Modulationen erzeugen Universelle Signalquelle für HF-Tests

Für HF-Tests sind komplexe Wellenformen notwendig und Rauschleistungsdichte sowie Linearität sind wichtige Geräte-Kriterien. Weiterhin können die HF-Signale nur mit hohen Abtastraten erzeugt werden. Kurz: der Test von Funktechnologien ist eine anspruchsvolle Aufgabe und verlangt einiges vom Signalgenerator. Wir stellen Ihnen im folgenden Beitrag eine universelle Signalquelle vor.

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CompuMess Elektronik GmbH

Die Grundarchitektur eines Arbiträrgenerators ist einfach: Samples definieren eine Kurvenform und werden im Kurvenformspeicher eingespeist, um die Daten an ein Digital-Analog-Umsetzer (DAU) mit einer von seiner Zeitbasis vorgegebenen Geschwindigkeit weiterzugeben. Danach wird das Ausgangssignal verstärkt und gefiltert. Die Leistung wird durch bestimmte Kriterien definiert, wie maximale Abtastrate, DAU-Auflösung und Größe des Kurvenformspeichers.

Mit der Wonder-Wave-Serie sind Abtastgeschwindigkeiten von mehr als 1 GHz und Konverterauflösungen bis zu 16 Bits möglich. Das Messgerät erlaubt über 16 MSamples an Kurvenformen zu speichern. Es lassen sich Anwendungen aus Telekommunikation, Plattenlaufwerken, Elektromechanik und Biomedizin bedienen. Aber auch HF-Tests von Funktechnologien sind möglich.

Komplexe Wellenformen für Basisband und Niederfrequenz

Mit der Geräte-Serie lassen sich komplexe Wellenformen erzeugen, insbesondere Basisband-IF- (Intermediate Frequency-) oder Niederfrequenz-HF-Signale. Sie können bei vielen Tests an beiden Enden des Signalwegs direkt genutzt werden. Basisbandsignale sowie I/Q-Komponenten können zusammen mit Quadraturmodulatoren eingesetzt werden, um den erforderlichen modulierten Träger zu erzeugen. Wahlweise können IF-Signale auf die gewünschte Frequenz hochkonvertiert werden.

Eigenschaften, die das HF-Testen mit der Geräteserie unterstützen:

• keine zusätzliche Hardware,
• unterschiedlichste Träger: von der DC- bis zur Nyquist-Frequenz - es sind bis zu 1,2 GS/s Taktfrequenz bei bis zu 16 Bit Auflösung und 16 MSamples-Speicher möglich,
• integrierte AM, FM, ASK, FSK, PSK-Frequenzen und Amplitude-Hopping, 3D, Sweep und (n)QAM und (n)PSK-Modulationen,
• lineare und nicht-lineare Verzerrungen erzeugen,
• Leerlaufspannungen bis zu 32 Vpp erzeugen,
• 2571A und 2572A verfügen über parallele digitale Ausgänge, die zum Prüfen von SDR-Systemen hilfreich sind.

Aussteuerungsbereich als Leistungskriterium

Ein häufig genannter Grund, was gegen Arbiträrgeneratoren als HF-Generatoren spricht, ist der verfügbare Aussteuerungsbereich. Einige wichtige Tests in diesem Anwendungsbereich, wie beispielsweise der Nachbarkanalleistung (ACPR), hängen stark von diesem Kriterium ab. Die Leistung des WW1281A, der Abtastraten von 1,2 GS/s sowie hochlineare 12-Bit DAUs aufweist, zeigen ACPR-Werte < 75 dB bei 10-MHz-Trägern. Andererseits sind manche Ingenieure der Meinung, das maßgebliche Kriterium sei der Signal to Quantization Noise Ratio (SQNR). Für eine Sinuskurve, die über die volle Amplitude läuft, kann der SQNR folgendermaßen berechnet werden:

SNRsine (dB) = 6,02N + 1,76; es gilt: N = DAU-Auflösung in Bits#

Für alle anderen Signale ist die Berechnung um den Spitzenwertfaktor oder Peak to Average Power Ratio (PAPR) und den verwendeten DAU-Ausgabebereich zu korrigieren.

SNR (dB) = 6N + 1,76 - PAPRdB - 20 log10(FS/A); es gilt: FS = volle Amplitude, A = Spitze-zu-Spitze-Signalamplitude

Die Rauschleistungsdichte muss im SBW integriert sein

Viel wichtiger ist die Rauschleistungsdichte - das Rauschen - das in den von den zu untersuchenden Signalen belegten Frequenzbändern auftritt. Die Rauschleistungsdichte muss in die Bandbreite (SBW) integriert sein, um den Rauschabstand (SNR) des Eingangskanals zu erhalten.

SNR@sbw (dB) = 6,02N + 1,76 – PAPRdB - 20 log10(FS/A) + 10 log10[SR/(2 × SBW)]

Die Linearität lässt sich schwer in einem einzigen Spektrum darstellen. Deshalb ist normalerweise der störungsfreie dynamische Bereich (Spurious Free Dynamic Range, SFDR) für DAUs aussagekräftiger. Er misst das Worst-Case-Verhältnis zwischen der Basisfrequenz und allen anderen Stör- und nicht-linearen Signalen, wie Intermodulationen oder Oberschwingungen. Mit der Zeit wird bei vielen Anwendungen Linearität wichtiger als Auflösung. Die Bedeutung von Störsignalen hängt wesentlich von ihrem Ort ab. Der WW1281A weist ein SFDR von < 75 dB für 10-MHz-Träger sowie etwa 45 dB für 400-MHz-Träger auf.

Hohe Abtastrate bei kleinem Zeitfenster

HF-Erzeugung erfordert sehr hohe Abtastraten. Die Satzlänge spielt bei statistischem Verhalten eine wesentliche Rolle. Dort muss ein kompletter Symbolrahmen angepasst oder verschiedene Kanalkodierungen umgesetzt werden. Abtastrate, Satzlänge und das verfügbare Zeitfenster stehen in Wechselbeziehung. Je höher die Abtastrate, desto kleiner ist das Zeitfenster für eine gegebene Satzlänge. Beispiel: eine volle 3GPP CDMA Scramblingsequenz überträgt 38.400 Chips bei 3,84 MChips/s, was mindestens 12 MS des Kurvenformspeichers ausmacht.

Der Test von Funktechnologien ist für Arbiträrgeneratoren ein anspruchsvoller Anwendungsfall. Viele Signalbereiche, wie Zeit, Frequenz, Modulation, Kanalkodierung, Protokoll und Umlauf-Diskontinuitäten, werden gleichzeitig angesprochen.

Die Umlauf-Störobjekte sind ein speicherbezogenes Problem, da sich kontinuierliche Signale in einem Arbiträrgenerator einzig und allein durch pausenlose Wiederholungen desselben Segments erzeugen lassen. Diese Störobjekte entstehen, wenn Anfang und Ende des Signals nicht auf allen erforderlichen Ebenen konsistent sind, was normalerweise durch die Diskontinuität zwischen beiden Enden einer gegebenen, zyklisch wiederholten Kurve hervorgerufen wird.

Umlauf-Störobjekte eleminieren

Die Wirkung von Umlauf-Diskontinuitäten ist in mehreren Bereichen zu beobachten. Jede Diskontinuität zwischen dem Beginn und dem Ende eines Signals beeinträchtigt den Frequenzbereich. Das Phänomen ist als Spektrumverbreiterung bekannt. Auf dem Modulationslevel wirken sich diese Diskontinuitäten auf die Verarbeitungsprozesse aus wie Träger- und Taktrückgewinnung, I/Q-Demodulation sowie Symbolschätzung mit entsprechender Basisbandfilterung.

Sämtliche Umlauf-Störobjekte sollten eliminiert werden, damit sie pausenlos aneinandergereiht werden können, ohne dass es zu Glitchimpulsen kommt. Das ist genauso wie bei realen Sendern, wenn diese Daten direkt übertragen werden. Um Signale ohne Störimpulse zu erhalten, muss die Basisbandfilterung nahtlos zwischen den Symbolen am Ende der gegenwärtigen und am Beginn der nächsten Kurve verlaufen. Die Modulsoftware eliminiert automatisch die Umlauf-Störobjekte für jede beliebige Anzahl von Trägern. Dazu wird die Zirkularfaltung (Circular Convolution) eingesetzt.

Signalqualität ohne Verluste beschleunigen

Das Softwarepaket nutzt Algorithmen, welche die Signalqualität ohne Verluste beschleunigen, was wiederum eine schnelle Signalerzeugung und einen hohen Grad an Testinteraktivität ermöglicht. Idealerweise werden unbeeinträchtigte Kurvenformen bei vielen Tests verwendet, aber einige dieser Tests erfordern die Simulation realer Bedingungen. Das Modul kann Signale mit linearen und nicht-linearen Verzerrungen (AM/AM und AM/PM), Verzerrungen durch Mehrwegübertragungen sowie alle Arten von Interferenzen erzeugen. Es liefert genügend Signalvisualisierungsfunktionen und Analysemöglichkeiten. Weiterhin können Graphen wie Konstellations- und Phasendiagramme, Spektren, I&Q vs. Zeit, CCDF sowie Histogramme angezeigt werden.

Offene Umgebung mit fast unbegrenzten Möglichkeiten

Obwohl der Support bei Modulationssystemen ein wichtiges Kriterium bei einer jeden Modulationsquelle darstellt, entwickelt sich die Funktechnologie ständig weiter. Es ist überaus wichtig, neuen Modulationssysteme definieren und Daten aus externen Simulationswerkzeugen importieren zu können, so dass neue oder firmeneigene Standards und Technologien unterstützt werden können. Das Gerät kann extern definierte Modulationen, I/Q-Zeitbereichskurven, Basisbandfilter sowie Datensequenzen importieren. Es kann außerdem Kurvendaten in freie ASCII-Formate exportieren, so dass dieselben Testkurven in jedem anderen Simulationswerkzeug verwendet und die Ergebnisse mit dem realem Verhalten des geprüften Geräts in Beziehung gesetzt werden können.

*Joan Mercade und Ron Glazer sind externe Mitarbeiter von CompuMess aus Unterschleißheim.

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