere, auf DDS-basierende, Geräte dieser Preisklasse liegen bei ca. 50 ps. Wie sich dieses jitterverbesserte Signal in einer IQ-Modulation auswirkt, zeigt ein Vergleich der beiden Konstellations-Diagramme und der beiden Spektren bei einer sehr einfachen QPSK. Bei der Trueform sind die vier Zustände des Trägers kreisrund und liegen um den gedachten Mittelpunkt der Messwolke.

(ID:37042250)