HF-/Kommunikations-Messtechnik Digitale Signalanalyse steigert Bandbreite auf 500 MHz

Moderne Signal- und Spektrumanalysatoren für drahtlose Komunikationssysteme
Moderne Signal- und Spektrumanalysatoren für drahtlose Komunikationssysteme

Moderne Signal- und Spektrumanalysatoren können neben reinen Spektrumsmessungen auch diffizil modulierte Signale für drahtlose Kommunikationssysteme demodulieren und analysieren. Dabei gibt die Analysebandbreite als wichtiges Leistungsmerkmal eines Analysators die maximale Signalbandbreite an, die demodulierbar ist.

Eine große Analysebandbreite ist bei der Untersuchung von HF-Kommunikationssignalen aller Art, aber auch bei der Diagnose an Radarimpulsen sehr von Vorteil, gibt sie doch die Auflösung im Zeitbereich vor und damit die Mindestlänge der Pulse, die darstellbar ist. Mit einer neuen Option hat Rohde & Schwarz die Analysebandbreite seines Analysators R&S FSW auf 500 MHz erweitert, was viele Vorteile bei der Charakterisierung von Kommunikationssignalen mit sich bringt.

Kommunikationssignale moduliert mit immer höherer Bandbreite

Der Trend in der digitalen Kommunikation geht zu immer größeren Datenraten, die größere Frequenzbandbreiten zur Übertragung erforderlich machen. Im Mobilfunk betrug der Kanalabstand bei GSM noch 200 kHz, bei UMTS waren es bereits 5 MHz. Der aktuelle LTE-Standard setzt bis zu 20 MHz breite Signale ein, die außerdem noch gebündelt werden können. Auch im WLAN-Standard werden immer höhere Signalbandbreiten gefordert, im aktuellen Standard IEEE 802.11ac sind es bis zu 160 MHz Bandbreite. Die Bandbreite von Kommunikationssignalen über Satellit beträgt bei DVB‑S noch etwa 30 MHz. Beim Nachfolger DVB‑S2 sind unter dem Stichwort „DVB‑S2 wideband“ im Ka-Band Signale bis zu 500 MHz Bandbreite geplant. Noch breitere Signale werden auf Mikrowellen-Richtfunkstrecken eingesetzt, mit denen z.B. Mobilfunkbasisstationen miteinander verbunden sind. Die Signale solcher Verbindungen sind im E-Band bei 71–76 GHz mit bis zu 2 GHz Bandbreite moduliert.

Die Qualität solcher digital modulierten Signale wird durch Werte wie die sogenannte Error Vector Magnitude (EVM) oder das Leistungsverhältnis von Pilot- zu Datenkanälen (Total power dynamic range) charakterisiert. Diese Werte können nur durch eine Demodulation der Signale gewonnen werden. Dazu sind Signalanalysatoren erforderlich, deren Analysebandbreite mindestens der Signalbandbreite entspricht.

Bild 1 zeigt exemplarisch die Demodulation eines QPSK-modulierten Signals mit dem Signal- und Spektrumanalysator R&S FSW und der Option R&S FSW-K70 für Vektor-Signalanalyse. Neben dem Konstellationsdiagramm werden in der Tabelle die wichtigsten Größen zur Beschreibung der Signalqualität wie Error Vector Magnitude (EVM), Phasenfehler und Symbolratenfehler angezeigt. Die Vektor-Signalanalyse-Option erlaubt eine Demodulation beliebig modulierter Einzelträger bis 500 MHz Bandbreite und bietet zahlreiche weitere Analysefunktionen einschließlich Kanal-Kompensation. Das hier analysierte Signal hat eine Samplerate von 450 MHz. Mit einem RRC-Filter mit Roll-Off-Faktor 0,1 ergibt sich somit eine Bandbreite von knapp unter 500 MHz.

Analyse von Kommunikationssignalen

Um Signale digital zu demodulieren, müssen die Amplitude und die Phase des Signals bekannt sein. Bild 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Signal- und Spektrumanalysators.

Er nimmt das Signal zunächst breitbandig auf; es wird dann optional verstärkt oder gedämpft, bevor es auf die erste Zwischenfrequenz umgesetzt wird. Anschließend wird es auf eine Frequenz unterhalb der halben Abtastrate des Analog/Digital-Wandlers heruntergemischt und digitalisiert. Ein FPGA oder ASIC bereitet die Signale vom ADC für eine weitere Analyse digital auf.

Die Mittenfrequenz des aufzunehmenden Frequenzbereiches wird über den ersten lokalen Oszillator eingestellt. Die Bandbreite ist durch die Abtastrate des Analog/Digital-Wandlers (ADC) gegeben, da aufgrund des Nyquist-Shannon-Theorems die Abtastrate mindestens doppelt so hoch wie die Analysebandbreite sein muss. Für eine große Analysebandbreite von 500 MHz ist demnach ein ADC mit über 1 GHz Abtastfrequenz erforderlich. Der gesamte Signalpfad muss breitbandig mit Filterbandbreiten über 500 MHz ausgelegt werden.