HF-Generator mit maximaler Flexibilität

Bild 1: Der HF-Signalgenerator DSG3060 deckt den Frequenzbereich von 3 kHz bis 6 GHz ab.Rigol

Rigol Technologies weitet sein Portfolio in der Hochfrequenzmesstechnik aus: Nach zwei HF-Spektrumanalysatoren kommen nun zwei HF-Generatoren auf den Markt, die Modelle DSG3030 (3 GHz) und DSG3060 (6 GHz; Bild 1). Der Signalgenerator kann als reine HF-Sinus-(CW)-Quelle oder als analoge Modulationsquelle dienen. Des Weiteren stehen zusätzliche Optionen für digitale I/Q-Modulation und Puls- oder Pulsfolgengenerator zur Verfügung. Ein hochgenauer Quarz (optional OCXO) erhöht die Frequenzstabilität.

Die Entwicklung von Hochfrequenzsystemen erfordert immer mehr Spezialisierung der Entwickler. Als Folge daraus werden die Systeme in der Entwicklungsphase in einzelne Projekte aufgeteilt und durch Spezialisten der jeweiligen Fachgebiete ausgeführt. Neben dem Vorteil, dass jeder Ingenieur auf sein Teilgebiet fokussiert arbeiten kann, parallelisiert dieser Ansatz auch die Entwicklung. Um es jeder Gruppe zu ermöglichen, individuell und autark arbeiten zu können, ist es unabdingbar, eindeutige und klare Schnittstellen zu definieren. Hierzu zählt auch eine Festlegung, wie jede Gruppe ihre Entwicklung testen und die wichtigen Schnittstellen verifizieren kann. Genau an diesen Schnittstellen kommen die Stärken einer flexiblen Quelle besonders zum Tragen. Die perfekte HF-Quelle kann alle Signale der komplementären, noch nicht zur Verfügung stehenden Teile, bereitstellen und somit die spätere Gesamtintegration ermöglichen.

Bild 2: Das Blockdiagramm eines Mobiltelefons zeigt, welche Module wie zusammenhängen und wie getestet werden müssen.Rigol

Handy als Beispielsystem

Als Beispiel für ein solches Gesamtsystem soll ein Mobiltelefon dienen. Zu Beginn gibt ein vereinfachtes Blockdiagramm (Bild 2) einen Überblick über die Funktionsblöcke. Man kann das System grob in zwei Blöcke aufteilen: den Hochfrequenz-Teil und den Basisband-Teil. Der Beitrag fokussiert auf den HF-Teil, da sich hier viele Einsatzmöglichkeiten eines HF-Generators darstellen lassen. Das Mobiltelefon-HF-Frontend besteht aus Filtern, Verstärkern, Mischern und aus I/Q-Modulen. Alle diese Komponenten müssen einzeln und kombiniert getestet und vermessen werden.

Filter untersucht man am besten mit einem Netzwerkanalysator (NWA) oder mit einem Spektrumanalysator mit integriertem Mitlaufgenerator. Mit einem VNA (vektorieller Netzwerkanalysator) kann der Entwickler neben der Einfügedämpfung, der Sperrdämpfung und dem Frequenzbereich auch den Phasenverlauf beziehungsweise die Gruppenlaufzeit begutachten.

Bild 3: Typischer Messaufbau zum Untersuchen eines HF-Mischers.Rigol

Mischerdämpfung im Blick

Bei der Messung des Mischers kann ein HF-Signalgenerator sowohl den Lokaloszillator (LO) ersetzen, als auch als IF- (Zwischenfrequenz) oder HF-Quelle (Hochfrequenz) dienen. Zur Messung der Mischer-Performance wird zusätzlich noch ein Spektrumanalysator oder ein Leistungsmesser mit vorgeschaltetem Filter benötigt. Welche Messungen am Mischer und welche Spezifikationen und Funktionen des Generators sind nun besonders wichtig? Beim Blick in das Datenblatt eines Mischers tauchen neben dem Frequenzbereich zwei wichtige Auswahlkriterien auf: Die Mischdämpfung (Conversionloss) sowie die Port-zu-Port-Isolation (RF-IF oder LO-IF). Weitere wichtige Parameter sind VSWR (IF-, LO- oder RF-VSWR) und IP3 (Intermodulationspunkt 3. Ordnung).

Bild 4: Die Mischdämpfung (Conversionloss) ist ein Maß für die Effektivität des Mischers.Rigol

Exemplarisch sei hier ein Aufbau zur Messung der Mischdämpfung dargestellt (Bild 3). Die Mischdämpfung (Conversionloss) ist ein Maß für die Effektivität des Mischers. Sie ist definiert als die Differenz zwischen IF- und HF-Leistung (Bild 4). Wichtige Anforderungen an die Quelle sind hier Frequenzstabilität, niedriges Phasenrauschen und eine sehr gute Amplitudengenauigkeit. Hierzu bietet der DSG3000 die Optionen OXCO (hochstabiler Temperatur-geregelter Quarz mit 5 ppb) und PMC (Power Meter Controller) zur Eliminierung von Amplitudenfehlern an. Die Angaben am Mischer wie zum Beispiel Level 7 oder Level 17 oder Level 23 stehen für die Eingangsleistung des verwendeten Lokaloszillatorsignals. Um entsprechend spezifizierte Mischer messen zu können (Bild 5), muss der eingesetzte HF-Generator die vorgegebenen LO-Leistungen liefern können. Rigols DSG3000 ist hierzu mit einem maximalen Ausgangspegel von bis zu 25 dBm gut gerüstet.

Bild 5: Reale Messung der Mischdämpfung (vergleiche Bild 4).Rigol

Verstärker messen

Um eine störungsfreie und zuverlässige Übertragung zu ermöglichen, müssen auch im Verstärker einige Parameter getestet beziehungsweise spezifiziert werden. Wichtige Parameter sind neben Frequenzbereich und Verstärkungsfaktor, der 1-dB-Kompressionspunkt, die Intermodulationsfestigkeit sowie die Eingangs- und Ausgangs-Anpassung an 50 Ω über den spezifizierten Frequenzbereich.

Auch hier soll ein kurzes Beispiels die Einsatzmöglichkeiten des HF-Signalgenerators dargestellen. Der 1-dB-Kompressionspunkt definiert die Schwelle an der ein Leistungsverstärker aus seinem linearen Verhalten in das nichtlineare Verhalten übergeht und die reale, gemessene Ausgangsleistung, von der theoretischen, linearen Ausgangsleistung um 1 dB abweicht (Bild 6). Wichtige Funktionen des Generators sind hier die Möglichkeit eines Sweeps der Ausgangsleistung über einen definierten Leistungsbereich und die Genauigkeit der ausgegebenen Pegel. Mit Hilfe der Option PMC (Power Meter Controller) kann man vor dem eigentlichen Test einen Kalibrierzyklus fahren. Die mit einem am Generator angeschlossenen USB-Power-Meter gemessenen, „wirklichen“ Leistungswerte werden dann im Generator gespeichert und beim Test zur Korrektur der Ausgangsleistung verwendet, sodass entsprechende Leistungswerte am DUT garantiert werden können.

Bild 6: Der Verstärker arbeitet über einen weiten Bereich linear, wie diese Messung zeigt. Beim Eingangssignal ist die Frequenz konstant, die HF-Quelle generiert aber einen Power-Sweep.Rigol

Basisband

Nach dem HF-Frontend-Teil steht nachfolgend das Basisband-Teil im Fokus. Hier finden sich neben weiteren Bandfiltern der I/Q-Modulator im Senderpfad und der I/Q-Demodulator im Empfängerpfad. Es handelt sich sozusagen um die Schnittstelle zwischen Analog- und Digitalteil. Auf der Ausgangsseite des I/Q-Modulators im Senderpfad liegt ein analoges Summensignal an, das sich auf einer Zwischenfrequenz (IF) befindet. Dieses Signal entsteht durch Summieren von zwei digital modulierten Signalfolgen (I und Q). Im Empfangspfad wird das IF-Signal in zwei Pfade aufgeteilt und in digitale Signale „zurück“-moduliert.

Zum Testen und Verifizieren dieser Module ist wesentlich mehr Funktionalität erforderlich als nur das Generieren von CW-Signalen oder die Ausgabe von analog modulierten Signalen. Es ist notwendig, digitale I- und Q-Basisband-Signale zu generieren und auszugeben. Des Weiteren sollte die Möglichkeit bestehen, I/Q-IF-Signale auszugeben. Wenn man noch einen Schritt weiter in den digitalen Teil geht, dann ist es von Vorteil, wenn man Basisband-I/Q-Signale aus dem digitalen Signalverarbeitungsmoduls in den Generator einspeisen und damit IF-I/Q-Signale generieren kann.

Mit der I/Q-Option der DSG3000 lassen sich alle beschriebenen Anwendungsfälle realisieren. Zum einfachen Erstellen verschiedener I/Q-Basisdaten liefert Rigol die PC-basierte Software „Ultra I/Q Station“ mit. Die Modulationsbandbreite liegt bei interner Modulation bei 30 MHz für I- oder Q-Basisband-Signale und bei 60 MHz für RF-I/Q-Signale. Bei externer Modulation steht die doppelte Bandbreite zur Verfügung (I- oder Q-Basisband-Signale 60 MHz, RF-I/Q-Signale 120 MHz).

Flexibel einsetzbar

Die DSG3000-Serie ist aufgrund der vielen Funktionen und möglichen Erweiterungsoptionen sehr flexibel nutzbar. Zu den oben dargestellten Funktionen ist standardmäßig noch ein Analogausgang vorhanden für Signale wie Sinus, Rechteck, Dreieck oder Sägezahn mit maximal 3 V_pp und 1 MHz. Des Weiteren besteht die Möglichkeit Pulse, zu definieren und auszugeben. Wie zu Beginn erwähnt, kann der Anwender das System noch mit der PUG-Option erweitern, um vordefinierte Pulsfolgen auszugeben. Die Flexibilität setzt sich auch bei den Schnittstellen fort: standardmäßig sind alle gängigen Anschlüsse wie GPIB, LAN und USB vorhanden.

(lei)