Bild 1: Der Spektrumanalysator FSW von Rohde & Schwarz.

Bild 1: Der Spektrumanalysator FSW von Rohde & Schwarz.Rohde & Schwarz

Die gegenwärtig für verschiedene Formen der drahtlosen Kommunikation genutzten modernen komplexen Modulationstechniken ermöglichen die Übertragung größerer Datenmengen. Das soll durch den kommenden Mobilfunkstandard 802.11ac untermauert werden – der Normentwurf dafür wurde Anfang 2012 von der IEEE veröffentlicht. Die Mobilfunkkommunikation erfolgt ausschließlich im 5-GHz-Frequenzband, wodurch deutlich höhere Datenraten erreicht werden als bei dem vorangehenden Standard 802.11n (mit bis zu 1 Gbit/s Gesamtdurchsatz ist das die doppelte Übertragungskapazität gegenüber 802.11n). Zudem ist dieser vollständig abwärtskompatibel zu den Geräten der Standards 802.11a und 802.11n und kann ohne gegenseitige Beeinträchtigung neben diesen beiden bestehen. Allerdings wird gegenüber früheren WLAN-Generationen eine wesentlich höhere HF-Bandbreite benötigt, mit einer größeren Anzahl an MIMO-Streams (Multiple Input Multiple Output); bis zu 8 x 8 werden letztendlich unterstützt. Da der Standard 802.11ac auf höherwertige Modulationsverfahren (BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM, oder 256-QAM) zurückgreift, wird auch die Messung der Modulationsqualität dieser Funksignale mit Gewissheit eine Herausforderung sein.

In den Labors der Betreiber könnten die Multi-Standard Spektrumanalysatoren sich häufen, um die Datenströme im Echtzeitmodus zu analysieren und die Frequenzsprünge der Signale zu verfolgen, da nun ein immer größerer Bereich des Spektrums für Frequenzsprünge offen ist. Das ermöglicht die Analyse verschiedener Standards gleichzeitig auf verschiedenen Frequenzen. Bei einer 256-QAM-Modulation werden definitiv Messgeräte mit erweiterter Spezifikation benötigt, um die Sendeleistung von WLAN-Hubs zu analysieren. Der Fehlervektorbetrag (Error Vector Magnitude – EVM) ist eine geeignete Leistungskenngröße für das von einem WLAN-Sender erzeugte modulierte Signal, das sich als Differenz zwischen dem gemessenen Vektor und einem idealen (Referenz) Vektor darstellen lässt. Dabei hat das verwendete Messsystem einen Einfluss darauf, wie gut das Signal erfasst wird. Bei einem Spektrumanalysator mit einer schlechten EVM-Leistungscharakteristik wird der Fehlerbetrag größer sein, wenn höherwertige Modulationsverfahren verwendet werden und die Messergebnisse nicht mehr aussagekräftig sind.

Überlastete Frequenzbereiche – ein Problem

Jetzt wird damit begonnen, Basisstationen zu bauen, die in der Lage sind die LTE-Technologie zu unterstützen, in den kommenden Jahren folgt dann der erweiterte Standard LTE-Advanced. Das stellt höchste Anforderungen an die Signalanalyse. Die von den Netzbetreibern genutzte Infrastruktur wird weiterhin auch mit UMTS/WCDMA/GSM senden müssen – so dass alle Teilnehmer gleichermaßen bedient werden. Das Problem besteht darin abzusichern, dass die Signale der verschiedenen Mobilfunktechnologien sich nicht plötzlich gegenseitig stören und die Übertragungsgüte verschlechtern. LTE-Advanced wird in höherem Maße auf Mehrwegeübertragungstechnologien (anfangs mit 4 x 4 MIMO-Streams und dann schrittweise bis zu 8 x 8) zurückgreifen und Multi-Carrier Orthogonal Frequency Division Multiplexing einsetzen. Einmal mehr besteht die Notwendigkeit einer hochperformanten Modulationsanalyse. Darüber hinaus helfen digitale Vorverzerrungstechniken die durch die Leistungsverstärker der Basisstation bedingte Verzerrung auszugleichen. Wenn jedoch der Leistungsverstärker bei 20 MHz arbeitet, muss der verwendete Spektrumanalysator mit einer Momentan-Bandbreite von 100 MHz oder höher arbeiten und einen hohen störsignalfreien Dynamikbereich besitzen. Nur dann kann die Situation richtig bewertet und aussagekräftige Messwerte erzeugt werden.

Weitere Erwägungen

Die Echtzeitanalyse erweist sich als besonders wichtig, wenn es um die Prüfung der Systemkonformität zu RFID-Standards geht, da die Frequenzbereiche immer breiter werden, um die heutige dynamische, überfüllte HF-Umgebung abzudecken. Notwendig ist eine Analyse über den vergrößerten Frequenzbereich, der beim RFID-Tag und beim RFID-Reader für Frequenzsprünge offen ist. Auch die Hüllkurve des Dynamikbereichs wird aufgeweitet – und zwar immer wenn der Tag bei der gleichen Frequenz überträgt wie der Reader. Dadurch ist dessen erheblich schwächeres Signal ohne hochwertige Analysegeräte schwer zu unterscheiden.

Bild 2: Multi-Standard Funksignalanalyse.

Bild 2: Multi-Standard Funksignalanalyse.Rohde & Schwarz

In zunehmendem Maße nutzen Radarsysteme aufwändige Techniken und Algorithmen zur Verbesserung der Auflösung, damit sie die Geschwindigkeit von bewegten Objekten präzise bestimmen können. Auch das bleibt nicht ohne Auswirkungen auf die Spektrumanalysatoren, mit denen solche Systeme getestet werden, denn dafür ist eine hohe HF-Leistung zwingend erforderlich.

Die wachsende Anzahl von Windparks hat ebenfalls eine Wirkung auf die Integrität verschiedener Mobilfunksignale. Die rotierenden Blätter eines Windrades können den Übertragungsweg der Mikrowellenverbindungen physisch unterbrechen und Anomalien bei den Radargeräten verursachen oder zu Mehrpfadinterferenzen bei Fernsehübertragungen führen. Einmal mehr besteht die Notwendigkeit, moderne Spektrumanalysatoren einzusetzen, um solchen Problemen entgegenzutreten.

Nun haben die Messgerätehersteller auf die Herausforderungen der Industrie auf ihre Weise reagiert. Zu den Lösungen zur Signal-/Spektrumanalyse gehört die FSW-Serie von Rohde & Schwarz. Mit einem Frequenzbereich von 2 Hz bis 26,5 GHz ist das FSW in der Lage, eine Demodulationsbandbreite von 160 MHz für die Analyse von breitbandig modulierten und frequenzagilen Signalen zu unterstützen und sehr schnell Störsignale zu detektieren, die vom getesteten Funksender abgestrahlt werden. Das Phasenrauschen liegt bei nur -137 dBc mit 10 kHz Versatz und der Dynamikbereich bei -88 dB – die entscheidenden technischen Voraussetzungen für eine präzise Messung dieser Signale.

Kostendruck

Mit der höheren Leistungsfähigkeit der von den Ingenieuren benötigten Messgeräte sind auch höhere Anschaffungskosten verbunden (Preise von 50.000 € bis 100.000 € sind gang und gäbe). Aus diesem Grund erfolgt hier ein Umdenken in Hinblick auf die Beschaffung solcher Geräte. Ein direkter Kauf kommt immer weniger in Betracht, stattdessen befürwortet ein Großteil der Betreiber und der Vertragspartner, die mit dem Netzausbau beauftragt werden, eine Miete als die bessere Lösung. Höhere Flexibilität und geringerer Capex sind allemal schlagkräftige Argumente, die Mietpartnerschaften attraktiv werden lassen.

Die Forderung nach immer höherer Übertragungskapazität im Mobilfunk führt zu überlasteten Frequenzbereichen. Für die Multi-Standard Basisstationen und WLAN-Hubs der Zukunft werden Spektrumanalysatoren gebraucht, die sich für höhere Übertragungsgeschwindigkeiten eignen und zugleich in der Lage sind, verschiedene parallele Signale zu messen, gleichzeitig aber auch eine ausgezeichnete Punktgenauigkeit, hohe Empfindlichkeit und einen großen Dynamikbereich besitzen. Wohlweislich sollte bedacht werden, dass die heutigen Fortschritte in der Analysetechnik sich ebenso in veränderten Geschäftsmodellen widerspiegeln müssen, die sowohl die technischen als auch wirtschaftlichen Aspekte gleichermaßen in Betracht ziehen.