HF-Endstufe in Mobilfunkgeräten messen Triggern auf RFFE-Befehle

Das R&S-RTO2000-Oszilloskop von Rohde & Schwarz überzeugt mit vielfältigen Messmöglichkeiten und intuitiver Bedienung bei Multi-Domain-Anwendungen.
Das R&S-RTO2000-Oszilloskop von Rohde & Schwarz überzeugt mit vielfältigen Messmöglichkeiten und intuitiver Bedienung bei Multi-Domain-Anwendungen.

Leistungsverstärker in Mobilfunkgeräten bestimmen Eigenschaften des Frontends, dessen Ansteuerung meist über RFFE-Schnittstellen erfolgt. Um Leistungsverstärker zu messen, müssen Anwender Einschwingverhalten und Störsignale muit einem Oszilloskop analysieren.

HF-Frontends haben mit Funktionserweiterungen gezielt zu leistungsfähigeren Mobilfunkgeräten beigetragen. Moderne HF-Frontends enthalten bis zu 20 Komponenten, z. B. Filter, Schalter, Leistungsverstärker, Low-Noise-Amplifier (LNA) und Anpasselemente für Antennen. Das RFFE-Control-Interface (RFFE: Radio-Frequency-Front-End) der MIPI-Organisation (MIPI: Mobile-Industry-Processor-Interface) hat sich als Standardschnittstelle für die Kommunikation und Ansteuerung einzelner Komponenten durchgesetzt. Beispielsweise lassen sich Multimode-, Multiband- und Mehrfachantennen über RFFE steuern, wodurch die Entwicklung und Konfiguration einzelner Komponenten beschleunigt wird, sich deren Integration in Mobilfunkgeräte vereinfacht und die Interoperabilität von Komponenten unterschiedlicher Anbieter gewährleistet wird.

Eine Schlüsselfunktion der RFFE-Schnittstelle ist die Steuerung des Leistungsverstärkers. Wenn der Leistungsverstärker bestimmte Parameter einhält, die im jeweiligen Mobilfunkstandard definiert sind, funktioniert das Endgerät reibungslos. Dabei ist vor allem die Befehlssynchronisierung wichtig, die sich aus dem zeitlichen Bezug von einzelnen RFFE-Befehlen zum zugehörigen Ausgangssignal des Leistungsverstärkers ergibt. Die RFFE-Befehlssynchronisationen analysiert man, indem der zeitlich relevante Bereich der Befehlssynchronisation durch Triggern auf einen RFFE-Befehl eingefangen wird. Die anschließende Messung der HF-Hüllkurve mit zeitlichem Bezug auf das RFFE-Kommando zeigt die Eigenschaften der Signalleistung. Zusätzlich analysiert man das Ausgangsspektrum des Leis¬tungsverstärkers im Frequenzbereich, um
eventuelle Störer erkennen zu können. Für derartige Messungen sind Oszilloskope geeignet, die nicht allein auf serielle RFFE-Protokolle triggern können, sondern gleichzeitig Funktionen zur Spektrumanalyse und Effektivwertbestimmung haben.

Was steckt hinter der RFFE-Schnittstelle?

Die international agierende MIPI Alliance entwickelt Schnittstellenspezifikationen, die in erster Linie in der Mobilfunkindustrie, aber auch in anderen Branchen Verwendung finden. RFFE-Schnittstellen werden in 3GPP-Standards (EDGE, UMTS, HSPA oder LTE) und in weiteren nicht-3GPP-konformen Mobilfunkstandards verwendet. Die RFFE-Schnittstellen wurden in Hinblick auf Effizienz, Flexibilität und Erweiterbarkeit konzipiert und bieten Freiheitsgrade im System-Design.

Auf Schnittstellenebene gewährleistet RFFE die Interoperabilität zwischen RFFE-konformen Hochfrequenz-ICs (RFICs) und Frontend-Modulen (FEMs). Es gibt am Markt eine Vielzahl von FEMs, die abhängig von Applikation und Technologie entweder mit Einzelkomponenten oder als teilintegrierte bzw. vollintegrierte FEMs realisiert werden. Diese Module enthalten neben den Leistungsverstärkern (PA) auf Senderseite und den rauscharmen Verstärkern (LNA) auf Empfangsseite auch Power-Management-Units (PMU), Filter, Schalter, verschiedene Sensoren und Anpasselemente für Antennen.

Um die HF-Komponenten mittels RFFE-Schnittstellen zu steuern, müssen Anforderungen sowohl auf physikalischer Ebene als auch auf höheren Protokollebenen erfüllt sein. Die RFFE-Kommunikation findet bidirektional über eine Zweidraht-Schnittstelle (SCLK und SDATA) statt und verwendet einen Systemtakt zwischen 32 kHz und 26 MHz. Bis zu 15 Komponenten pro Bus können damit angesteuert werden. Bild 1 fasst die wichtigsten Spezifikationen zusammen und zeigt den entsprechenden Daten-Frame eines RFFE-Signals.

Das MIPI-RF-Frontend-Control-Interface wurde zuletzt im März 2015 aktualisiert und in der Version »MIPI RFFE v2.0« veröffentlicht. Die überabeitete Spezifikation enthält fünf zusätzliche technische Merkmale:

  • Erweiterter Bereich für Bus-Betriebsfrequenzen: Die Anzahl von Befehlsfolgen, die innerhalb einer vorgegebenen Zeit über den Bus übertragen werden, wurde verdoppelt und erhöht somit die Datengeschwindigkeit.
  • Synchrones Lesen: Erlaubt sind mehrere Arten der Datenweitergabe auf dem Bus durch Slave-Geräte. Der Bus kann damit besser ausgelastet und erweiterte Bus-Betriebsfrequenzen können effizienter genutzt werden.
  • Multi-Master-Konfiguration unterstützt Systemarchitekturen für Carrier-Aggregation sowie die Verwendung mehrerer Transceiver und Dual-SIM-Konzepte.
  • Interrupt-fähige Slave-Funktionalität ermöglicht eine schnelle Abfrage(Polling) der Slave-Geräte durch Bus-Master-Controller.
  • Neue, reservierte Register werden genutzt, um die Effizienz bei Hardware- und Softwareentwicklung zu steigern.

Eine wichtige Messgröße der Analyse ist die Einschwingzeit des Leistungsverstärkers nach Erhalt einer RFFE-Anweisung, beispielsweise zur Änderung der Verstärkung. Der RFFE-Befehl wird vom Controller versendet und vom Leistungsverstärker interpretiert. Dieser passt daraufhin die Verstärkung an. Es wird die Zeit vom Empfang des Befehls gemessen bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Leistung innerhalb eines definierten Prozentsatzes des endgültigen Leistungspegels eingeschwungen ist. Bild 2 stellt den beschriebenen Messaufbau schematisch dar.

Trigger-Quelle

Um den zeitlichen Bezug des Verstärkerausgangssignals zu einem bestimmten Datenwort (z. B. RFFE-Befehl zum Ändern der Verstärkung) zu ermitteln, müssen der serielle Datenstrom decodiert und entsprechende Befehlssequenzen identifiziert werden. Ein Oszilloskop misst analoge Signale auf dem Datenbus. Es decodiert das Signal unter Kenntnis des verwendeten Standards, um dann die gesuchte Befehlssequenz im Datenstrom zeitlich zu lokalisieren. Diese Information dient als Trigger und als zeitliche Referenz für die Messung. Ab dem Trigger-Zeitpunkt analysiert das Oszilloskop das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers und ermittelt u. a. die Einschwingzeiten relativ dazu.