Realitätsnah simuliert

EDA-Simulation von HF-Frontends

2. Dezember 2022, 15:30 Uhr | Nicole Wörner
Entwicklung komplexer HF-Frontends für 5G oder WiFi bieten sich Tools für Electronic Design Automation (EDA) an. Bei der Umsetzung sind die simulierten Entwürfe mit realitätsnahen Signalen zu prüfen, damit auf Anhieb die Hardwaretests bestehen
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Zur Entwicklung komplexer HF-Frontends etwa für 5G oder WiFi bieten sich Tools für Electronic Design Automation (EDA) an. Damit es bei der Umsetzung in Hardware keine bösen Überraschungen gibt, liegt es nahe, schon die simulierten Entwürfe mit realitätsnahen Signalen zu prüfen. Ein paar Praxistipps.

Von Markus Lörner, Rohde & Schwarz

Bei jedem Entwicklungsprojekt besteht die Gefahr, dass der Prozess beim Übergang von der Simulation zur Hardware ins Stocken gerät. Nicht immer liefern Designentscheidungen, die in der Simulation stimmig erscheinen, in der realen Welt tatsächlich die erwarteten Ergebnisse. Bei der Entwicklung eines HF-Leistungsverstärkers (RF-PA) beispielsweise bringen moderne Funkstandards wie 5G oder WiFi besondere Herausforderungen mit sich. Eine engere Verknüpfung zwischen EDA-Tools und Hardwaretests könnte hier Zeit und Entwicklungskosten einsparen.

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Der Übergang von der Simulation zur Hardware

Entwicklungsteams von HF-Leistungsverstärkerbausteinen oder -Systemen stehen vor folgendem Problem: Sie starten die Entwicklung in einer EDA-Umgebung und müssen den Entwurf in die reale Welt transferieren, wenn sie die Hardware dafür festlegen. Dieser Übergang ist riskant und nicht einfach. Im Idealfall erfolgt er, sobald der simulierte Entwurf als hinreichend geprüft gilt. Ausschlaggebend für die Genauigkeit der Ergebnisse ist meist die Qualität der in Software verfügbaren Signalquellen und Analysetools. Dabei sollten die Signale möglichst den im späteren Betrieb verwendeten Funkstandards entsprechen und die Messungen den zugehörigen standardisierten Testabläufen. Da die aktuellen Wireless- Technologien wie 5G und die neuesten Wi-Fi-Generationen hochkomplex sind, lässt sich das nicht immer gewährleisten.

Die Herausforderungen neuer Übertragungstechniken

Aufkommende Funkstandards werden zu immer größeren Herausforderungen für Entwicklungsteams, die ihre Entwürfe überprüfen möchten. 5G beispielsweise umfasst Frequenzbereiche bis in den Millimeter-Wellen (mmWave)-Bereich und nutzt hier komplexe massive MIMO-Technologien (Multiple In Multiple Out) zusammen mit Beam- forming, um den Signalausbreitungsverlust zu kompensieren. Dazu sind viele kohärente Kanäle notwendig.

Im Sub-6-GHz-Frequenzband FR1 ist dies nicht notwendig. Hier wird normalerweise jeder Pfad mit einem digitalen Backend verbunden, um eine individuelle Linearisierung zu ermöglichen. Doch Anwendungen im FR2-Frequenzband können für zielgerichtete Abstrahlung Beamforming-Phased-Array-Antennen mit bis zu 1024 Antennenelementen erfordern. Hier werden dann über hybrides Beamforming Sub-Arrays auf einen digitalen Pfad zusammengeführt.
Um den Datendurchsatz zu maximieren, können bei 5G zudem die höheren Frequenzbereiche bis 400 MHz eines 5G-FR2-Trägers mitgenutzt werden sowie Modulationstechniken höherer Ordnung, um die maximale Kapazität der verwendeten Bandbreite auszuschöpfen.

Vergleichbare Entwicklungen findet man in der Satellitenkommunikation, wo Satelliten in digitalen regenerativen Architekturen eine ähnliche Funktion übernehmen wie 5G-Basisstationen. Ähnliches gilt zudem für die Übertragung von Radar- und anderen Signalen im militärischen Bereich.

Neue Anforderungen an die Hardware

All diese Übertragungsverfahren mit Beamforming erfordern eine große Anzahl an hochlinearen Geräten mit idealerweise identischen Charakteristiken, um einen fehlerfreien Betrieb sowie einen maximalen Datendurchsatz zu gewährleisten. Moderne Leistungsverstärker basieren heute oft auf neuen Technologien wie GaN, bieten eine hohe Energiedichte, viel Effizienz und können eine große Übertragungsbandbreite abdecken. Sie erfordern jedoch in fast jedem Anwendungsfall eine Linearisierung über eine digitale Vorverzerrung.

Grund: Für eine Modulation höherer Ordnung darf die Signalverzerrung nicht zu groß sein, weil sich der Abstand zwischen den Konstellationspunkten durch die höherwertige Modulation verkleinert. Es sind also strengere Grenzwerte für wichtige Parameter wie den maximalen Vektorfehler (Error Vector Magnitude, EVM) notwendig, um eine stabile Demodulation bei maximalem Durchsatz sicherzustellen.

Um die Effizienz des HF-Frontends zu optimieren, wird der Verstärker nahe an seinem Sättigungspunkt betrieben. Das geht jedoch zu Lasten der Linearität, beeinträchtigt das Signal und verursacht Störsignale inklusive Nachbarkanalstörungen (Adjacent Channel Leakage Ratio, ACLR).

Die Verknüpfung der simulierten mit der realen Welt

Das Festschreiben einer Hardware für ein Design erfordert selbst bei erfolgreicher Simulation häufig eine oder mehrere Nachbesserungsrunden, um die gewünschte Leistung zu erreichen. Wie lange das dauert, hängt von den Ressourcen ab, die dem Projekt zugewiesen sind: von den verfügbaren Ingenieuren und der technischen Ausstattung. Bei einem Chip-Design kommt noch die Überarbeitungsdauer für die Wafer-Prototypen hinzu. Die Kosten für eine Wafer-Optimierungsrunde können leicht in den sechsstelligen Euro-Bereich gehen, was den Druck auf den Entwicklungsprozess noch weiter erhöht.

Wenn also diese wiederholten, bisher üblichen Hardwareoptimierungen vermeidbar wären oder zumindest minimiert werden, hätten Entwicklungsteams eine bessere Kontrolle über Zeit und Kosten eines Projekts. Sie könnten pünktlich zur Markteinführung liefern und dabei den Budgetrahmen einhalten.

Simulierte Tests mit standardkonformen Signalen

Werden für Prüfungen in der EDA-Umgebung realistische, standardkonforme Testsignale erzeugt, lässt sich sicherstellen, dass die Simulationsergebnisse aussagekräftiger für die gewünschte reale Leistungsfähigkeit sind. Entwicklungsteams können die Leistungsfähigkeit der Chips oder des Übertragungssystems schon während der Simulation verifizieren, indem sie die für die Übertragung entscheidenden Performance-Messungen mit den spezifizierten Anforderungen vergleichen. Dazu zählt zum Beispiel EVM als Maß für die Signallinearität und den hohen Datendurchsatz. Weitere Schlüsselparameter (Key Performance Indicator, KPI) liefern ihnen ein Verständnis dafür, ob das resultierende System im späteren Betrieb die erwartete Leistung erbringen wird. Wenn die von der Simulation vorgeschlagenen KPIs bei den simulierten Messungen den Spezifikationen entsprechen, kann das Projekt als bereit für die Umsetzung in Hardware betrachtet werden. Dann können die Messungen mit realen Signalen am Prototypen starten. Für 5G- und Wi-Fi-Geräte werden für die Tests typischerweise standardkonforme Wellenformen verwendet. Geräte für die Satellitenkommunikation benötigen Tests mit speziell definierten digitalen Breitband-Modulationsschemas.

Bisher nutzen Entwicklungsteams in EDA-Umgebungen meist Testsignale, die an reale Funksignale angenähert sind. Das erfordert für die Korrelation viel Erfahrung, damit die spätere Hardware wie erwartet funktioniert und möglichst wenig Anpassungen notwendig sind.


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