PC-Messtechnik HF-Messtechnik als Herausforderung

Nicht nur die neuen Wireless-Übertragungsverfahren, auch die immer schneller werdenden Bussysteme in Computer- und Kommunikationssystemen aller Art erfordern laufend mehr Bandbreite und höhere Durchsatzraten. Damit verbunden sind auch neue bzw. veränderte Ansätze in der Messtechnik.

Wie heute die Anstrengungen aller Messtechnik-Unternehmen verdeutlichen, muss jedes in diesem Sektor tätige Unternehmen einerseits intensiv Weiterentwicklungen im Bereich der rechnergestützten Messtechnik voranbringen. Gleichzeitig muss wegen der unvermindert anhaltenden Forderung nach immer höheren Übertragungsraten und größeren Bandbreiten alles, was in Richtung „High Speed“ und Höchstfrequenztechnik geht, unterstützt werden.

Parallel dazu herrscht in der Messtechnik ein Wettbewerb zwischen Stand-alone- bzw. Box-Instrumenten und den flexibel nutzbaren Chassis bzw. Modulen der Systembus-Messtechnik. All das führt zu einer interessanten Wettbewerbs-Situation, von der einerseits Technologie-Fortschritte erwartet werden können, von der andererseits auch einer profitiert: der Anwender. Aber nur der, der sich auch informiert.

Synergie – warum nicht?

Beispielsweise setzt das weltweit agierende Messtechnik-Unternehmen Agilent Technologies bezüglich der Weiterentwicklungen einerseits weiterhin auf die klassischen Stand-alone-/Box-Messinstrumente bzw. -Messplätze, andererseits auch auf Systembus-Architekturen. Dies fasst der EMEA-Marketing-Manager des Unternehmens, Jim Armentrout (Bild 1), in der Aussage zusammen, dass die klassischen Stand-alone-Messgeräte und die Systembus-Chassis-Architekturen, wie beispielsweise das populäre PXI, keineswegs Gegensätze zueinander seien. Rechnergestützt und im Verbund könnten beide Systemrichtungen ohnehin miteinander arbeiten, beispielsweise in Testsystemen.

Vielmehr würden die heute in der Messtechnik eingesetzten High-Speed-Bus-Architekturen die Kombination von herkömmlichen Stand-alone-Instrumenten mit Systembus-Chassis und den darin untergebrachten Modulen geradezu forcieren. Auch erhöhe sich seiner Meinung nach dadurch die Anwendungsvielfalt.

Die Hochfrequenz-Herausforderung: digital ist letztlich analog

Eine Steigerung der Anwendungsvielfalt ist aber gerade in Zeiten weiter anwachsender Übertragungsgeschwindigkeiten auch notwendig. Denn die Messtechnik allgemein – ob Stand-alone-Gerät oder Systembus-Chassis – steht vor der physikalischen Tatsache, dass Rechteck-Digitalsignale bei den weiter steigenden Übertragungsfrequenzen immer deutlichere Veränderungen ihrer Signalform erfahren und mehr und mehr „analogen“ Kurvenformen ähneln als Rechteckpulsen.

Zu deren Analyse ist dann immer auch eine entsprechende Höchstfrequenz-Messtechnik erforderlich. „Wenn also aus einem gut strukturierten Digitalsignal eine mehr oder weniger komplexe analoge Kurvenform wird, und das alles bei sehr hohen Frequenzen“, so Armentrout, „sind spezielle Innovationen in der Messtechnik gefragt. Und da ist es von Vorteil, kombiniertes Know-how aus den unterschiedlichen Bereichen zu haben, das man dann in die klassischen Stand-alone-Geräte und auch in die Systembus-Module einbringen kann.

So wurde bei Agilent beispielsweise jetzt weltweit der erste 67-GHz-Nichtlinear-Vektor-Netzwerkanalysator vorgestellt, darüber hinaus ein Frequenz-Konverter für die Höchstfrequenz-Messtechnik, und aus dem Systembus-Bereich haben wir nun einen PXIe-Embedded-Controller im Programm. Hinzu kommen weitere präzise HF-Module aller Art, z.B. ein sehr linear arbeitender Abschwächer bis 100 dB. Und mit der 160-MHz-Messbandbreiten-Erweiterung für den Signalanalysator PXA können wir auch für die kommenden Wireless-Standards wie zum Beispiel 802.11ac die geeignete Messtechnik zur Verfügung stellen. Wobei zu berücksichtigen ist, dass immer auch Kombinationen aus den Stand-alone-Messgeräten und den Systembus-Aufbauten möglich sind. Der Weg hin zur vierten Generation der Mobilfunk-Kommunikationssysteme ist damit auch geebnet.“

High-Speed-Bussysteme: Bei 10 Gbit/s ist Schluss mit elektrischer Übertragung

Die Probleme der Höchstfrequenz-Messtechnik ergänzt Jay Alexander, Vice President und General Manager der „Digital Test Division“ des Unternehmens, um einen anderen Aspekt: „Man ist, um die High-Speed-Systeme schneller zu machen, immer mehr zu seriellen Bussen übergegangen. Der mittlerweile notwendige Datendurchsatz erfordert es aber, diese schnellen Seriell-Busse sogar noch zueinander parallel zu schalten.

Das stellt an die Messtechnik zweifellos besonders hohe Anforderungen, weil hier eine High-Speed-Synchronisierung erforderlich ist, um Zeitkorrelationen analysieren zu können. Hinzu kommt, dass die Messtechnik erstens mit immer kleineren Signalpegeln auskommen muss, dazu auch noch mit verschiedenen und ebenfalls immer kleiner werdenden Spannungspegel-Unterschieden. Auch hier tritt besagter Effekt auf, dass aus einfachen Rechtecken sehr kompliziert zu untersuchende Analog-Kurvenformen mit sehr kleinen Amplituden werden.“

Den HF-Fachleuten zufolge ist etwa bei 10 Gbit/s die elektrische Übertragung auch auf den Leiterplatten an ihrer Grenze angelangt, so dass man mehr und mehr zu optischen Bussystemen übergehen wird. Optische Übertragungen zwischen Chips und auch zwischen Boards und anderen Systemkomponenten werden also in Zukunft immer häufiger zu finden sein. Diese Entwicklung wird zusätzlich gefördert durch Technologie-Fortschritte, die es erlauben, kleinste Laser auf Chips zu integrieren.

Trend: Embedded Instruments und Simulation

Die Probleme der Höchstfrequenz-Messtechnik werden, so die Agilent-Fachleute, zusätzlich dadurch verschärft werden, dass man beim Messen immer zusätzliche Kapazitäten, Widerstände und Induktivitäten hinzufügt, was bei HF-Signalen besonders drastische Veränderungen der Signal-Kurvenformen zur Folge hat. Auch sinkt dadurch die Bandbreite des gesamten Systems, bestehend aus Prüfling und Messinstrument, deutlich ab.

Eine Lösung – oder zumindest eine Verringerung – dieses Dilemmas wird künftig durch zwei verschiedene Verfahren zu erwarten sein: Erstens wird sich Messtechnik selbst mehr und mehr direkt auf die Chips integrieren, das ist der bereits von vielen angedachte Ansatz der „Embedded Instruments“. Hier fehlt aber noch die entsprechende Standardisierung. Und auch die Simulation wird in der Höchstfrequenz-Messtechnik immer wichtiger, doch sie braucht entsprechend realitätsnahe Differenzialgleichungen bzw. Modelle, um aussagekräftig zu sein. Zum Erstellen der Modelle ist dann aber auch wieder die herkömmliche Messtechnik gefragt.