Spektrumanalysatoren Funksender verifizieren

Daten per Funk zu übertragen wird immer mehr zum Standard, gerade im IoT und im privaten Umfeld. Damit dies einwandfrei funktioniert, müssen die Funksender dementsprechend gut ausgelegt sein. Als entwicklungsbegleitendes Messmittel eignen sich Spektrumanalysatoren mit speziellen Optionen.

Eine wesentliche Komponente funkbasierter Kommunikationssysteme ist der HF-Sender. Ein Smartphone kann gleich mehrere davon enthalten, zum Beispiel für Wi-Fi, den eigentlichen Mobilfunk (Sprache, SMS, Internet), NFC und Bluetooth. Auf der einen Seite ist es wichtig, eine gute, stabile Kommunikation zu erreichen. Über die Modulationsqualität entscheidet eine sorgfältige Auswahl der Komponenten. Auf der anderen Seite ist es auch wichtig, dass der HF-Sender ausschließlich in der gewünschten Bandbreite ohne Störsignale arbeitet. Dies soll eine saubere und gute Filterung bewerkstelligen. Zu guter Letzt spielt bei der Entwicklung eines HF-Senders noch die EMV eine wichtige Rolle, um die Umwelt vor unnötigem und ungewolltem Elektrosmog oder umgekehrt den Sender vor Störeinflüssen zu schützen.

Bild 1 zeigt das Blockdiagramm eines HF-Senders für digitale Signale. Im ersten Teil, dem sogenannten Basisband, setzt ein digitaler Signalprozessor (DSP) die ankommenden digitalen Daten für Leitungscodierung, Interleaving und Modulation um. Je nach Art der Modulation fasst dieser die Bits zu Symbolen zusammen. Bei der QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) und der QAM (Quadratur Amplitude Modulation) beispielsweise lässt sich jedes Symbol mit der digitalen In-Phase- (I) und Quadratur-Komponente (Q) beschreiben.

Bei der QPSK-Modulation werden jeweils zwei Bits zu einem Symbol zusammengefasst. QPSK ist eine Phasenmodulation, bei der die Amplitude bei allen Symbolen gleich bleibt (Bild 2a). Bei der QAM hingegen werden sowohl Phase als auch Amplitude moduliert. Die Positionen der Symbole hängen somit von der Phase und der Amplitude der IQ-Vektoren ab. Als Beispiel sei hier die 64QAM-Modulation aufgeführt, bei der ein Symbol sechs Bits (26 = 64) enthält (Bild 2b). Die IQ-Vektoren lassen sich wie in der komplexen Mathematik auch mit einem Sinus (Q) und einem Kosinus (I) beschreiben. Diese zwei Signale haben somit einen Phasenversatz von 90° (orthogonal). Sie liegen in Quadratur zueinander. Die Komponenten CI(t) und CQ(t) beschreiben das Basisband der Modulation.

Nachdem das Basisband zur Verfügung steht, werden die digitalen I- und Q-Komponenten zu einem analogen Signal umgewandelt, das dann gefiltert wird (Bild 1). Dieser Filter ist wichtig, um dem Signal die notwendige Pulsform für die beste bandbegrenzte Übertragung zuzuweisen. Danach wird den Signalkomponenten mittels eines lokalen Oszillators (LO) das Sinus- beziehungsweise Kosinussignal zugemischt. Beim Blockschaltbild in Bild 1 ist das bereits der HF-Träger. Beide Signalkomponenten werden jetzt addiert, verstärkt, noch einmal gefiltert und der Antenne zugeführt. Die zweite Filterung ist notwendig, um die Bandbegrenzung zu erreichen und gegebenenfalls ungewollte Störkomponenten durch die vorherigen Komponenten zu unterdrücken.

Jede einzelne Komponente in einem Sender beeinflusst die Funktion und die Qualität der Kommunikation. Um die erwartete Qualität der Übertragung zu erreichen und so die einwandfreie Funktion des Kommunikationssystems zu gewährleisten, müssen den einzelnen Komponenten und der gesamte Sender genau analysiert werden.

Modulationsanalyse

Mit dem optionalen Vektor-Signal-Analysator (VSA) für die Echtzeit-Spektrumanalysatoren der Serie RSA5000 von Rigol lässt sich die Modulationsqualität des HF-Senders detailliert messen. Hierfür kann der Benutzer im VSA-Modus unterschiedliche Modulationsarten auswählen. Für diese Analyse muss das Messsystem ein optimales Referenzsignal erstellen, um damit das gemessene Signal zu vergleichen. Hierfür sind einige Informationen über den Sender notwendig. Darunter fallen die Abtastrate der Modulation, der verwendete Filter im Sender (und optimalerweise auch im Empfänger), die Filterflanke und das Modulationsformat (z. B. 64QAM).

Mit dem gemessenen Signal erzeugt der VSA das Referenzsignal und vergleicht diese beiden miteinander. Er berechnet Messwerte wie die Größe des Fehlervektors (Error Vector Magnitude, EVM) oder andere wichtige Parameter (z. B. Phasenfehler) und stellt sie dar. Wie bereits beschrieben, lassen sich im VSA der Mess- und der Referenzfilter einstellen und ändern. Der Referenzfilter beinhaltet die Information der Filter von Sender und Empfänger. Der Messfilter enthält dagegen die Information des Empfängers:

  • Sender (TX): Wurzel-Kosinus-Filter (Root-Raised Cosine, RRC),
  • Empfänger (RX): Wurzel-Kosinus-Filter (= Messfilter im VSA),
  • RX und TX: RRC × RRC = Kosinus-Filter (Raised Cosine, RC) (= Referenzfilter im VSA).

Tabelle 1 beschreibt die unterschiedlichen Analyseformen des VSA-Modus im RSA5000.

Zeitdarstellung

Frequenzdarstellung

Demodulationsfehler-

darstellung

DemodulationFehlermessung
Bitfehlerrate BER
Logarithmischer oder linearer Betrag über die SymboleLogarithmischer oder linearer Betrag über die SymboleFehlervektor (über die Zeit)Logarithmischer oder linearer Betrag über die SymboleDemodulierte Bits der Symbole (in Hex. oder Bin.)Messung der Bitfehlerrate
In-Phase oder Quadratur über die SymboleIn-Phase oder Quadratur über die SymboleFehlervektor (über die Frequenz)In-Phase oder Quadratur über die SymboleBetragsfehler (in %RMS oder %peak) 
EVM (in %RMS oder %peak)Begrenzte oder unbegrenzte Phase über die SymboleBegrenzte oder unbegrenzte Phase über die SymboleBegrenzte oder unbegrenzte Phase über die SymbolePhasenfehler (in %RMS oder %peak) 
IQ-Spur oder Konstellationsdiagramm IQ-BetragsfehlerLogarithmischer Betrag über die SymboleVerstärkerverzerrung (Gain Imbalance) in dB 
IQ-Augendiagramm IQ-PhasenfehlerLinearer Wert über die SymboleFrequenz-Offset in Hz 
    Quadraturfehler in Grad 
    IQ-Offset in dB 
    SNR(MER) in dB 

Tabelle 1: Überblick über die Messmöglichkeiten im VSA-Modus des RSA5000.

Der VSA kann bis zu vier Messungen gleichzeitig auf einem Bildschirm darstellen. Eine wichtige Messung ist zum Beispiel das Konstellationsdiagramm in Kombination mit der Fehlermessung in einem zweiten Fenster. Der EVM-Wert ist hierbei einer der aussagekräftigsten Parameter über die Qualität der Modulation. Eine EVM beschreibt den Fehlervektor zwischen dem optimalen Referenz- und dem gemessenem Vektor (Bild 3).

Der Referenzwert der Prozentberechnung bei der EVM ist der Radius des äußersten Konstellationspunktes. Der EVM-Wert lässt sich als Effektivwert (RMS, unter Betrachtung aller Symbole) oder als Spitzenwert (peak, der größten Abweichung) messen. Ein verrauschtes Signal würde zu einem höheren EVM-Wert führen, sodass die Wahrscheinlichkeit steigt, dass der Empfänger das Symbol falsch erkennt. Abhängig davon, wie die Senderspezifikation aussieht, muss der gemessene EVM-Wert direkt am Sender kleiner sein. In Bild 3 ist außerdem der Betrags- und Phasenfehler dargestellt. Beide Messwerte sind ebenfalls in der Fehlermessung zu sehen.

Ein weiterer gemessener Wert ist der Modulationsfehleranteil (Modulation Error Rate, MER). Dieser Wert ist dem Signal-zu-Rausch-Verhältnis (Signal to Noise Ratio, SNR) sehr ähnlich. Die MER muss mindestens so gut sein, dass der Symbolwert am Empfänger innerhalb der Entscheidungslinien liegt. Diese »Decision Lines« sind für die 64QAM in Bild 2b dargestellt.

Ein sehr guter MER-Wert für eine 64QAM-Modulation liegt zwischen 32 dB und 64 dB. Eine MER von zirka 20 dB würde die Bitfehlerrate erhöhen und die Qualität der gesamten Kommunikation verringern. Je höher die Symbolanzahl der Modulation ist, umso kleiner sind die Entscheidungsflächen, und umso besser muss der MER-Wert sein.