Für realistische Wiedergabe im Labor

Über die reine Kostensenkung beim Feldtest von Empfangsgeräten für Rundfunk, Fernsehen oder auch GPS und deren Wiedergabe im Labor hinaus, werden durch diese im Folgenden vorgestellte Methode die Testergebnisse nun exakt reproduzierbar. Fährt man mit unterschiedlichen Empfängern mehrfach die genau gleiche Teststrecke, so sind die Messbedingungen trotzdem nie genau gleich: Tageszeit, Wetter und Vegetation verändern die Ausbreitungsbedingungen für Funksignale, andere Fahrzeuge verursachen Reflexionen.
Zeichnet man hingegen die Signale einmalig auf, so lassen sich hochgradig reproduzierbare Testumgebungen schaffen, die eine stabile Referenz für Optimierung.

Die Möglichkeit, überdies aufgezeichnete Empfangsszenarien gezielt zu verändern und mit synthetisch generierten Signalen zu kombinieren, schafft bislang so nicht gekannte Testmöglichkeiten, um die Verträglichkeit neuer Funkdienste mit den bereits bestehenden Frequenznutzungen praxisnah zu untersuchen.

Eine einzige Antenne genügt häufig nicht

Moderne Empfänger nutzen zunehmend die sogenannte Diversity mit dem Ziel, ein Optimum an Empfangsqualität auch unter schwierigen Empfangsbedingungen zu bieten. Dabei empfängt man Funksignale gleichzeitig auf mehreren Frequenzen und/oder Orten über mehrere Empfangsantennen. Für das Aufzeichnungssystem ergibt sich folglich die Notwendigkeit, Signale von mehreren Antennen exakt zeit- und phasensynchron erfassen zu können – nur so ist später im Labor die exakte Reproduzierbarkeit gewährleistet.

HF Performance ist alles

Der wohl wichtigste Leistungsparameter bei einem HF-Aufzeichnungssystem ist die Qualität der Aufzeichnung, ausgedrückt in der Fähigkeit, schwache Signale bei gleichzeitiger Anwesenheit starker Signale möglichst unbeeinflusst zu erfassen, dem so genannten Dynamikbereich. Angesichts der Qualität moderner Analog-Digital-Umsetzer-Bausteine entscheiden meist Auslegung und Qualität des vorgeschalteten Hochfrequenzteils – des „Frontends“ – darüber, wie realistisch Signalumgebungen aus der Realität ins Labor geholt werden können.
Ein Dynamibereich von mindestens 80dB ist die magische Schwelle, deren Erreichen über einen breiten Frequenzbereich (z.B. 9 kHz…3000 MHz) nur mit feinster und leider nicht ganz billiger HF-Technik gewährleistet ist (siehe Infokasten zum Thema Dynamikbereich).

Keine störenden Abstrahlungen

In vielen Fällen befinden sich empfindliche Empfangsantennen in unmittelbarer Nähe des HF-Aufzeichnungssystems. Um die aufgezeichneten Signale nicht zu verschlechtern oder zu verfälschen, muss das HF-Aufzeichnungssystem daher quasi frei von störenden elektromagnetischen Abstrahlungen sein. Die tolerierbaren Werte liegen weit unter dem, was die gängigen Grenzwerte nach EN55022 zulassen würden. Der Einsatz kommerzieller IT verbietet sich daher ebenso wie externe Spannungswandler. Speziell entworfene Hardware, die alle Systemkomponenten in einem einzigen, perfekt geschirmten und kompakten Gehäuse enthält, hilft, die Anforderungen erfüllen.
IZT bietet mit dem R3301 ein exakt auf die Bedürfnisse der mobilen Aufzeichnung von Funksignalen abgestimmtes Aufzeichnungsgerät an, obwohl es sich vom Ansatz her um einen klassischen Breitbandempfänger mit Frontpanel-Bedienung handelt.

Modernste Empfangstechnik

Kern des Gerätes sind die Module aus der IZT R3000 Empfängerserie, die den Frequenzbereich von 9 kHz bis wahlweise 3, 6 oder 18 GHz abdecken. Von 9 kHz bis 30 MHz wird ohne Frequenzumsetzung nach Filterung durch hochwertige Suboktav-Bandfilter direkt digitalisiert. Darüber werden jeweils zweifach umsetzende Schaltungskonzepte eingesetzt, die auf maximale Linearität bei optimaler Rauschzahl optimiert wurden. Der IZT R3301 ist in der Lage, mehr als 20,5 MHz Signalbandbreite kontinuierlich zu erfassen. Dabei beträgt der Dynamikbereich über die gesamte Signalverarbeitungskette typisch 83 dB bezogen auf eine Kanalbandbreite von 100 kHz im Bereich des UKW-Rundfunkbandes. Eine einstellbare Verstärkung ermöglicht es, den Betriebsbereich hin zu höheren Eingangspegeln zu verschieben, ohne dass dabei die Dynamik verschlechtert wird. Die nachfolgende digitale Verarbeitung der Signale – unter anderem digitale Filter, Abtastratenwandlungen, Berechnung des Spektrums – erfolgen leistungssparend in speziell für die Aufgabe programmierten Bausteinen.

Echtzeit-Spektrum

Mit Hilfe einer hochauflösenden Spektrumsanzeige kann der Benutzer während der Aufzeichnung mitverfolgen, welche Signale der IZT R3301 momentan empfängt. Die aufgenommen Signale werden als 16- oder 32-Bit-I/Q-Daten zusammen mit dem berechneten Spektrum, umfassenden Statusinformationen und der aktuellen GPS-Position mit auf Mikrosekunden genauen Zeitstempeln auf zwei je ein Terabyte großen Festplatten-RAIDs gespeichert. Damit sind – je nach eingestellter Bandbreite – mindestens fünf Stunden kontinuierliche Erfassung möglich.

Stromsparender Aufzeichner

Der IZT R3301 kann wahlweise mit Netzspannung oder Gleichspannung betrieben werden. Dabei beschränkt er seine Leistungsaufnahme auf 150 W, um einen problemlosen Betrieb an einer Bordspannungssteckdose zu gewährleisten. Beim Entwurf des Gerätes wurde von Anfang an sehr viel Wert auf kleinstmögliche elektromagnetische Abstrahlung gelegt – aufwendige Filterung und Abschirmungen sowie ein Bedienkonzept, das ohne zusätzliche Peripherie wie Tastatur und Maus auskommt. Im Ergebnis unterschreiten die Abstrahlungen des IZT R3301 die Grenzwerte der CISPR25 class 5. Das Gerät kann auch in unmittelbarer Nähe von empfindlichen aktiven Empfangsantennen betrieben werden, ohne dass Störungen im Empfangssignal dadurch generiert würden.

Exakt sychronisierbare Antennen

Sollen Signale von mehr als einer Antenne oder über eine größere Bandbreite aufgezeichnet werden, so lassen sich mehrere IZT R3301 über eine kompakte externe Synchronisationseinheit koppeln. Dann übernimmt ein Master-R3301 die Steuerung der anderen R3301. Sämtliche Zeitbasen und Takte innerhalb aller Geräte werden auf Sub-Nanosekunden und Bruchteilen von Grad genau zueinander synchronisiert.
Auf diese Weise werden die relativen Phasen der Empfangssignale so exakt erfasst, dass im Nachhinein auch eine Funkpeilung ohne Probleme daraus berechnet werden könnte. Eine weitere Betriebsart ist die gleichzeitige Erfassung von zwei Frequenzbändern, beispielsweise UKW-Rundfunk und DAB, um nachher im Labor zu testen, wie gut ein Empfangsgerät den ggf. automatischen Wechsel zwischen diesen Programmen beherrscht.

Für das Abspielen der aufgezeichneten Signale bietet sich der Signalgenerator IZT S1000 an – entweder direkt aus dem IZT R3301 heraus oder über einen zwischengeschalteten Server zur Verwaltung der großen anfallenden Datenmengen. Dabei handelt es sich aber nur um eine der vielen Fähigkeiten des IZT S1000. Dieses neuartige Gerät kann bis zu 31 unabhängige Signale verteilt über zwei Frequenzblöcke mit jeweils 120 MHz erzeugen und ausgeben. Der Nutzer kann sich damit seine Wunsch-Radio-Umgebung konfigurieren: mit IZT R3301 aufgezeichnete Signale kombiniert mit synthetisch erzeugtem Content oder auch Aufnahmen, die zu anderer Zeit oder an einem anderen Ort gemacht wurden.

Auf einen Blick

Signal-Performance ermitteln

Die Möglichkeit, im Feld aufgezeichnete Empfangsszenarien von HF- und UHF-Empfängern aller Art gezielt zu verändern und mit synthetisch generierten Signalen zu kombinieren, schafft bislang nicht gekannte Testmöglichkeiten, um die Verträglichkeit neuer Funkdienste mit den bereits bestehenden Frequenznutzungen praxisnah mit Hilfe der Spektrumanalyse und von Diversitytechniken zu untersuchen.

Infokasten

Wie ergibt sich der Dynamikbereich aus den Spezifikationen?
Beim Vergleich verschiedener HF-Aufzeichnungssysteme ist man mit einer Reihe von Begriffen und Spezifikationen konfrontiert, die an dieser Stelle kurz und vereinfacht erläutert werden mit Hinblick auf ihren Bezug zum Dynamikbereich.
Die Rauschzahl F eines Empfängers beschreibt, wie gut er schwache Signale empfangen kann. Je niedriger die Rauschzahl, umso schwächer dürfen die Signale sein. Für sich allein sagt diese Spezifikation jedoch nichts aus – erst zusammen mit dem 3rd-Order-Input-Intercept-Punkt (IIP3) ergibt sich eine sinnvolle Aussage.
Der IIP3 beschreibt wie gut ein Empfänger mit starken Signalen umgehen kann. Nehmen wir als Beispiel zwei starke UKW-Sender auf den Frequenzen f1=99,4 MHz und f2=103,2 MHz. In den analogen Stufen des Empfängers bilden sich daraus die in Wirklichkeit nicht vorhandenen Mischprodukte 2f1-f2=95,6 MHz und 2f2-f1=107,0 MHz. Je höher der IIP3, desto geringer fallen diese Mischprodukte aus. Tendenziell sind empfindliche Empfänger anfälliger für Intermodulationen, haben also einen niedrigeren IIP3.
Für den Vergleich zweier Empfänger in Bezug auf Dynamikbereich zieht man daher die Differenz aus IIP3 (z.B. +10dBm) und Rauschzahl (z.B. 12dB) heran – je größer, desto besser. Den Rest erledigen im Bedarfsfall ein rauscharmer Verstärker oder fallweise auch ein Abschwächer hinter der Empfangsantenne.
Genauso wichtig wie die Qualität des Frontends ist die spektrale Reinheit der für die Frequenzumsetzung verwendeten Lokaloszillatorsignale, die sich ausdrückt in stochastischem Phasenrauschen und diskreten Störlinien (Spurious). Beides zusammen führt dazu, dass selbst ein perfekt reines Signal eines starken Senders im Analogteil bis zur Digitalisierung einen „Rauschfuß“ erhält, der umso mehr ansteigt, je schlechter die Oszillatoren und je größer der Empfangspegel ist. Egal, wie linear das Frontend ist und wie viele Bits der A-D-Umsetzer Auflösung hat – ein Oszillatorsignal mangelnder Qualität lässt sich durch nichts mehr ausgleichen.

(sb)