HF-Messungen im Designprozess

Heutzutage müssen HF-Ingenieure schneller als je zuvor HF-Frontends entwerfen und testen. Aufgrund von Einflussfaktoren wie der Globalisierung und der wachsenden Verbreitung neuer Wireless-Standards ist es erforderlich, den Designprozess von Produkten in immer kürzerer Zeit zu bewältigen. Hinzu kommt, dass die Produkt- und Systemkomplexität stetig zunimmt. Sogar die „einfachsten“ HF-Geräte wie ein HF-Leistungsverstärker werden fortwährend komplexer. Mit modernen Leistungsverstärkern müssen sich nun auch mehrere Wireless-Technologien nutzen und über einen größeren Frequenzbereich betreiben lassen.

Da die Markteinführungszeiten verkürzt werden müssen und HF- und Mikrowellenprodukte zudem immer umfangreicher werden, ist es notwendig, die Effizienz von Produkt- und Systemdesignzyklen durch den Einsatz von zunehmend produktiveren und leistungsstärkeren Softwarewerkzeugen zu steigern. Aus diesem Grund wurden neue Funktionen entwickelt, die eine nahtlosere Integration zwischen grafischen Systemdesignwerkzeugen wie LabVIEW und der Designsoftware von AWR ermöglichen, damit HF-Produkte schneller auf den Markt gebracht werden können. Bei einem typischen Produktentwicklungsprozess, wie in Bild 1 dargestellt, lassen sich produktspezifische Entwicklungsstadien wie Recherche und Modellierung, Designsimulation, Validierung und Verifizierung sowie letztendlich die Produktion des Geräts festlegen.

In der Vergangenheit mussten Ingenieure unterschiedliche Werkzeuge für Entwicklung und Test verwenden. Zum Beispiel erfüllte ein Werkzeug (wie AWR Microwave Office) vielleicht alle Modellierungs- und Simulationsanforderungen, für die Produktverifizierung und Entwicklung von Prüfcode waren jedoch andere Werkzeuge nötig. Im Designprozess war eine der ersten Innovationen bei der Designsoftware von AWR, dass die Phase von der Recherche bis zur Simulation der Produktentwicklung durch ein gemeinsames Entwicklungswerkzeug vereinheitlicht wurde. Heute ist eine der besten Eigenschaften der AWR-Softwaresuite, dass Werkzeuge für die Schaltungsentwicklung wie Microwave Office mit Systemsimulationswerkzeugen wie der Visual System Simulator (VSS) kombiniert werden können. Dadurch lassen sich auch separate Komponenten wie ein Transistor angesichts einer vollständigen HF-Signalkette simulieren. Diese Simulationen auf Systemebene ermöglichen es den Ingenieuren, die tatsächliche Leistungsfähigkeit eines Entwurfs auch bei Störungen wie Rauschen, nichtlinearen Speichereffekten und sogar elektromagnetischen Emissionen zu evaluieren.

Entwurf und Test einer LTE-Basisstation

Die Integration des VSS von AWR und LabVIEW verbindet die Leistungsfähigkeit der AWR-Simulationswerkzeuge mit den Messfunktionen von LabVIEW. Ein Beispiel dafür sind der Entwurf und das Testen einer LTE-Basisstation. Mit Microwave Office kann ein LTE-Leistungsverstärker vollständig von der schematischen Darstellung über das Layout bis hin zur Simulation implementiert werden. Bei der Evaluierung der Geräteleistung muss der Anwender nicht nur Kenngrößen wie Verstärkung und Linearität messen, sondern möchte auch „LTE-spezifische“ Parameter untersuchen, die in den Spezifikationen des Standards 3GPP E-UTRA festgelegt sind. Diese Parameter wie ACP (Adjacent Channel Power) und EVM (Error Vector Magnitude) erfordern äußerst komplexe Messalgorithmen. Um das Verhalten eines simulierten Designs dem in der Realität auftretenden Verhalten zuzuordnen, ist es somit äußerst wichtig, identische Messalgorithmen zu nutzen.

Erste Demo

Zu den neuen Funktionen des VSS, mit dem Ingenieure Design und Test miteinander verknüpfen können, gehört ein neuer VSS-Block, mit dem LabVIEW-Code in das Blockdiagramm importiert werden kann. So lässt sich mit nativen Messroutinen aus LabVIEW die Leistung eines mit dem VSS erstellten HF-Systems charakterisieren. Diese Funktion wurde bereits im Oktober 2011 in einer Live-Demonstration auf dem VIP-Kongress vorgestellt. In der Demo wurde die simulierte mit der tatsächlichen Leistung eines 250-W-Leistungssverstärkers von Infineon, der als Basisstation konzipiert wurde, verglichen. Auf dem Blockdiagramm des VSS in Bild 2 sind zwei Blöcke zu erkennen, die mit LabVIEW kommunizieren.

Im ersten Block wird mit einem LabVIEW-VI ein LTE-Basisband-IQ-Signalverlauf erzeugt. Dieser Signalverlauf wird an den zweiten VSS-Block weitergeleitet, der den Leistungsverstärker simuliert. Als Teil der Simulation wird der Signalverlauf entsprechend zur Verstärkung des Leistungsverstärkers verändert. Zusätzlich wird das Signal entsprechend dem nichtlinearen Speichereffekt, der Rauschzahl des Entwurfs und der elektromagnetischen Gesichtspunkten beeinträchtigt. Schließlich wird das Ausgangssignal des simulierten Leistungsverstärkers, wie in Bild 2 dargestellt, mit dem dritten Block auf dem Diagramm an LabVIEW zurückgeleitet. Dieser letzte Block nutzt das LabVIEW LTE Analysis Toolkit, um den Signalverlauf zu demodulieren und Signaleigenschaften wie ACP und EVM zu messen. Mit diesen Messergebnissen kann dann die Leistung des Leistungsverstärkers gemäß den Spezifikationen zu den Prüfbeschränkungen nach Standard 3GPP charakterisiert werden. Einer der größten Vorteile, der sich aus der Integration der LabVIEW-Messwerkzeuge in den VSS ergibt, ist das Maß an Korrelation, das beim Vergleich der simulierten mit den tatsächlichen HF-Designs erzielt werden kann. Zum Beispiel lässt sich die Simulation des VSS über Hardware mit HF-Signalgeneratoren und -analysatoren verbinden (Bild 3). Hier kann über einen weiteren LabVIEW-Integrationsblock direkt mit der Hardware kommuniziert werden.

In dem durch diesen Block aufgerufenen LabVIEW-VI wird derselbe LTE-Basisband-Signalverlauf mit einem HF-Signalgenerator erzeugt, der an den Eingangs-Port des HF-Leistungsverstärkers angeschlossen ist. Der Ausgangs-Port des HF-Signalverstärkers wird dann an einen HF-Vektorsignalanalysator angeschlossen, der den erfassten IQ-Signalverlauf zurückgibt. Mit diesem Signalverlauf werden die Demodulation und Messung des IQ-Signalverlaufs sowohl des simulierten Leistungsverstärkers als auch des realen zu messenden Geräts durchgeführt. In Bild 4 ist das LabVIEW-Frontpanel des LTE-Demodulations- und -Messblocks zu sehen. Sowohl die simulierten als auch die tatsächlichen Leistungsverstärker liefern beinahe identische Mess-ergebnisse. Auch hier ist wieder festzustellen, dass die Kenngrößen zu Modulationsqualität (EVM) und -linearität (ACP) zu nahezu identischen Ergebnissen führen.

In Zukunft wird die Anzahl an Integrationsstufen zwischen Werkzeugen für HF-Design und Werkzeugen für den HF-Test weiterhin stetig zunehmen und sich deutliche Vorteile aus der Erhöhung der Integrationsstufen für Messungen ergeben, die früher im Designprozess durchgeführt werden. Die neue Funktion im VSS, die die Integration von LabVIEW ermöglicht, ist erst der Anfang. Auf längere Sicht wird die Entwicklung des Graphical System Design bei diesen Werkzeugen hin zu HF-Design und -Test fortschreiten und Ingenieure, die die Produktentwicklungszeit verkürzen möchten, werden davon profitieren.

(jj)