Messtechnische und EDA-Herausforderungen bei der Entwicklung

Bild 1: Typische Baugruppen eines IoT-Gateways oder -Sensors, etwa eines Thermostats oder eines Gas-, Wasser- oder Stromzählers. Keysight Technologies

Marktprognosen legen nahe, dass wir schon bald einige zig Milliarden Geräte im Internet der Dinge (IoT, Internet of Things) sehen werden, über das diese Geräte Informationen melden und Befehle entgegennehmen. Das kann eine Überwachungskamera im Kinderzimmer sein, ein Dehnungssensor in einer Brücke oder sogar ein ganzes Flugzeug. Viele dieser „smarten Geräte” werden einfach aufgebaut sein, aber man wird von ihnen erwarten, dass sie Monate oder gar Jahre klaglos und ohne Wartung ihren Dienst tun. Andere werden komplexer sein, sie werden als Gateways dienen und als Daten­sammel­punkte für Geräte in lokalen Unternetzen. Ent­wick­ler solcher smarten Geräte stehen vor nachfolgenden wesentlichen Herausforderungen.

Zuneh­mende Integrationsdichte

Fortschritte bei der Technologie von Mixed-Signal-ICs ermöglichen Geräte, die mehr leisten und weniger kosten als vergleichbare Geräte in diskretem Aufbau, sie sind weiterhin kleiner und brauchen weniger Strom. Diese Vorteile bringen allerdings ein komplexeres Design mit sich, weil digitale, analoge und HF-Funktionen auf ein und demselben Substrat realisiert sind und somit gleichzeitig entworfen und verifiziert werden müssen. Die Komplexität lohnt sich aber: Frühe Implementationen von IoT-Geräten, etwa stromsparende Mikrocontroller mit eingebauter Funkschnittstelle und Schnittstellen für Sensoren und Aktoren, sind bereits heute in IoT-Anwendungen gängig.

Die Integration treibt man weiter voran, wenn man die Antenne direkt auf die Leiterplatte des Geräts druckt. Damit spart man ein internes oder sogar externes Bauteil. Manche an sich einfache IoT-Geräte verfügen sogar über mehrere Antennen (etwa für WLAN und Bluetooth, für Internet und lokale Netze) und entsprechend mehrere Sender, die diese Antennen ansteuern. Daher ist es wichtig, dass man Faktoren wie Antennenanpassung, Wirkungsgrad, Richt­charak­teristik und gegenseitige Störungen simulieren und in der Praxis messen kann.

Batterielaufzeit von IoT-Geräten

Will man ein großes Sensorennetz aufbauen, ist eine möglichst lange Batterielaufzeit gefragt, weil man dadurch Wartungskosten spart. Viele IoT-Designer arbeiten zur Stromersparnis mit sehr geringen Tast­verhältnissen und verschiedenen Schlafmodi. In leistungsfähigeren Geräten brauchen Prozessor, Bildschirm und Funkschnittstellen einen Großteil des Stroms. Für ein detailliertes Verständnis des Energieverbrauchs dieser Geräte muss man ein gutes Modell für das Zusammenwirken der einzelnen Subsysteme und ihrer Stromsparmechanismen erstellen (Bild 1).

Will man eine möglichst lange Batterielaufzeit erzie­len, muss man nachvollziehen können, wie viel Strom in jeder Betriebsart fließt und wie lang. Die Herausforderung dabei ist der große Dynamik­bereich: Der zu messende Strom kann im Tiefschlaf nur einige Nanoampere betragen, im aktiven Modus hingegen bis zu vielen Ampere. Die nutzbare Betriebsdauer eines unbedienten, abgesetzten Geräts steigt mit verbesserter Batterie­technik, Energie-Harvesting, einer möglichst stromsparenden Konstruktion und stromsparenden Kommunikationsstrategien. Man muss den Energie­verbrauch systematisch analy­sie­ren, wenn man verstehen will, wie diese Variablen die Betriebsdauer des Geräts und seine thermischen Anforderungen beeinflussen. Ihre Ergebnisse verbindet man mit den Umwelt- und Netzbedingungen der Praxis und trifft daraus schließlich Entscheidungen beim Design von Hard- und Software.

Bild 2: Tausend Wege und Schnittstellen führen in die Cloud. Keysight Technologies

Saubere Signale und saubere Stromversorgung

Saubere Signale und eine saubere Stromversorgung sind für einen zuverlässigen Langzeitbetrieb jedes Geräts unabdingbar. Besonders wichtig sind Fragen der Signal- und Stromversorgungsintegrität für Schaltungen mit niedriger Betriebsspannung oder hohen Taktfrequenzen, weil diese anfälliger für Übersprechen sind. Fragen zur Signalintegrität (SI) fallen in vier Kategorien: Einzelnetz, Übersprechen zwischen verschie­denen Netzen, Strom- und Masseschienen in Stromversorgungsnetzen (PDN, Power Distribution Networks) und elektromagnetische Interferenz. Man geht diese Fragen an mit sauberer Impedanz­anpassung an den Schnittstellen, einer geeigneten räumlichen Anordnung von Schaltungsteilen zur Reduktion von Einstreuungen, möglichst kurzen Leitungslängen, einer möglichst niederohmigen Stromversorgung sowie einer guten Masseführung und Abschirmung.

Durch Analyse der Stromversorgungsintegrität findet man heraus, mit welchen Störungen die Betriebs­spannung auf dem Weg von der Quelle zur Last befrachtet wird. Bei stromsparender Elektronik beträgt die zuläs­sige Betriebs­spannungs­tole­ranz lediglich ±1 %. Jede Wellig­keit, jedes Rauschen, jede Stör­spannung, jede Spannungsspitze auf den Versorgungsleitungen kann bei Schaltungen, die eine so eng tolerierte Versorgung brauchen, Takt oder Daten beeinträchtigen. Dem Ingenieur stellt sich daher die Herausforderung, immer kleinere und immer schnellere Wechselstrom­komponenten auf den Versor­gungsleitungen zu messen.

Viele Funkschnittstellen, die einander stören können

IoT-Geräte arbeiten mit vielen und höchst unterschiedlichen Funkschnittstellen. Ein batterie­betriebe­ner Sensor hat vielleicht eine Kurzstreckenfunkverbindung mit sehr niedrigem Tastverhältnis, wohin­gegen ein selbstfahrendes Auto eine hochzuverlässige Verbindung mit großer Bandbreite braucht. Beim Messen ist diese Vielfalt eine Herausforderung, weil jeder Funkstandard andere Testbedingungen beim HF-Test, andere Physical Layers und andere Modulationsstandards aufweist (Bild 2). Entwicklungsingenieure müssen verifizieren, dass verschiedene Geräte korrekt interagieren und mehrere Standards gleichzeitig verarbeiten. An dieser Stelle spart eine Messausrüstung, die alle genutzten Standards abdeckt, bares Geld.

Bild 3: Die Design-Tools von Keysight unterstützen Arbeitsabläufe vom Design über Validierung bis zum Test. Keysight Technologies

Interferenz und Normeinhaltung bei IoT-Geräten

Wenn zig Milliarden IoT-Geräte in Betrieb sind, müssen sie sich knappe Ressourcen teilen, etwa das immer stärker genutzte lizenzfreie ISM-Band. Ein Entwickler muss sicherstellen, dass seine Geräte in solch stark genutzten Signalumgebungen noch sicher arbeiten. Die Standards des jeweiligen Funkverfahrens und die regulatorischen Bedingungen müssen eingehalten werden, sodass die Geräte andere Geräte im gleichen Kanal oder im Nachbar­kanal nicht stören. IoT-Geräte müssen auch auf elektromagnetische Verträglichkeit geprüft werden. Dies geschieht mittels Messung der vom Gerät ausgehenden Stör­span­nung/Stör­strahlung und der Emp­find­lich­keit des Gerätes gegen­über externer Stör­span­nung/Stör­strahlung. Die zur Prüfung der Standard­konformität eingesetzten Messgeräte müssen den jeweiligen Normen entsprechen.

Lösungen fürs Design

Die EDA-Werkzeuge und Designabläufe von Keysights EEsof arbeiten auf System-, Bauteil-  und physikalischer Ebene und erlauben systemische Simulationen, wie man sie für ein effektives IoT-Gerätedesign braucht (Bild 3). System Vue ist ein Designwerkzeug auf Systemebene, mit dem Systemarchitekten und Algo­rith­men-Entwickler verschiedene Ansätze bei der Implementierung des Physical Layer drahtloser Kommuni­ka­tionssysteme prüfen und bewerten können. System Vue verfügt über virtuelle Messfunktionen, mit denen man die Leistung des zu entwickelnden Geräts vorhersagen kann.

Das Advanced Design System (ADS) ermöglicht ein Co-Design von ICs, Gehäusen und Leiterplatten. Damit können Schaltungen, die in verschiedenen Technologien entworfen werden, nicht nur auf der Schaltungsebene simuliert werden; das System ermög­licht auch eine vollständige elektromagnetische 3D-Simulation. Das Tool verfügt über planare 3D- und voll-3D-EM-Feld-Rechner und unter­stützt elektro-thermische Analysen. Es verfügt über ein Echtzeit-Optimierungs-Steuerpult und Bibliotheken für die neuesten Funkstandards.

Die Analyse der Signalintegrität wird mit Wechselstrom- und S-Parameter-Simulatoren unterstützt. Sie errechnen das Rauschen, das jedes Bauteil in einer Schaltung erzeugt und bestimmen dann, in welcher Weise dies das Netz beeinflusst. ADS bietet weiterhin SIPro für die EM-Charakterisierung von schnellen Verbindungen auf dicht bestückten Leiterplatten und PIPro, das den Gleichspannungsabfall an ohm­schen Widerständen, die Wechselstromimpedanz und die Eigenresonanz der Stromversorgungsebene analysieren kann.

Bild 4: Nahtloser Bereichswechsel ermöglicht Keysights SMUs, in Echtzeit den Bildden aktuellen Messwert verwendet. Keysight Technologies

Die EM-Simulation umfasst die Momentenmethode, FEM und die Finite-Differenzen-Methode in der Zeitebene. Man kann damit Einkopplungen und Parasitäreffekte auf Multilayer-Leiterplatten ein­schließ­lich räumlichen Strukturen wie etwa Gehäuseformen, Bondingdrähten, Steck­ver­bindern und Antennen analysieren. Weiterhin kann man damit EMI/EMC, die äqui­va­lente Radar-Echofläche und biomedizinische Anwendungen prüfen.

Und dann gibt es noch Golden Gate, ein Werkzeug für die Entwicklung von Mixed-Signal-HF-ICs. Das Tool verbindet die Entwicklung auf System-, Subsystem- und Bauteilebene und bietet damit eine übergreifende Steuerung des Arbeitsablaufs beim Design von IoT-Geräten.

Test­lösungen für IoT

Für die Analyse des Batteriestromverbrauchs bietet Keysight die beiden Zwei-Quadranten-SMUs (Source Measurement Unit) N6781A und N6786A. Diese bieten einen nahtlosen Messbereichswechsel über sieben Größenordnungen und können somit Ströme messen, die über einen weiten Dynamik­bereich variieren. Die Geräte können auch das Verhalten realer Batterien emulieren und verfügen für Laufzeitmessungen über belastungslose Strom- und Spannungsmessgeräte (Bild 4). Keysight liefert Messgeräte für Signal- und Stromversorgungsintegrität, die den Ingenieur bei der Validierung der Simulation unterstützen. Die Option TDR (Time Domain Reflectometer) des ENA-Netz­werk­analysa­tors ermög­licht die Charak­te­ri­sie­rung von Steck­ver­bindern und Über­tra­gungs­strecken, die Infiniium-Oszilloskope unterstützen Sender­messungen und die BERT-Lösungen (Bit Error Ratio Test) kann man für den Empfängertest einsetzen. Für Entwickler von IoT-Geräten mit Funkschnittstelle liefert Keysight sowohl Benchtop-Messgeräte als auch modulare Versionen und One-Box-Tester. All diese Geräte können mit entsprechender Software aufgerüstet werden und arbeiten dann nach dem gleichen Messprinzip. So sind Messergebnisse auf allen Ebenen vergleichbar und reproduzierbar, von der Entwicklung bis hin zur Serienproduktion.

Bild 5: Gleiches Messprinzip vom Laborplatz bis zur Produktion sorgt für reproduzierbare und vergleichbare Messwerte. Keysight Technologies

Keysights Software Signal Studio kann kundenspezifische und standard­konforme Signale erzeugen. Die Messapplikationen der Familie X bieten fertige Tests nach verschiedene IoT-Funk­stan­dards, die per Tasten­druck abgerufen werden können. Weiterhin gibt es die VSA-Software 89600, mit der man digitale Modulation analysieren und Fehler diagno­sti­zie­ren kann (Bild 5). Keysights Lösungsangebot umfasst auch dedizierte Messgeräte, wie etwa den Basic-Spektrum­analysator N9210B/N9322C für den Test von preisgünstigen Bluetooth- und Zigbee-Geräten und -modulen sowie das Testsystem T3111S für RIDER-NFC-Konfor­mi­täts­tests. Schließlich bedürfen EMI und EMC der sorgfältigen Beachtung. Keysights EDA-Software EMPro kann Emissionen von Schaltungen simulieren, um zu prüfen, ob sie EMV-Standards wie etwa CISPR, FCC Teil 15 und MIL-STD-461G einhalten. Keysight liefert weiterhin Tools für entwicklungsbegleitende (Pre-Compliance-) EMV-Tests unter Verwen­dung der EMV-Messapplikation N/W6141A auf Spektrum­analysatoren der Familie X.

(jj)