Dieses Netz­werk wird die unter­schied­lichsten Kommu­ni­ka­tionsformen unter­stützen, vom einfachen M2M- (machine-to-machine) Datenaustausch bis zu vernetztem Virtual-Reality-Streaming. Die neue Techno­logie verheißt viel Gutes für End­benutzer – und stellt Ent­wick­ler vor völlig neue Heraus­for­de­rungen.

Heraus­for­de­rungen bei der Erzeugung und Analyse von 5G-Signalen

Der erste Schritt in Richtung der praktischen Imple­men­tierung ist die Erzeugung und Analyse proto­typischer Signale. Da der­zeit noch kein 5G-Standard exis­tiert, sind auch noch keine Physical-Layer-Signalformate defi­niert. In Betracht kommen u. a. FBMC- (Filter Bank Multi-Carrier), UFMC- (Universal Filtered Multi-Carrier) und OFDM- (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) Signale. S

owohl Signale im Frequenz­bereich unterhalb von 6 GHz als auch Breit­band­signale im Mikro­wellen/Milli­meter­wellen­bereich mit Band­breiten bis 2 GHz sind in der Diskussion. Die große Anzahl und Vielfalt von Signalformaten, Frequenzen und Band­breiten, an denen geforscht wird, bringt neue Heraus­for­de­rungen bei Charakte­ri­sie­rung und Test mit sich.

Für die Erforschung von 5G-Techno­logien und für erste Tests an Proto­typen sind flexible Test­lösungen gefragt. Ent­wicklungs­inge­nieure, die neue Konzepte erarbeiten und Kandidaten für 5G-Signalformate auf ihre Eignung unter­suchen, müssen in der Lage sein, „Was-wäre-wenn“-Analysen durch­zu­führen. Ohne eine solche Möglich­keit würde man riskieren, eine falsche Richtung einzuschlagen und Probleme erst in einer späten Phase des Entwick­lungs­zyklus zu erkennen – sie zu beheben wäre dann wesent­lich kost­spieliger und zeitaufwendiger.

Hier ist Flexi­bi­li­tät gefragt, das gilt ins­beson­dere für Tools zur Signal­erzeugung und -analy­se. Flexible Tools ermöglichen es Ent­wick­lern, schnell eine andere Richtung einzuschlagen, wenn neue, vielversprechende Kandidaten für 5G-Signalformate auftauchen. Ent­wick­ler müssen auch die Möglich­keit haben, höchst unter­schied­liche Modulationsbandbreiten (von einigen Megahertz bis zu einigen Gigahertz) und verschie­dene Frequenz­bänder (von HF über Mikro­welle bis zu Milli­meter­wellen) zu erproben.

Keysights Refe­renz­lösung für die Erzeugung und Analyse von 5G-Signalen ist die Ant­wort auf diese Heraus­for­de­rungen. Die Refe­renz­lösung kombi­niert serien­mäßige Hard­ware und Soft­ware zu einer flexiblen 5G-Testplattform.

Ein exemplarisches Testsystem zur Erzeugung und Analyse von 5G-Signalen

Die Refe­renz­lösung von Keysight zeichnet sich durch größt­mögliche Flexi­bi­li­tät aus, sowohl hinsicht­lich der Hard­ware- als auch der Soft­ware­kom­po­nenten. Die Flexi­bi­li­tät der Soft­ware­kom­po­nenten ermög­licht es dem Anwen­der, potenzielle 5G-Signalformate und pro­pri­e­täre Signalformate zu erzeugen und zu analy­sie­ren. Bei den Hard­ware­kom­po­nenten spielen Flexi­bi­li­tät und Skalier­bar­keit zusammen, dadurch decken die Signal­gene­ratoren und -analy­satoren den Frequenz­bereich von Hochfrequenz bis zu Milli­meter­wellen ab, mit Band­breiten von bis zu
2 GHz.

Abbildung 1 zeigt eine Hard­ware/Soft­ware-Kombi­na­tion, die als Refe­renz­lösung für ein flexibles 5G-Testsystem dienen kann. Die Lösung umfasst u. a. einen Präzi­sions-Arbiträr­signal­gene­rator (ARB), einen Vektor­signal­gene­rator mit Breit­band-I/Q-Eingängen und eine Soft­ware zur Signal­ent­wick­lung. Diese Geräte ermög­lichen die Erzeugung komplex modu­lierter Signale mit Trägerfrequenzen bis 44 GHz und bis zu 2 GHz Modulationsbandbreite. Bei Bedarf kann der Frequenzbereich mit Hilfe eines Aufwärtsmischers noch nach oben erwei­tert werden.

Mit dieser Kombi­na­tion aus Hard­ware und Soft­ware lassen sich Kandidaten für 5G-Signalformate wie z. B. pro­pri­e­täre FBMC- und OFDM-Signale, aber auch Einzelträger­signale erzeugen. Die Hard­ware ist mit System­design-Soft­ware inte­griert. Dadurch ist es möglich, schnell und einfach pro­pri­e­täre Algo­rith­men zu imple­men­tie­ren oder „Was-wäre-wenn“-Szenarien zu simulieren, beispiels­weise um zu untersuchen, ob ein LTE-Signal und ein FBMC-Signal pro­blem­los koexistieren können.

Die Refe­renz­lösung ermög­licht auch die Demodulation und Analyse von Testsignalen. Soft­wareseitig bietet sich hierfür eine Kombi­na­tion aus der VSA-Software 89600 und der Simulations­soft­ware an. Hard­wareseitig hat man die Wahl zwischen einem Signal­analy­sator, einem Oszillo­skop oder einem PC, der diverse Mess­geräte oder Digitizer steuert.

Abbildung 1. Beispiel für ein flexibles Testsystem zur Erzeu¬gung und Ana¬lyse von 5G-Signalen.

Abbildung 1. Beispiel für ein flexibles Testsystem zur Erzeu¬gung und Ana¬lyse von 5G-Signalen.

Um die Machbarkeit dieser Refe­renz­lösung zu illustrieren, wollen wir zwei verschie­dene Testfälle untersuchen. Im ersten Fall wird als Testsignal ein anwender­spezifisches OFDM-Signal mit einer Frequenz von 28 GHz und einer Band­breite von etwa 1 GHz ver­wen­det. Im zweiten Fall handelt es sich um ein 73-GHz-Einzelträgersignal mit 2 GHz Band­breite.

Testfall Mikro­wellen: Erzeu­gung und Ana­lyse eines breit­bandigen, pro­pri­e­tären 28-GHz-OFDM-Signals

Generatorseitig besteht die Refe­renz­lösung in diesem Fall aus einem Präzi­sions-AWG und einem Vektor­signal­gene­rator mit Breit­band-I/Q-Eingängen, der den Frequenz­bereich bis 44 GHz abdeckt.

Das anwender­spezifische 28-GHz-OFDM-Signal mit einer Modulationsbandbreite von etwa 1 GHz wird mit Hilfe der Signal­erzeugungs­soft­ware defi­niert (Abbildung 2). Es werden Resource-Mapping-Para­meter für Präambel-, Pilot- und Daten-Unterträger vorge­geben, einschließ­lich Position und Boost-Level für die einzelnen Ressourcen­blöcke. Für Pilot- und Daten-Unterträger werden Präambel, Modulationsformat und Nutzlast-I/Q-Daten spezi­fi­ziert.

Abbildung 2: Beispiel für die Erstellung eines breit­bandigen, pro­pri­e­tären OFDM-Signals mit Hilfe der Signal Studio Soft­ware.

Abbildung 2: Beispiel für die Erstellung eines breit­bandigen, pro­pri­e­tären OFDM-Signals mit Hilfe der Signal Studio Soft­ware.

Das per Soft­ware erstellte Signal wird in den AWG herunter­gela­den und von diesem ausgegeben. Der AWG wird dabei über eine Soft-Front­platte gesteuert. Die IQ-Aus­gänge des AWG sind mit den Breit­band-IQ-Eingängen des PSG-Vektor­signal­gene­rators verbun­den, der die IQ-Signale auf einen 28 GHz-Träger modu­liert. Das Mikro­wellen-Aus­gangs­sig­nal des PSG wird mit Hilfe eines 63-GHz-Hochleistungsoszilloskops analysiert, auf dem die VSA-Software 89600 läuft.

Abbildung 3 zeigt in sechs Bild­schirm­fenstern das Ergeb­nis der Signal­analyse:

  • Oben links: Konstel­lationsmuster
  • Oben Mitte: EVM-Spek­trum vs. Unterträger
  • Oben rechts: Suchzeit
  • Unten links: etwa 1 GHz breites Spek­trum bei 28 GHz Mitten­frequenz
  • Unten Mitte: Fehler­über­sicht
  • Unten rechts: Frequenz­gang des OFDM-Equalizer­kanals
Abbildung 3: Demodulation eines pro­pri­e­tären Breit­band-OFDM-Signals mit einer Trägerfrequenz von 28 GHz und einer Band­breite von etwa 1 GHz.

Abbildung 3: Demodulation eines pro­pri­e­tären Breit­band-OFDM-Signals mit einer Trägerfrequenz von 28 GHz und einer Band­breite von etwa 1 GHz.

Testfall Milli­meter­wellen: Erzeu­gung und Ana­lyse eines breit­bandigen 73-GHz-Einzelträger­signals

Zur Erwei­te­rung des Frequenz­bereichs auf 73 GHz wird für diesen Test die Basis­konfi­gu­ra­tion der Refe­renz­lösung generatorseitig um einen Milli­meter­wellen-Aufwärtsmischer und analy­satorseitig um einen Milli­meter­wellen-Abwärtsmischer oder einen „smarten“ Hohlleitermischer erwei­tert. Abbildung 4 zeigt ein verein­fachtes Block­schalt­bild einer exemplarischen 73-GHz-Hardware-Konfi­gu­ra­tion. Ein Mikro­wellen-Signal­gene­rator liefert das
LO-Signal für den Milli­meter­wellen-Aufwärtsmischer. Das Aus­gangs­sig­nal des Aufwärtsmischers wird durch einen (hier nicht abgebildeten) Milli­meter­wellen­verstär­ker mit Ausgangs­filter verstärkt.

Abbildung 4: Exemplarische Hardware-Konfi­gu­ra­tion für die Erzeu­gung und Ana­lyse eines 73-GHz-Milli­meter­wellen­signals.

Abbildung 4: Exemplarische Hardware-Konfi­gu­ra­tion für die Erzeu­gung und Ana­lyse eines 73-GHz-Milli­meter­wellen­signals.

Für die Signal­analyse im Frequenz­bereich von 60 bis 90 GHz wird eine Kombi­na­tion aus einem Hohlleiter-Abwärtsmischer, einem Signal­analy­sator und einem Oszillo­skop ver­wen­det. Der Eingang des Hohlleiter-Abwärtsmischers ist mit dem Ausgang des Milli­meter­wellen-Aufwärtsmischers verbun­den. Ein Signal­analy­sator analysiert das Spek­trum des ZF-Ausgangs­signals des Abwärtsmischers. Der ZF-Hilfsausgang des Abwärtsmischers ist mit dem Oszillo­skop verbun­den. Dieses läuft unter der VSA-Software und führt eine Breit­band-Demodulations­analyse durch.

Bei den extrem hohen Frequenzen und großen Band­breiten, die hier im Spiel sind, können an zahl­reichen Stellen der Signalkette lineare Amplituden- und Phasenfehler auftreten. Mögliche Fehlerquellen sind der AWG, der Vektor­­signal­gene­rator, der Aufwärtsmischer, der Hohlleiter-Abwärtsmischer, Kabel/Steck­ver­binder und der Signal­analy­sator. Diese Fehler werden durch Anwen­dung vektorieller Korrekturwerte redu­ziert, die zuvor mit Hilfe des adaptiven Equalizers der VSA-Software ermittelt wurden. Der Equalizer synthetisiert einen vektoriellen Frequenz­­gang, der sowohl Ampli­tuden- als auch Phasenfehler mini­miert. Hierzu wird der Equalizer-Frequenz­gang in die Systemdesign-Soft­ware eingelesen, die zur Erstellung des Testsignals ver­wen­det wird, und das Signal ent­sprechend vorverzerrt (Abbildung 5).

Abbildung 5: Durch die Integration von Systemdesign-Soft­ware und Mess­geräten lassen sich lineare Ampli­tuden- und Phasen­fehler des Testsignals kor­ri­gie­ren.

Abbildung 5: Durch die Integration von Systemdesign-Soft­ware und Mess­geräten lassen sich lineare Ampli­tuden- und Phasen­fehler des Testsignals kor­ri­gie­ren.

Abbildung 6 zeigt die Demodulations­analyse eines vektoriell korrigierten 73-GHz-Signals mit 2 GHz Modulations­bandbreite. Die Demodulation eines Signals mit einer Modulationsbandbreite von 2 GHz ist wegen Unzuläng­lichkeiten der zahl­reichen Hard­ware­kom­po­nenten ohne adaptiven Equalizer nicht gerade einfach. In diesem Beispiel wurden die linearen Ampli­tuden- und Phasen­fehler durch Vorverzer­rung per Soft­ware korrigiert. Dadurch erhält man ein Signal mit einem kleinen EVM, ohne dass man für die Messungen einen (physischen) adaptiven Equalizer benö­tigt.

Abbildung 6: Demodulation eines 73-GHz-Signals mit 2 GHz Modulationsbandbreite.

Abbildung 6: Demodulation eines 73-GHz-Signals mit 2 GHz Modulationsbandbreite.

Die Ent­wick­lung der 5G-Techno­logie ist in viel­facher Hinsicht eine große Heraus­for­de­rung. Um diese Heraus­for­de­rungen meistern und schnell auf Richtungs­ände­rungen in der Roadmap rea­gie­ren zu können, benöti­gen Forscher und Ent­wicklungs­inge­nieure mög­lichst flexible Test­lösungen.

Die im vorliegenden Artikel vorgestellte Refe­renz­lösung bietet die nötige Flexi­bi­li­tät, um potenzielle 5G-Signal­formate unterschiedlichster Art zu erzeugen und zu analy­sie­ren. Zu dieser Flexi­bi­li­tät tragen sowohl die Soft­ware­kom­po­nenten als auch die Hard­ware­kom­po­nenten bei, die von Hochfrequenz über Mikro­wellen bis zu Milli­meter­wellen skalier­bar sind und Modulationsbandbreiten bis 2 GHz unter­stützen.

Greg Jue arbeitet als Applikations­ent­wicklungs­inge­nieur/Wissenschaftler bei Keysight Technologies an 5G-Applikationen. Zuvor hat Greg in Keysights Aerospace/Defense Applications Team, High Performance Scopes Team und bei EEsof gearbeitet und sich auf Applikationen für WLAN 802.11ac, LTE, WiMAX, Aerospace/Defense und SDR spezialisiert. Greg hat den Abschnitt „Design Simulation“ im LTE-Buch von Agilent Technologies verfasst und ist Autor zahl­reicher Fachartikel, Präsen­tationen, Appli­ka­tions­berichte und Weißbücher, darunter das Weißbuch „Implementing a Flexible Testbed for 5G Waveform Generation and Analysis“. Greg hat bei Agilent Technologies die Integration von Design/Simulations- und Test­lösungen vorangebracht und zahl­reiche Applikations­berichte über die Integration von Simulation und Test für aufkommende Techno­logien verfasst. Bevor er 1995 zu HP/Agilent kam, arbeitete er am System­design für das Deep Space Network am Jet Propulsion Laboratory der Caltech University.