Mixed-Domain-Oszilloskope von Tektronix Einfacher I-Q-Modulator-Test

Bei der Entwicklung drahtloser Technologien kommt es auf die genaue Evaluierung der I-Q-Modulatoren an – vor allem hinsichtlich eines nicht idealen Verhaltens. Tektronix hat für diese Anwendung eine einfache Testlösung basierend auf den Mixed-Domain-Oszilloskopen der Serie MDO 4000 entwickelt.

Drahtlose Verbindungen sind inzwischen allgegenwärtig, und die Hochfrequenzumgebung, in denen diese arbeiten, ist immer mehr überfüllt. Entscheidend für eine problemlose Koexistenz von verschiedenen drahtlosen Technologien – besonders wenn diese in derselben Bandbreite arbeiten, wie dem ISM-Band bei 2,4 GHz – ist die Effizienz, mit der die Signale moduliert und demoduliert werden.

Die meisten Modulationsverfahren wurden entwickelt, um eine größere Bandbreiteneffizienz zu erreichen. Techniken wie QAM (Quadrature Amplitude Modulation), OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) und APSK (Amplitude Phase Shift Keying) kommen bei Technologien wie Wi-Fi, Bluetooth und ZigBee zum Einsatz.

Weil aber immer mehr Geräte drahtlose Technologien nutzen, werden die Funkwellen zunehmend gestört und es gibt bereits Initiativen, um die Kanalbandbreiten in bestimmten Frequenzbereichen zu reduzieren. So schreibt beispielsweise die FCC seit Januar 2013 kleinere Kanalbreiten in den Frequenzspektren vor, die von Behörden, Feuerwehr und Polizei genutzt werden, um einen stärkeren HF-Verkehr zu ermöglichen. Allerdings gibt es derzeit keine Pläne, solche Einschränkungen auch für kommerzielle Geräte festzulegen, die im Bereich von 2,4 GHz arbeiten. Es scheint aber klar, dass zukünftige Entwicklungen von bestehenden drahtlosen Technologien eine möglichst hohe Bandbreiteneffizienz erreichen müssen, wenn sie große Verbreitung erreichen sollen.

 

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Aufbau und Ablauf eines I-Q-Modulator-Tests

Aufbau und Ablauf eines I-Q-Modulator-Tests

Die Grundlagen

Während Modulationstechniken wie QAM, OFDM und andere völlig unterschiedliche Methoden für die Trägermodulation implementieren, nutzen letztlich alle dieselben drei Grundprinzipien. Es wird entweder die Amplitude, Frequenz und/oder Phase eines Trägers verändert, um ein digitales Signal zu kodieren.

Die verschiedenen Modulationsverfahren werden normalerweise in dedizierte Hardware implementiert. Mit der zunehmenden Verbreitung von SDR (Software-defined Radio) erfolgt dies jedoch auch immer öfter in der Software. Ein digitaler Signalprozessor (DSP) erzeugt in Verbindung mit einem sehr schnellen D/A-Wandler und einer Mischerschaltung die I- (In-phase) und Q- (Quadrature) Komponenten des Signals. Dadurch hat die Verfügbarkeit von anwendungsspezifischen I-Q-Modulationsschaltungen in den letzten Jahren deutlich zugenommen.

Zwar ist der Zugriff auf Hochfrequenzlösungen einfacher geworden, jedoch bleiben die Herausforderungen des Einsatzes erhalten. Oft betrifft dies Systemmerkmale, die die Leistung der empfindlichen Hochfrequenzschaltung beeinflussen können. Deshalb ist es immer noch nötig, dass die Entwicklungsteams die HF-Bauelemente und -Schaltungen in Bezug auf bekannte Ursachen von Modulationsfehlern untersuchen und validieren.

Die Modulationstheorie beschreibt, wie eine Modulation erfolgen muss, um Symbole zu erzeugen, die sich durch ihre Amplitude und Phase definieren und somit digitale Daten kodieren können. Diese Symbole werden über ein Trägersignal mit dem jeweiligen Modulationsverfahren übertragen. Daraus folgt, dass die Empfindlichkeit des Empfängers die Auflösung der unterscheidbaren Symbole bestimmt. Deshalb gilt: Je höher die Empfindlichkeit, desto größer die Datenbandbreite.

Viele Faktoren in einem System wie beispielsweise die Nichtlinearität des Leistungsverstärkers oder das Phasenrauschen des Oszillators können die modulierten Signale verschlechtern, wobei zudem Ausbreitungsverluste hinzukommen. Jedoch gibt es auch Faktoren, die auf Modulatorebene direkt steuerbar sind und die – sobald sie charakterisiert wurden – beurteilbar und damit behebbar sind.