Tektronix AWG70000
Kohärente optische Signale erzeugen – worauf kommt es an?
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Modulationsverfahren höherer Ordnung und der AWG-Ansatz
Bei drahtlosen und Kabel-basierten HF-Übertragungssystemen gab es in der Vergangenheit ähnliche Probleme. Verbesserungen hinsichtlich der Kapazität waren nur durch Fortschritte bei den Modulations- und Codierungsverfahren möglich. Genereller Trend ist mittlerweile der Einsatz von Modulationsverfahren höherer Ordnung, bei denen mehr als ein Bit pro Symbol übertragen, unterschiedliche Arten von Orthogonalität genutzt und mehrere unabhängige Nachrichten gleichzeitig über die gleiche Verbindung gesendet werden können.
»Der entscheidende Erfolgsfaktor ist die Fähigkeit, die Amplitude und Phase des RF-Trägers steuern zu können«, verdeutlicht der Experte. »Die einfachste Möglichkeit, um zwei unabhängige Übertragungen über die gleiche Trägerfrequenz zu senden, besteht in der Verwendung eines orthogonalen Trägers mit 90 Grad Phasenunterschied. In realen Implementierungen sind beide Nachrichten normalerweise synchron. Die zwei Nachrichten können im Empfänger unabhängig decodiert werden, wenn sich die ursprünglichen orthogonalen Träger wiederherstellen lassen und eine kohärente Detektion genutzt wird. Durch den Einsatz einer kombinierten Amplituden- und Phasensteuerung lässt sich ein Alphabet von M Symbolen - normalerweise M = 2^N - auf M Modulationszustände oder Amplituden/Phasen-Kombinationen abbilden.«
Deutlich wird dies in Bild 2: Die Sender nutzen in typischen Implementierungen einen Quadraturmodulator. Phase und Amplitude des Trägers werden durch unabhängige bipolare Amplitudenpegel für zwei Träger gesteuert. Diese weisen einen Phasenunterschied von 90 Grad auf und bilden damit ein kartesisches Achsensystem mit I- und Q-Komponente (In-Phase und Quadratur). Die Darstellung der Position der Symbole in der IQ-Ebene wird als Konstellationsdiagramm bezeichnet. Populäre Modulationssysteme wie QPSK (2 Bits/Symbol Quadrature Phase Shift Keying) oder M-QAM (log2M Bits/Symbol Quadrature Amplitude Modulation) haben symmetrische, quadratische Konstellationsdiagramme - es gibt aber auch andere Konstellationen.
Ein wichtiger Aspekt bei kohärenten Übertragungssystemen ist die Gewährleistung einer hohen spektralen Reinheit, weil Phasen-Störungen direkt Ungenauigkeiten bei der Symbolposition und dadurch fehlerhafte Bits zur Folge haben. »Der gleiche Ansatz zur Kapazitätsverbesserung wäre auch für eine Erhöhung der spektralen Effizienz, also der Anzahl der Bit/s pro 1 Hz Bandbreite, von optischen Übertragungssystemen wünschenswert«, so Miles. »Weil diese Methode sowohl die Steuerung der Leistung als auch der Phase eines optischen Trägers erfordert, bezeichnet man solche Kommunikationssysteme als kohärente optische Verbindungen.«
Der AWG-Ansatz
Hier kommen nun die Hersteller von Kommunikationstechnik ins Spiel. Für den Performancetest von Empfängern und anderen Komponenten, Systemen und Sub-Systemen, ja sogar ganzen Netzen sind Stimuli-Geräte nötig, die optische und elektrische Signale mit ausreichender Reproduzierbarkeit und Genauigkeit generieren können. Diese Signalgeneratoren müssen perfekte, »goldene« oder präzise definierte fehlerbehaftete Signale erzeugen, um die Effekte von Verbindungs- und Übertragungssystemen emulieren können. Dazu reichen die klassischen Pattern-Generatoren, die nur zwei verschiedene Signalpegel ausgeben können, nicht aus. Arbiträre Generatoren mit mehrstufigen Ausgangspegeln eignen sich jedoch bestens für diese neuen Testanforderungen. Dabei sind die wichtigsten Leistungsparameter eines AWG:
- Abtastrate: Die maximale Geschwindigkeit, mit der digitale Werte vom DAC in analoge Werte umgewandelt werden können
- Analoge Bandbreite: Die effektive Bandbreite für vom Generator erzeugte brauchbare Signale
- Aufzeichnungslänge: Größe des Signalspeichers. Sie bestimmt das längste, nicht wiederholende Zeitfenster, das mit einer vorgegebenen Abtastrate generiert werden kann
- Vertikale Auflösung: Die Anzahl der Bits, die einen Wert im DAC darstellen. Dieser Spezifikationswert hat Einfluss auf den Dynamikbereich, ebenso wie das Quantisierungsrauschen
- Anzahl der Kanäle: Die Anzahl der beliebigen Signale, die gleichzeitig (üblicherweise synchron) mit dem gleichen AWG-Gerät erzeugt werden können. Die Kanalzahl kann bei einigen Instrumenten durch die Synchronisierung mehrerer Geräte erhöht werden. Die Synchronisationsqualität ist ein wichtiger Aspekt bei einer derartigen Anwendung.
Die High-end-Generatoren der Serie AWG 70000 von Tektronix wartet mit einer Abtastrate von 50 GSample/s, einer RF-Frequenz von 20 GHz, einem SFDR-Wert von -80 dbc und einem 16 GByte großen Speicher auf. Und noch ein Tipp vom Experten: »Die Synchronisierung mehrerer AWGs ist äußerst wichtig, um brauchbare Signale zu erhalten«, so Miles. »Hierzu empfehlen wir ein Synchronisationsverfahren für mehrere Geräte der Tektronix-AWG70000-Serie. Mit dieser Anordnung ist ein Kanal-Kanal-Skew von besser als 4 ps erreichbar.«
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