Die hohe Schule der digitalen Signalgenerierung

Die Entwicklung moderner Kommunikations- und Navigationstechnologien stellt hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit des benötigten Messequipments. Insbesondere Vektorsignalgeneratoren, mit deren Hilfe man Systeme und Systemkomponenten auf diesem Gebiet mit präzisen Stimulus-Signalen schnell verifizieren, speziell auch mit den heute verbreiteten Modulationsarten beaufschlagen kann, müssen nicht nur sehr flexibel sowie umfassend ausbaufähig sein, sondern vor allem beste Signalqualität liefern.

Bild 1a: Der Vektorsignalgenerator SMBV von Rohde & Schwarz.Rohde & Schwarz

Standardisierte Signale werden nicht nur für den Mobilfunk (GSM, UMTS, LTE und so weiter) sondern auch für drahtlose Netzwerke und Kurzstreckenverbindungen (WLAN, Bluetooth), in der Avionik (GBAS, VDL), in der Satellitennavigation (GPS, Galileo, Glonass), in Broadcast-Systemen oder in der militärischen Kommunikation genutzt. Wichtige vektorielle Messungen sind hierbei etwa die des Fehlervektorbetrages (EVM), des Verhältnisses der Nachbarkanalleistung (ACPR), des Rauschmaßes oder der Störfestigkeit gegenüber Glitches.

Bild 1b: Der Vektorsignalgenerator SGD-6 von Aeroflex.Aeroflex

Grundlage der digitalen Signalgenerierung ist die I/Q-Modulation, eine Kombination aus mehreren Modulationsarten. Denn ein Vektorsignalgenerator ist im Prinzip die Verbindung aus einem üblichen, analogen Generator mit einem I/Q-Modulator. Zunächst werden Sendedaten digitalisiert und dann in einen Basisbandgenerator gespeist. Der setzt die Digitalsignale mithilfe eines Mappingverfahrens in Symbole (Kombination von mehreren Bit) um, wie sie in den bekannten Konstellationsdiagrammen visualisiert werden. Zweck des Verfahrens ist es, große Datenraten bei möglichst geringer Bandbreite zu übertragen. Aus den Symbolen wiederum werden digitale I- und Q-Signale erzeugt, die dann nach Wandlung in analoge I/Q-Signale einem I/Q-Modulator zugeführt werden. Der moduliert sie schlussendlich einem Träger auf, sodass ein komplex moduliertes Signal mit einer bestimmten Amplituden- und Phasenlage entsteht. Wichtiges Zentrum in diesem Verfahren ist der Basisbandgenerator. Er generiert nicht nur die digitalen Signale, sondern sorgt mittels Zusatzschaltungen gegebenenfalls auch für beabsichtigte, realistische Signalfehler wie beispielsweise Rauschen, Phasenfehler, Jitter oder Interferenzen.

Der R&S-Vektorsignalgenerator SMBV

Das kompakte Gerät von Rohde & Schwarz (etwa 34 cm x 15 cm x 37 cm/8 kg) besitzt einen helles, scharfes Farbdisplay (leider nicht in der Helligkeit regelbar) mit Softkey-Bereich sowie auf der Frontplatte einen bei R & S üblichen, klar gegliederten Handkeybereich. Es lässt sich aber auch extern über Tastatur und Maus steuern. Auch Massenspeicher wie CD-ROM-Laufwerk oder Memory-Stick sind anschließbar. Der Fernzugriff ist über jeden beliebigen Webbrowser möglich. Mit Schnittstellen ist das Gerät erschöpfend gesegnet: auf der Frontplatte begegnen den User neben zwei USB-Anschlüssen bereits zwei I- und Q-Eingänge für analoge Modulationsignale. An der Geräterückseite findet man dann 26 (!) weitere Buchsen, unter anderem solche für Clock-, Trigger-, Referenz-, Modulations- und Pulssignale, analoge und digitale Basisbandausgänge, weitere Busschnittstellen (USB, LAN, ICE), ja sogar Mischoszillatorein- und -ausgänge sowie die Anschlussmöglichkeit für einen Leistungsmesskopf.

Bild 2: Blockschaltbild der funktionalen Einheiten des Vektorsignalgenerators SMBV. Rohde & Schwarz

Bei Inbetriebnahme des Gerätes fällt der angenehm leise Lüfter auf, das Booten einschließlich Selbsttest dauert etwa 30 s. Das Display offeriert eine intuitive Benutzeroberfläche, dessen zentrales Element aus einem Blockschaltbild besteht, welches den Signalfluss im Gerät und die Signalverarbeitung zeigt (Bild 2). Jeder Block stellt eine funktionelle Einheit dar, sodass der Benutzer jederzeit weiß, an welcher Stelle im Signalfluss sich ein Parameter auswirkt. Auch die Verbindungen zu Ein- und Ausgängen werden grafisch dargestellt. Mit dem Drehknopf kann man im Blockschaltbild navigieren, die jeweils ausgewählten Blöcke können aktiviert und dabei farblich hervorgehoben werden. Ebenso wird die Konfiguration von Steuerbefehlen grafisch angezeigt (Bild 3). Interessant sind in diesem Kontext die Funktionsblöcke Basisband und Graphics und sollen daher näher betrachtet werden.

Bild 3: Grafikeditor zur Generierung von Kontrollsignalen des SMBV.Rohde & Schwarz

In der zentralen Basisbandsektion findet man den Generator zur Signalerzeugung in Echtzeit sowie einen Arbitrary-Waveform-Generator zur Erstellung vordefinierter Testsequenzen einschließlich Trigger- und Markersignale. Insgesamt stehen 26 Modulationsarten inklusive Multicarrier- und Multisequenzierungsfunktionen (Bild 4) zur Verfügung sowie eine reiche Auswahl an vordefinierten Baseband-Filtern (Bild 5). Auch extern generierte Signale beispielsweise aus Matlab können geladen werden. Außerdem werden in diesem Modul Firmware-Optionen für die verschiedenen digitalen Standards aufgerufen. Das etwa 40 Positionen umfassende optionale Angebot aller bekannten digitalen Standards unterstreicht unter anderem die Applikationen TDMA (GSM, Bluetooth, Tetra) und CDMA (3GGP, 1xEV-DO), ferner WLAN, Beyond 3G (WiMAX, LTE), Satelliten-Navigation (GPS, Galileo, Glonass), Avionics, Broadcast sowie Near Field Communication. Die Beschreibung dieser Standards würde den Rahmen dieses Beitrags sprengen. Schließlich bietet das Modul noch eine I/Q-Signalbeeinflussungsfunktion, mit der beabsichtigte Signalfehler generiert werden können.

Bild 4: Darstellung von Multicarrier CM mit Amplitudenfading und Aussetzern auf dem SMBV. Rohde & Schwarz

Im Grafikblock endlich können verschiedene grafische Darstellungen des Ausgangssignals in Echtzeit dargestellt werden. Dazu gehören unter anderem ein mithilfe der FFT erzeugtes Spektrumdiagramm, weiterhin ein I/Q-Diagramm, Konstellations-Vektor- und Augendiagramm (Bild 6) sowie ein CCDF-Display, mit dem die Wahrscheinlichkeit der Überschreitung der durchschnittlichen Ausgangsleistung angezeigt wird. Zoom-Möglichkeiten und Einblenden von Referenzkurven sind dabei selbstverständlich.

Die SMBV-Modellreihe zeichnet sich durch gute Präzision der Signalparameter aus: so ist das Rauschen mit typisch weniger als -127 dBc/Hz bei 20-kHz-Offset und 1 GHz spezifiziert. Der Poweroutput beträgt über +18 dBm (PEP) und bis zu +24 dBm im Overrange, der Nebenwellenabstand erreicht typischerweise -84 dBm. Die Schaltzeiten liegen im I/Q-Modus unter 3 ms, im Listenmodus kleiner als 0,8 ms.

Bild 5: Root-Noise-Filter-Darstellung mit dem SMBV. Rohde & Schwarz

Der Speicher des arbiträren Basisbandgenerators umfasst 32 MSample und kann optional auf 1 GSample aufgestockt werden. Die Modulationsbandbreite für internen I/Q-Input erreicht bis zu 160 MHz, bei externem I/Q-Input über 500 MHz. Die Samplerate reicht bis 200 MHz, die Fehlervektomagnitude (EVM) wird mit 0,4 % angegeben. Die Firmware des Gerätes verwendet das Betriebssystem Linux und andere Open-Source Software-Pakete. In die Firmware ist eine umfassende, kontextsensitive Online-Hilfe zur Bedienung auch aller erhältlichen Optionen eingebettet.

Der Aeroflex-Vektorsignalgenerator SGD-6

Der SGD-6 von Aeroflex sticht zunächst durch sein ungewöhnliches, balkenförmiges Gehäuse ins Auge. Nahezu einen halben Meter lang, aber insgesamt kompakt, hat die Frontfläche des Gehäuses nur die Ausmaße von 18 cm (4U) x 22 cm, die bis auf eine kleine Buchsenleiste auch noch vollständig von einem 8,5-Zoll-Display ausgefüllt ist. Diese Bauform verspricht aber nicht nur beim seitlichen Anreihen oder Stapeln mehrerer Geräte minimalen Platzbedarf, sondern ist auch Voraussetzung für ein Aerolock genanntes Verschraubungssystem, mit dem zwei oder mehr Geräte fest verbunden und in diesem Zustand von einer Person leicht transportiert werden können.

Bild 6: Vektordiagramm eines QAM-modulierten Signales mit dem SMBV. Rohde & Schwarz

Bei der Bedienung setzt Aeroflex konsequent auf das große berührungssensitive Farbdisplay, denn es gibt am Gerät keinerlei Tasten oder Drehknöpfe. Das ist sicherlich nicht jedermanns Sache, hat aber den Vorteil, dass Messungen, Kontextmenüs oder Konfigurationseinstellungen per drop and drag dorthin gezogen werden können, wo es am zweckmäßigsten beziehungsweise weniger störend ist. Auch werden Felder und Zeichen so groß dargestellt, dass eine Bedienung selbst mit Handschuhen möglich sein soll. Dennoch lässt sich auch dieses Modell extern durch Tastatur und Maus steuern.

An Schnittstellen findet man unter dem Display neben zwei USB-Anschlüssen noch vier analoge Differenzial-I/Q-Eingänge. Rückseitig begegnen dem Benutzer neben Buchsen für Referenz-, Trigger-, Sweep- und Pulssignale noch ein digitaler I/F-Output-Connector sowie eine VGA-Buchse für externen Monitoranschluss. Die Buchsen für die vorgesehenen analogen Differenzial-I/Q-Ausgänge sind bis jetzt noch nicht verbaut. Die wären aber von besonderem Nutzen, wenn bei Messungen noch kein HF-Frontend zur Verfügung steht oder nur das Basisbandmodul von Interesse ist. Weiterhin gibt es die üblichen Busanschlüsse USB, GPIB und LAN. Schließlich findet sich hier auch eine herausnehmbare Harddisk, zum Beispiel für den Geräteeinsatz in Sicherheitsbereichen.

Zum Booten des implementierten Windows-XP-System und der anschließenden Hardwarekonfiguration braucht das Gerät gut eine Minute. Der Lüfter ist deutlich hörbar aber noch nicht nervig. Das Display zeigt ein in übersichtliche Funktionsfelder aufgeteiltes Menü: ein RF-Feld für Frequenz- und Pegeleinstellungen, ein Funktionsfeld zur Konfiguration von Modulation, Sweep, Pulsen und HF-Einstellungen und schließlich ein Pull-down-Menü für allgemeine Gerätesteuerungen wie die für Schnittstellen, Bildschirm, Speicherungen und so weiter. Außerdem gibt es noch eine Statuszeile, in der unter anderem auch Fehlermeldungen auftauchen. Die gesamte Menüführung ist sehr intuitiv und leicht verständlich. Der Touchscreen reagiert schnell und sicher. Damit der Schirm nicht überladen wird, aktiviert man nur bei Bedarf ein Popup-Keypad und hat für numerische Eingaben Zugriff auf einen noniusartigen, senkrechten Zahlengleiter mit zoombarer Auflösung zur Einstellung von Parametern.

Bild 7: Modulationsmenue für WLAN-Signal (SGD).Dr. Altheide

Um nun ein Testsignal zu generieren, erhält der Nutzer nach Aufruf des Basebandgenerators eine Aufstellung von etwa 15 Positionen, die sowohl Modulationsarten (FSK, PSK, QAM, Analog, Multi-Carrier), digitale Standards (Bluetooth, CDMA2000, WCDMA, 1xEV-DO, GMS) als auch Applikationen (WLAN, WPAN) beinhaltet (Bild 7). Zu jeder dieser Positionen ist dann noch ein Menü zu öffnen, in dem sich spezifisch zu jedem Standard und jeder Modulationsart Parameter wie Datenquelle, Filter, Modulationstypen, Marker oder Signalbeeinträchtigungen festlegen lassen sowie auch eine Fülle spezifischer Rahmen-, Kanal,- Paket- und Linkkonfigurationen. Außerdem lässt sich vor jeder Parametrierung eine IQ-Autokalibrierung aufrufen, um das Instrument auf die Spezifikationen abzugleichen.

Bild 8: FFT-Darstellung eines GMS-Signals (SGD) oder WLAN-Signals. Dr. Altheide

Schlussendlich wird dann eine so konfigurierte Wellenform generiert und mit dem Menüpunkt Graphics in neun verschiedenen wählbaren Formaten dargestellt. Hierzu zählen nicht nur die üblichen FFT-, Vektor-, und Konstellationsdiagramme (Bild 8 und Bild 9), sondern auch IQ-, Leistung-, Phasen- und Frequenzdarstellungen über der Zeit. Der Graph lässt sich anschließend mit Zoom- und Autoscale-Funktionen sowie unter Einsatz von bis zu vier Markern und einem Deltamarker sehr komfortabel auswerten und in Ordnern abspeichern.

Der Blick auf die technischen Daten befördert den Eindruck eines sehr leistungsfähigen Gerätes: das Einseitenband-Phasenrauschen liegt bei -135 dBc/Hz (1 GHz, 20-kHz-Offset), die Ausgangsleistung bei +13 dBm (optional 20 dBm), die Schaltzeiten betragen im Listenmodus weniger als 0,1 ms und sind damit ideal für Frequenzhopping oder Messungen in der Halbleiterproduktion. Weitere Daten: der optional zweikanalige, arbiträre Bandgenerator ermöglicht bis zu 72 interne Modulationskombinationen (einschließlich Pulsoption) und kann bis auf 1 GSample aufgerüstet werden, die Samplerate erreicht bis 250 MSample/s und die Modulationbandbreite für internen I/Q-Input beträgt 200 MHz. Die Fehlervektormagnitude wird – je nach Frequenz – mit 0,25 bis 0,5 % angegeben. Das auf PXI-Basis aufgebaute Design des Gerätes bietet vor allem Geschwindigkeitsvorteile, denn es glänzt mit etwa fünf Mal so hohem Datendurchsatz wie konventionelle Systeme.

Bild 9: IQ-Vektordarstellung (SGD). Dr. Altheide

Fazit

Beide Geräte bieten eine hohe Signalqualität verbunden mit guter Flexibilität, wie sie für Forschung und Entwicklung gefordert werden. Die technischen Daten wie Phasenrauschen, Vektorfehler, Ausgangsleistung aber auch Einstellzeiten sind sehr gut. Die komfortablen grafischen Benutzeroberflächen mit ihrer jeweils intuitiven Bedienung unterstützen in Kombination mit den kontextsenitiven Hilfssystemen die applikationsorientierte Leistung dieser Systeme. Dabei werden die Haupt-Mobilfunkstandards ebenso abgedeckt wie wichtige drahtlose Netzwerkstandards, Broadcaststandards oder Systeme wie GPS. Solche Leistung ist nicht ganz billig. Die Grundgeräte liegen je nach Optionsausbau bei etwa 30.000 bis 40.000 Euro. Dazu kommen Softwarepakete für die diversen Standards. Aeroflex bietet ein Gesamtpaket (umfasst etwa 15 Standards) für rund 10.000 Euro an, Rohde & Schwarz dagegen einzelne Softwaremodule für den jeweiligen Standard mit Preisen zwischen 2000 und 4000 Euro. Denn heutzutage kaufen die Kunden nicht mehr das komplette optionale Angebot („nice to have“), sondern nur die wirklich benötigte Ausstattung.

(ah)