Bild 1: Schematischer Aufbau des Vektorsignalanalysators PXA von Agilent mit Hervorhebung der wichtigsten Hardware- und Softwareelemente.

Bild 1: Schematischer Aufbau des Vektorsignalanalysators PXA von Agilent mit Hervorhebung der wichtigsten Hardware- und Softwareelemente.Agilent Technologies

Übergeordnetes Ziel ist immer, dass Ingenieure ihre Ideen so schnell wie möglich zuverlässig in validierte Produkte umsetzen. Um dieses Ziel zu erreichen, brauchen sie Messgeräte, die einerseits flexibel genug sind, damit sie sich Einblick in neue und komplexe Fragen bei der Entwicklung verschaffen können, die zudem immer die neuesten Kommunikationsstandards unterstützen, aber auch konstant hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bieten. Ver­wen­det ein Inge­nieur Mess­geräte, die diesen Anfor­de­rungen genügen, so kann er sich auf die Messergebnisse hundertprozentig verlassen und sich sicher sein, dass diese eine solide Grundlage für Entscheidungen in der Entwicklung und der Produktion sind – dass sie beispielsweise eine eindeutige Aussage erlauben, ob ein Produkt ausgeliefert werden kann oder nicht.

Auf einen Blick

Entwicklungsingenieure erwarten auch in der Zukunft die gleiche Messintegrität wie heute, aber zusätzlich die Unterstützung neuer Kommunikationsstandards, größerer Modulations­bandbreiten und möglicherweise höherer Frequenzen. Ein ganzheitlicher Ansatz, der Bausteine für Entwicklung und Messung umfasst, bietet die ideale Antwort auf diese Anforderungen. Will ein Mess­gerätehersteller aber diese Vision Wirklichkeit werden lassen, muss er weiterhin integrierte Mess­lösungen entwickeln, bei denen der Anwender im Mittelpunkt steht, und die Bausteine miteinander kombinieren: Messgeräte (in einer Vielfalt an Bauformen), Firmware, Anwen­dungssoftware und auch EDA-Werkzeuge. Es ergibt sich ein zwei­facher Vorteil: Die HF- und Mikrowelleningenieure können noch effizienter arbeiten, das verkürzt letztlich die Zeit bis zur Marktreife.

Messgeräte ausgelegt auf Flexibilität, Leistung und Messintegrität

HF-/Mikrowellenmessgeräte bestehen normalerweise aus Hardware, Firmware und Anwendungs­software (Bild 1). ASICs und rekonfigurierbare FPGAs sorgen für hochqualitative Erzeugung und Analyse von HF-Signalen, DSPs übernehmen die notwendige Verarbeitung der Digitalsignale. Alle Elemente zusammen bestimmen die Funktionen und die Leistungsfähigkeit des Messgeräts.

Jeder Baustein des in Bild 1 dargestellten Aufbaus trägt seinen Teil zur Messgenauigkeit, zur Leistungs­fähigkeit, zur Geschwindigkeit, zur Flexibilität und letztlich zum Einblick bei, den es dem Anwen­der verschafft. Aus diesem Grund verwenden Systemarchitekten und Messgeräteentwickler große Mühe darauf, die Zusammenarbeit dieser Elemente möglichst optimal auszugestalten, und lassen dabei ihre jahrzehnte­lange Erfahrung einfließen. Auf diese Weise können sie sowohl die Leistungsfähigkeit eines bestimmten Messgeräts über einen breiten Anwendungsbereich optimieren und dabei die Mess­integrität sicherstellen (siehe Kasten: Was ist Messintegrität?) als auch die erforderliche Flexibilität für zukünftige Anforderungen zu Grunde legen.

Die Verbindung von Hardware, umprogrammierbarer Logik, DSPs und Firmware ermöglicht Messgeräte von bisher nicht gekannter Leistungsfähigkeit und Erweiterungsmöglichkeiten. Die genaue Modellierung der analogen, HF- und ZF-Wege des Messgeräts erlaubt beispielsweise eine Kompensation von Signalqualitätsverlusten mittels Signalprozessoren in Echtzeit und damit eine Verbesserung der Messgenauigkeit und des Frequenzganges bei breitbandigen, digital modulierten Kommunikations- oder Radarsignalen.

Dies erfolgt sichergestellt und unsichtbar für den Anwender, HF- und Messingenieur, diese können sich damit auf ihre primären Aufgaben konzentrieren.

Was ist Messintegrität?

So speziell eine HF- oder Mikrowellen-Testsituation auch sein mag, oberstes Gebot ist und bleibt die Messintegrität. Was aber ist Messintegrität? Ganz einfach: Messintegrität bedeutet Reproduzier­barkeit von Messergebnissen, von Messung zu Messung, von einem Tag zum anderen nach den Vorgaben der fachlich akzeptierten Standards der Messtechnik. Dazu das geeignete Leistungsniveau (also Messgenauigkeit und Messbereiche) und Einhaltung der Geschwindigkeitsvorgaben. All das hilft Entwicklungs- und Messingenieuren, das Verhalten ihrer Geräte besser zu verstehen und die richtigen Schlüsse daraus zu ziehen.

Gleichzeitig verfügen moderne HF-Messgeräte zum Beispiel über Prozessor-Module und vor Ort nachrüst­bare Optionen, die sowohl die enge Verzahnung und Integration in Design- und Simulationsumgebungen als auch die Abdeckung neuer Kommunikationsstandards und Applikationen erlauben und fördern.

Ein neues Niveau an Flexibilität und Integrations­möglich­keiten

Manchmal würden Entwicklungs- und Messingenieure gern auf die internen, rekonfigurierbaren Hard­wareresourcen eines Messgeräts oder auf die eingebaute Firmware zugreifen, um so das Gerät an die eigenen Anforderungen anzupassen. Ihnen gefällt die Flexibilität, mit der man ein vorhandenes Gerät umkonfigurieren kann, und sie möch­ten sie nutzen. Vielleicht möchten sie auch selbstentwickelte, spezifische Messverfahren implementieren. Aber sie wollen normalerweise mit der eigentlichen Umkon­figuration nichts zu tun haben, nicht Zeit und Mühe einsetzen, um sich einzuarbeiten und neue Messun­gen von Grund auf aufzubauen und zu validieren.

Ein Messgerätehersteller könnte diesem Wunsch nach mehr Flexibilität auf zwei Wegen nachkommen. Der eine ist, dem Anwender Zugriff auf die internen Ressourcen zu gewähren. Damit wanderte die komplexe Aufgabe des Messgerätedesigns zum Anwender, zum Messingenieur. Ohne eine Menge Validierung und viele Messungen bekannter Standards würde diese Art „Messgerätezerlegung“ die Messgenauigkeit gefährden. Man hätte dann keine Reproduzierbarkeit, keine garantierten Spezifi­kationen und keinen wohldefinierten messtechnischen Prozess mehr, um die Ergebnisse abzusichern. Also müsste der Messingenieur zunächst eine Menge Zeit in die Entwicklung des Messgeräts stecken und es dann zunächst verifizieren, bevor er tatsächlich zu messen anfangen kann.

Weiterhin könnte er gewonnenes Mess-Know-how nur schwierig auf andere Messgeräte übertragen, denn seine Testanwendung wäre ja sehr hardwarespezifisch, und andere Messgeräte sind von ihrer Hardware her vermutlich anders aufgebaut. Das Problem ist ähnlich wie bei der Software: Program­miert man in einer Hochsprache (etwa C oder C++), kann man seinen Code auf anderen Plattformen leicht wiederverwenden. Assembler ist flexibler und läuft schneller, ist dafür aber auch meist komplexer, und das fertige Programm ist abhängig von der Hardware und der Systemarchitektur.

Der zweite Ansatz der Messgerätehersteller bietet zwar auch ein großes Maß an Flexibilität, legt aber den Schwerpunkt auf die Sicherstellung der Messintegrität sowie möglichst schnelles Verständnis der Messung und der nahtlosen, plattformübergreifenden Einbindung in ein integriertes Gesamtkonzept.

Anders als beim ersten Ansatz wird der Anwender nicht mit zum Teil komplexen Details und der Verantwortung hinsichtlich Sicherstellung der Messintegrität belastet, das ermöglicht ihm, sich auf seine eigentliche Entwicklungsaufgabe sowie die Optimierung des Arbeitsablaufes zu konzentrieren. Diesen Ansatz setzt man am besten mit einer Palette von geeigneten Funktionsbausteinen um.

Bild 2: Es gilt, die Übergänge von Entwicklung, Validierung und Produktionstest möglichst schnell zu bewältigen. Dies erreicht man mit der Kombination von Messgeräten mit EDA-Lösungen.

Bild 2: Es gilt, die Übergänge von Entwicklung, Validierung und Produktionstest möglichst schnell zu bewältigen. Dies erreicht man mit der Kombination von Messgeräten mit EDA-Lösungen.Agilent Technologies

Agilent Technologies stellt zu diesem Zweck eine Entwicklungsumgebung bereit, die sowohl Hardware- (beispielsweise Tischmessgeräte oder Einschubmessgeräte) als auch Softwareelemente zur Verfügung stellt. Zu den Softwareelementen gehören externe Applikationen wie etwa die VSA-Software 89600 für die Signalanalyse oder das Signal Studio für die Erzeugung von Signalen, aber auch die Firmware von Messgeräten wie etwa die hochentwickelten Messapplikationen der Messgerätefamilie X. Diese Hard- und Softwareelemente arbeiten nahtlos mit Werkzeugen zur Automatisierung der Elektronikentwicklung (EDA Electronic Design Automation) zusammen, etwa Advanced Design System (ADS), Golden Gate und System Vue, weiterhin mit Software von Drittfirmen wie etwa Visual Studio und Matlab. Auf diese Weise kann der Anwender neue, anwendungsspezifische Messlösungen konstruieren.

Bild 2 zeigt, wie ein Ingenieur seine Idee schneller in ein marktfähiges Produkt umsetzt, und zwar, indem er die EDA enger mit der Messtechnik verknüpft.

Fortschritte der Messtechnik

Bild 3: Modulationsmessungen können mit einer Kombination von HF-Signalanalysatoren und Logikanalysatoren mit den Programmen System Vue und der VSA-Software 89600 von Agilent durchgeführt werden.

Bild 3: Modulationsmessungen können mit einer Kombination von HF-Signalanalysatoren und Logikanalysatoren mit den Programmen System Vue und der VSA-Software 89600 von Agilent durchgeführt werden.Agilent Technologies

Der Druck von Markt und Fortschritt wird nicht nachlassen. Ingenieure und Entwickler werden weiterhin von ihren Messgeräten verlangen, dass sie ihnen immer schneller einen immer tieferen Einblick in ihre Produkte verschaffen. Das wird erreicht durch flexible und skalierbare Lösungen für Entwicklung und Messung, die – unabhängig von der Bauform der Messgeräte – die Bereiche HF, analog und digital abdecken. Eine maßgebliche Triebkraft ist die zunehmende Integration von HF-, Mikrowellen-, analogen und schnellen digitalen Technologien in heute neu entwickelten Geräten. Ein Beispiel für diese bereichs­übergreifende Integration ist die Messung der Modulationsqualität, zu der man oft digitalisierte IQ-Daten benutzt, die ein Logik- oder Protokollanalysator erfasst hat (Bild 3).

Bild 4: System Vue bietet die Integration von Modellierung, Analyse und Messung. Hier der Arbeitsablauf für Entwicklung und Zusammenschaltung von FPGAs und HF eines Software Definded Radios.

Bild 4: System Vue bietet die Integration von Modellierung, Analyse und Messung. Hier der Arbeitsablauf für Entwicklung und Zusammenschaltung von FPGAs und HF eines Software Definded Radios.Agilent Technologies

Lösungen aus Bausteinen für Entwicklung und Messungen sind die richtige Antwort auf diese Heraus­forderungen. Sie schlagen eine Brücke zwischen der virtuellen und der realen Welt und schaffen ein einheitliches Umfeld von der Entwicklung über die Simulation und Prototypen bis hin zur Validierung. Zunächst sind möglicherweise nur einige wenige Bausteine des gesamten Blockdiagramms verfügbar (Bild 4). In frühen Stadien eines neuen Projekts müssen mehr Elemente simuliert werden, bis die geforderte Systemleistung gewähr­leistet werden kann. Ein Ingenieur mag vielleicht eigene Ideen prüfen wollen, aber ohne Funk­schnitt­stelle (also HF-Sender und -Empfänger) kann er sie nicht testen, bis ein ganzheitlicher Ansatz einschließlich Simulation der fehlenden Teile verfügbar ist. Nachdem dann Schritt für Schritt mehr Teile des Systemdesigns in Form von Prototypen verfügbar werden, kann er mehr physische Messungen durchführen und die Ergebnisse mit der Simulation vergleichen.