Bild 1: Frontpanel des Rigol-Generators DG5352.

Bild 1: Frontpanel des Rigol-Generators DG5352.Rigol Technologies

Längst reichen standardisierte Wellenformate bei Generatoren nicht mehr aus, so dass nutzerdefinierte Signalformen, wie sie die arbiträren Generatoren zu liefern vermögen, zum Stand der Technik geworden sind. Auch die Ausgabe binärer Signale für Logikanwendungen wird immer öfter von den Geräten angeboten. So gehören mittlerweile moderne Funktionsgeneratoren sicherlich mit zu den vielseitigsten und interessantesten elektronischen Geräten auf der Workbench.

Noch um die Jahrtausendwende hatten diese Geräte typischerweise einen Frequenzumfang bis etwa 20 MHz und boten eine Handvoll Standardwellenformen und vielleicht noch Rauschen. Die Modulationsmöglichkeiten beschränkten sich auf AM, FM, PM und eventuell noch ein bis zwei digitale Modulationen (FSK, PSK). Im Arbiträrmodus lag die Auflösung bei 10 bis 12 Bit, die Abtastraten bei 20 bis 40 MS/s und die Speichertiefe für die Signalerzeugung lag etwa zwischen 16 und 64 K Punkten.

Bild 2: Tabor-Generator Wonder Wave 2572A.

Bild 2: Tabor-Generator Wonder Wave 2572A.Tabor Electronics

Mittlerweile hat sich viel getan. Aufgrund der Leistungssteigerung der ICs aber auch der Nachfrage nach bestimmten Testmöglichkeiten sind die angebotenen Features der Geräte nahezu explodiert.

Längst ist die Frequenzmarke von 100 MHz oder gar 200 MHz überschritten, bis zu 20 Wellenformate (unter anderem so spezielle Formen wie Haversine, Gauss, Cardiac, Lorentz, exponentielle Kurven, Sinx/x, Zweiton und so weiter) sind implementiert, manchmal fast ebenso viele Modulationsarten. Burst-, Puls- und Sweep-Funktionen sind selbstverständlich, nicht selten auch Frequenzhopping oder Signalzugsequenzen. Auch die Wobbelfähigkeit blieb nicht auf Frequenz oder Amplitude beschränkt. Selbst Dutycycle, Offset und Delay werden herangezogen.

Auf einen Blick

Die arbiträren Funktionsgeneratorserien DG 5000 (Rigol) und Wonder Wave (Tabor Electronics) sind beide vielseitige und üppig ausgestattete Geräteserien, deren Schwerpunkt auf digitalen Modulationen und Signalen liegt. Die Signalqualität ist gut, die Firm- und Softwareausstattung vorbildlich. Damit spiegeln sie den Entwicklungstand in diesem Gerätesegment deutlich wider. Alle genannten Modelle einer Serie, die sich nur im Frequenzbereich unterscheiden, werden als 1- oder 2-Kanalgerät angeboten. Die Preise bewegen sich je nach Frequenzbereich, Kanalzahl oder optionalen Ergänzungen in der Regel etwa zwischen 5000 und 10.000 €. Das sind Beträge, die diese Generatoren auch für kleinere Entwicklungsabteilungen, den Service oder für die Ausbildung an Fach- und Hochschulen interessant macht.

Ganz besondere Möglichkeiten eröffnet heutzutage der Arbiträrmodus. Die Auflösung liegt längst bei 14 oder gar 16 Bit, Abtastraten erreichen 1 GS/s und mehr. Die Signalspeichertiefe überschreitet 1 Million Punkte. Mit einer leistungsstarken Software können Signale in der Regel nicht nur aus Standardwellenformen oder per Freihandzeichnung sondern auch mit mathematischen Funktionen erstellt werden. Dabei unterstützt oft eine Speichersegmentierung Einrichtungen wie Schleifen-, Ketten- und Sequenzbildung bei der Signalerzeugung. Auch Puls- und Patterngeneratoren sind häufig implementiert.

Mixed-Signal-Generation ist auf dem Vormarsch

Fehlt noch etwas? Doch, die Mixed-Signal-Generation ist auf dem Vormarsch. Mit zusätzlichen digitalen Ausgängen können solche Generatoren nicht nur serielle und parallele Bitmuster erzeugen sondern auch standardisierte Bussignale simulieren, die unter anderem in den Embedded-Anwendungen ihren Einsatz finden. Und jetzt findet man auch schon vereinzelt die I/Q-Modulationsarten in Funktionsgeneratoren. Diese beiden letztgenannten Ausstattungsmerkmale sollen denn auch bei den folgenden Betrachtungen moderner Geräte besonderes Augenmerk erfahren.

Als Beispiele solcher umfassend ausgestatteten und vielseitigen Generatoren seien hier einmal zwei, vielleicht weniger bekannte Produkte, nämlich die Wonder-Wave-Serie des israelischen Herstellers Tabor Electronics (Vertrieb: Stan Tronic Instruments, Wedemark) und die DG5000er-Serie des chinesischen Herstellers Rigol herausgegriffen; Rigol ist seit 2011 auch mit eigener Firma in Puchheim bei München vertreten.

Diese DDS-Geräte sind seit einigen Jahren am Markt und bieten sehr gute technische Daten. Bei Tabor zum Beispiel ein Frequenzbereich (Sinus) bis 100 MHz und eine Samplerate bis 300 MS/s bei beachtlichen 16 Bit Auflösung und einem Speicherumfang von 4 M Punkten. Frequenzhopping, Sequenzer und digitaler Patternausgang inklusive. Rigol erreicht mit seinen Geräten sogar bis 350 MHz und eine Samplerate von 1 GS/s bei immerhin 14 Bit Auflösung und einem Speicherumfang von 16 MByte. Frequenzhopping und digitale Ausgänge sind optional. Die Serien beider Hersteller haben neben zehn Standardwellenformaten und den üblichen analogen Modulationsmöglichkeiten sogar zehn verschiedene IQ-Modulationsarten implementiert. Sie werden als Ein- und Zweikanalgeräte angeboten, wobei sich die zwei Kanäle in Phase oder Frequenz synchronisieren lassen.

IQ-Modulationsmöglichkeiten

Ein besonderes Highlight der Serien ist sicherlich die I/Q-Modulationsmöglichkeit. Ein solches Werkzeug kannte man bisher nur von den modernen HF- und Mikrowellen-Signalgeneratoren. Dank dieser Einrichtung ist der Anwender nun schon in der Klasse der Funktionsgeneratoren in der Lage, zum Beispiel IQ-Modulatoren zu überprüfen oder IQ-Signale im Basisband oder ZF-Bereich zu erzeugen, um damit etwa zu Testzwecken andere Bandgeneratoren zu ersetzen.

Bild 3: Konstellationsdiagramme für IQ und PSK.

Bild 3: Konstellationsdiagramme für IQ und PSK.Rigol Technologies

Zu den IQ-Vektorsignal-Modulationen zählen die höherwertige Phasenumtastung (nPSK) und die Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM), letzteres eine Kombination aus Phasen- und Amplitudenumtastung. Damit ist prinzipiell die Übertragung zweier voneinander unabhängiger digitaler Signale möglich. Zwei zueinander in der Phase um 90 Grad verschobene Sinussignale werden als Träger jeweils mit einem der beiden digitalen Signale amplitudenmoduliert (ASK). Die dabei entstehende I-Komponenten (Inphase) und Q-Komponenten (Quadratur) werden abschließend zusammengefasst und bilden das Ausgangssignal. Graphisch dargestellt bildet dieses Ausgangssignal mit seinen wechselnden Amplituden und Phasen ein Feld von Punkten in einem rechtwinkeligen I/Q-Diagramm, dem Konstellationsdiagramm (Bild 3). Jeder Punkt dieses Diagramms ist Endpunkt eines Ursprungsvektors, unterschieden jeweils nach Betrag und Phasenwinkel (Vektormodulation). Aus Störsicherheitsgründen sind Amplitude und Phase so gewählt, dass sich eine gleichmäßige Verteilung der Punkte im Diagramm ergibt. Ziel solcher Modulationen ist es, die Bandbreitenausnutzung und damit die verfügbare Übertragungskapazität optimal zu nutzen.

Bild 4: Blockschema einer Quadraturmodulation.

Bild 4: Blockschema einer Quadraturmodulation.Rigol Technologies

In der Praxis muss das ursprünglich aus einem digitalen Datenstrom bestehende und zu übertragende Nutzsignal in zwei Ströme aufgespalten und schließlich zu den im Konstellationsdiagramm in Punktform symbolisierten Amplituden- und Phasenwerten codiert werden. Das geschieht vor der Modulation in einem Mapper. Er ordnet jedem Punkt in Form von Pulsen ein Bitmuster zu, das den Quadranten und die Lage im jeweiligen Quadranten des Diagramms bestimmt. Nach Vorgabe dieser Symbole werden nach erfolgter Pulsaufbereitung (Filterung, DA-Wandlung) schließlich die Sinusträger ASK-moduliert (Bild 4). Die Modulation wird heute auch schon völlig digital bewerkstelligt, wobei unter anderem die DSP-Technik zum Einsatz kommt.

Die Firmware insbesondere der DG5000-Serie bietet die Möglichkeit, den kompletten Ablauf der IQ-Modulation nachzubilden. Als vordefiniertes Nutzsignal können aus einem Generator (rückgekoppeltes Schieberegister) vier verschiedene binäre periodische Zufallsfolgen unterschiedlicher Länge (PN 9, 11, 15, 23) abgerufen oder vom Nutzer ein periodischer 4-Bit-Code generiert werden. Darüber hinaus können bis zu 2000 16-Bit-Codewörter frei erstellt und zu einer binären, periodischen Folge von wählbarer Länge zusammengefasst werden. Die Geschwindigkeit des Datenstroms ist zwischen 1 bit/s und 1 Mbit/s wählbar. Anschließend kann im Mappingschritt zwischen nPSK und nQAM gewählt werden. Das jeweilige Konstellationsdiagramm wird angezeigt und die Symboldaten lassen sich bei QAM in einer I/Q-Tabelle als fünfstellige Amplituden-Spannungswerte zwischen -1 V und +1 V editieren. 256 QAM, zum Beispiel für Lichtwellenleiternutzung, wird nicht unterstützt.

Bild 5: Demodulierte Q-Komponente einer 64 QAM.

Bild 5: Demodulierte Q-Komponente einer 64 QAM.Dr. Hans-Jürgen Altheide

Bei gewählter PSK-Modulation ist die Vektoramplitude fest vorgegeben, Amplituden-PSK (im Konstellationsdiagramm mehrere konzentrische Kreise) ist nicht implementiert. Schließlich kann der Generator das vorgewählte Sinussignal laut Konstellation modulieren und ausgeben. Auch externe IQ-Modulationssignale lassen sich beim Rigol-Gerät über gesonderte SMB-Buchsen in den Generator einspeisen, wobei dann natürlich binäre Nutzsignale oder das Mapping obsolet sind (Bild 5).

Frequenzhopping und digitale Patternausgänge

Bild 6: Frequenzhopping, Muster und Tabelle.

Bild 6: Frequenzhopping, Muster und Tabelle.Rigol Technologies

Eine wesentliche Ergänzung der digitalen Prüfmöglichkeiten moderner Generatoren wird einerseits durch das sogenannte Frequenzhopping, andererseits durch digitale Patternausgänge ermöglicht. Die in der Kommunikationstechnik genutzte Spread-Spectrum-Technik zur Störunterdrückung benutzt unter anderem das Frequenzhopping-Verfahren. Während diese Möglichkeit beim Tabor-Generator bereits implementiert ist, unterstützt Rigol mit einer Firmware-Ergänzung das Hopping und liefert für Sinusschwingungen (auch AM und ASK-moduliert) im Frequenzbereich bis 250 MHz 4096 Stützpunkte in programmierbaren oder Zufallsmustern, die mit einer Rate bis zu 12,5 Mhop/s abgearbeitet werden können. Die graphische Darstellung dieses Verfahrens geschieht übersichtlich in einer Art Schachmuster (Bild 6).

Die Möglichkeit, digitale Muster bereitzustellen, wird bei Tabor durch einen 68-poligen Wide-SCSI-Anschluss an der Geräterückseite gewährleistet, bei der Rigol-Serie durch ein externes Logiksignal-Hardware-Modul geschaffen. Dieses besitzt 16 Datenkanäle und zwei Clockkanäle, die sowohl digital als auch analog herausgeführt sind. Hiermit wird der Funktionsgenerator faktisch zu Mixed-Signal-Generator erweitert. Je nach Anforderung können die Ausgänge für Tests und Analyse logischer Schaltkreise frei konfiguriert werden, wobei Transferraten bis zu 100 Mbit/s erreicht werden. Außerdem können vier Kommunikationsprotokolle der Bussysteme RS-232, I2C, SPI und PO (Parallel Port) wie auch vielfältige Codemuster generiert werden. Selbstkonfigurierte Datenmuster können unter anderem in den arbiträren Speicher übernommen werden und ergeben so einen binären Patterngenerator.

Bild 7: Leistungs-/Phasenspektrum editierter Wellenformen.

Bild 7: Leistungs-/Phasenspektrum editierter Wellenformen.Rigol Technologies

Die Ausgangsspannungen sind frei wählbar, liefern aber auch die TTL- oder CMOS-Pegel. Eine ausführliche Anleitung mit einer Reihe von Anwendungsbeispielen vereinfacht die Arbeit mit dem Modul.

Software ist der Maßstab

Neben einer leistungsfähigen Hardware gilt insbesondere eine durchdachte und vielseitige Software als Maßstab für die Wertigkeit eines Gerätes. Hier konnte die Firma Rigol mit ihrer beachtlichen Manpower schon immer punkten. Dem Gerät liegt das Kit Ultra Station bei. Dabei handelt es sich um eine PC-basierte, über USB oder LAN geführte, leistungsstarke Software zum Editieren von arbiträren Wellenformen.

Bild 8: Signalbearbeitung mit Filtern.

Bild 8: Signalbearbeitung mit Filtern.Rigol Technologies

Sie liefert dem Nutzer Werkzeuge wie Bibliotheken von Standardwellenformaten, mathematische Editierfunktionen sowie Signalgenerierung durch Freihandzeichnung. Es können sogar Audio-Files vom wav-Format geöffnet und editiert werden. Darüber hinaus beeindrucken insbesondere Filteranwendungen (Bessel, Butterworth, Chebyshev, Elliptical) und Windowing (Hamming, extern und raised Cosine), aber auch Leistungs- und Phasenspektren (19 Fenstertypen!), Glättungsalgorithmen sowie die Generierung ganzer Wellenformen durch mathematische Formeln (Bild 7 bis 9).

Bild 9: Signalbearbeitung mit Windowing.

Bild 9: Signalbearbeitung mit Windowing.Rigol Technologies

Auch die Software Arb Connection von Tabor ist ein mächtiges Werkzeug zum Designen jeglicher Wellenformen oder Bitmuster, wobei ebenfalls ein mathematischer Formeleditor hilft, auch die exotischsten Funktionen zu kreieren. Außerdem können mit Hilfe von Fourier-Elementen analoge oder digitale Filter charakterisiert werden.