Flexibles Testsystem für die Erzeugung und Analyse von 5G-Signalen

Transkript

1 Flexibles Testsystem für die Erzeugung und Analyse von 5G-Signalen Bild 1: Beispiel für ein flexibles Testsystem zur Erzeugung und Analyse von 5G-Signalen Greg Jue Keysight Technologies, Inc. Schon während der Einführung von LTE und LTE-Advanced wird mit Hochdruck an der Technologie der nächsten Generation, 5G, geforscht. 5G wird voraussichtlich ein engmaschiges, hochintegriertes Netzwerk aus kleinen Zellen sein, die Datenraten bis 10 Gbit/s unterstützen, Roundtrip-Latenzzeiten von 1 ms oder weniger aufweisen und Funkschnittstellen unterschiedlicher Art im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich nutzen. Dieses Netzwerk wird die unterschiedlichsten Kommunikationsformen unterstützen, vom einfachen M2M- (machine-tomachine) Datenaustausch bis zu vernetztem Virtual-Reality- Streaming. Die neue Technologie verheißt viel Gutes für Endbenutzer und stellt Entwickler vor völlig neue Herausforderungen. Herausforderungen bei der Erzeugung und Analyse von 5G-Signalen Der erste Schritt in Richtung der praktischen Implementierung ist die Erzeugung und Analyse prototypischer Signale. Da derzeit noch kein 5G-Standard existiert, sind auch noch keine Physical-Layer-Signalformate definiert. In Betracht kommen u. a. FBMC- (Filter Bank Multi-Carrier), UFMC- (Universal Filtered Multi-Carrier) und OFDM- (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) Signale. Sowohl Signale im Frequenzbereich unterhalb von 6 GHz als auch Breitbandsignale im Mikrowellen/Millimeterwellenbereich mit Bandbreiten bis 2 GHz sind in der Diskussion. Die große Anzahl und Vielfalt von Signalformaten, Frequenzen und Bandbreiten, an denen geforscht wird, bringt neue Herausforderungen bei Charakterisierung und Test mit sich. Für die Erforschung von 5G-Technologien und für erste Tests an Prototypen sind flexible Testlösungen gefragt. Entwicklungsingenieure, die neue Konzepte erarbeiten und Kandidaten für 5G-Signalformate auf ihre Eignung untersuchen, müssen in der Lage sein, Was-wärewenn -Analysen durchzuführen. Ohne eine solche Möglichkeit würde man riskieren, eine falsche Richtung einzuschlagen und Probleme erst in einer späten Phase des Entwicklungszyklus erkennen sie zu beheben wäre dann wesentlich kostspieliger und zeitaufwendiger. Hier ist 2 hf-praxis 11/2016

2 mögliche Flexibilität aus, sowohl hinsichtlich der Hardware- als auch der Softwarekomponenten. Die Flexibilität der Softwarekomponenten ermöglicht es dem Anwender, potenzielle 5G-Signalformate und proprietäre Signalformate zu erzeugen und zu analysieren. Bei den Hardwarekomponenten spielen Flexibilität und Skalierbarkeit zusammen, dadurch decken die Signalgeneratoren und -analysatoren den Frequenzbereich von Hochfrequenz bis zu Millimeterwellen ab, mit Bandbreiten von bis zu 2 GHz. Bild 2: Beispiel für die Erstellung eines breitbandigen, proprietären OFDM-Signals mit Hilfe der Signal Studio Software Bild 1 zeigt eine Hardware/ Software-Kombination, die als Referenzlösung für ein flexibles 5G-Testsystem dienen kann. Die Lösung umfasst u. a. einen Präzisions-Arbiträrsignalgenerator (ARB), einen Vektorsignalgenerator mit Breitband-I/Q-Eingängen und eine Software zur Signalentwicklung. Diese Geräte ermöglichen die Erzeugung komplex modulierter Signale mit Trägerfrequenzen bis 44 GHz Flexibilität gefragt, das gilt insbesondere für Tools zur Signalerzeugung und -analyse. Flexible Tools ermöglichen es Entwicklern, schnell eine andere Richtung einzuschlagen, wenn neue, vielversprechende Kandidaten für 5G-Signalformate auftauchen. Entwickler müssen auch die Möglichkeit haben, höchst unterschiedliche Modulationsbandbreiten (von einigen Megahertz bis zu einigen Gigahertz) und verschiedene Frequenzbänder (von HF über Mikrowelle bis zu Millimeterwellen) zu erproben. Keysights Referenzlösung für die Erzeugung und Analyse von 5G-Signalen ist die Antwort auf diese Herausforderungen. Die Referenzlösung kombiniert serienmäßige Hardware und Software zu einer flexiblen 5G-Testplattform. Ein exemplarisches Testsystem zur Erzeugung und Analyse von 5G-Signalen Die Referenzlösung von Key- Bild 3: Demodulation eines proprietären Breitband-OFDM-Signals mit einer Trägerfrequenz von 28 sight zeichnet sich durch größt- GHz und einer Bandbreite von etwa 1 GHz hf-praxis 11/2016 3

3 Bild 4: Exemplarische Hardware-Konfiguration für die Erzeugung und Analyse eines 73-GHz-Millimeterwellensignals. und bis zu 2 GHz Modulationsbandbreite. Bei Bedarf kann der Frequenzbereich mit Hilfe eines Aufwärtsmischers noch nach oben erweitert werden. Mit dieser Kombination aus Hardware und Software lassen sich Kandidaten für 5G-Signalformate wie z. B. proprietäre FBMC- und OFDM-Signale, aber auch Einzelträgersignale erzeugen. Die Hardware ist mit Systemdesign-Software integriert. Dadurch ist es möglich, schnell und einfach proprietäre Algorithmen zu implementieren oder Was-wäre-wenn -Szenarien zu simulieren, beispielsweise um zu untersuchen, ob ein LTE-Signal und ein FBMC- Signal problemlos koexistieren können.die Referenzlösung ermöglicht auch die Demodulation und Analyse von Testsignalen. Softwareseitig bietet sich hierfür eine Kombination aus der VSA- Software und der Simulationssoftware an. Hardwareseitig hat man die Wahl zwischen einem Signalanalysator, einem Oszilloskop oder einem PC, der diverse Messgeräte oder Digitizer steuert. Um die Machbarkeit dieser Referenzlösung zu illustrieren, wollen wir zwei verschiedene Testfälle untersuchen. Im ersten Fall wird als Testsignal ein anwenderspezifisches OFDM-Signal mit einer Frequenz von 28 GHz und einer Bandbreite von etwa 1 GHz verwendet. Im zweiten Fall handelt es sich um ein 73-GHz- Einzelträgersignal mit 2 GHz Bandbreite. Testfall Mikrowellen: Erzeugung und Analyse eines breitbandigen, proprietären 28-GHz- OFDM-Signals Generatorseitig besteht die Referenzlösung in diesem Fall aus einem Präzisions-AWG und einem Vektorsignalgenerator mit Breitband-I/Q-Eingängen, der den Frequenzbereich bis 44 GHz abdeckt. Das anwenderspezifische 28-GHz-OFDM-Signal mit einer Modulationsbandbreite von etwa 1 GHz wird mit Hilfe der Signalerzeugungssoftware definiert (Bild 2). Es werden Resource- Mapping-Parameter für Präambel-, Pilot- und Daten-Unterträger vorgegeben, einschließlich Position und Boost-Level für die einzelnen Ressourcenblöcke. Für Pilot- und Daten-Unterträger werden Präambel, Modulationsformat und Nutzlast-I/Q-Daten spezifiziert. Das per Software erstellte Signal wird in den AWG heruntergeladen und von diesem ausgegeben. Der AWG wird dabei über eine Soft-Frontplatte gesteuert. Die IQ-Ausgänge des AWG sind mit den Breitband-IQ-Eingängen des PSG-Vektorsignalgenerators verbunden, der die IQ-Signale auf einen 28 GHz-Träger moduliert. Das Mikrowellen-Ausgangssignal des PSG wird mit Hilfe eines 63-GHz-Hochleistungsoszilloskops analysiert, auf dem die VSA-Software läuft. Bild 3 zeigt in sechs Bildschirmfenstern das Ergebnis der Signalanalyse: 1. Oben links: Konstellationsmuster 2. Oben Mitte: EVM-Spektrum vs. Unterträger 3. Oben rechts: Suchzeit 4. Unten links: etwa 1 GHz breites Spektrum bei 28 GHz Mittenfrequenz 5. Unten Mitte: Fehlerübersicht 6. Unten rechts: Frequenzgang des OFDM-Equalizerkanals Testfall Millimeterwellen: Erzeugung und Analyse eines breitbandigen 73-GHz- Einzelträgersignals Zur Erweiterung des Frequenzbereichs auf 73 GHz wird für diesen Test die Basiskonfiguration der Referenzlösung generatorseitig um einen Millimeterwellen-Aufwärtsmischer und analysatorseitig um einen Millimeterwellen-Abwärtsmischer oder einen smarten Hohlleitermischer erweitert. Bild 4 4 hf-praxis 11/2016

4 Bild 5: Durch die Integration von Systemdesign-Software und Messgeräten lassen sich lineare Amplituden- und Phasenfehler des Testsignals korrigieren

5 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer exemplarischen 73-GHz-Hardware-Konfiguration. Ein Mikrowellen-Signalgenerator liefert das LO-Signal für den Millimeterwellen-Aufwärtsmischer. Das Ausgangssignal des Aufwärtsmischers wird durch einen (hier nicht abgebildeten) Millimeterwellenverstärker mit Ausgangsfilter verstärkt. Für die Signalanalyse im Frequenzbereich von 60 bis 90 GHz wird eine Kombination aus einem Hohlleiter-Abwärtsmischer, einem Signalanalysator und einem Oszilloskop verwendet. Der Eingang des Hohlleiter-Abwärtsmischers ist mit dem Ausgang des Millimeterwellen-Aufwärtsmischers verbunden. Ein Signalanalysator analysiert das Spektrum des ZF- Ausgangssignals des Abwärtsmischers. Der ZF-Hilfsausgang des Abwärtsmischers ist mit dem Oszilloskop verbunden. Dieses läuft unter der VSA-Software und führt eine Breitband-Demodulationsanalyse durch. Bei den extrem hohen Frequenzen und großen Bandbreiten, die hier im Spiel sind, können an zahlreichen Stellen der Signalkette lineare Amplituden- und Phasenfehler auftreten. Mögliche Fehlerquellen sind der AWG, der Vektorsignalgenerator, der Aufwärtsmischer, der Hohlleiter-Abwärtsmischer, Kabel/Steckverbinder und der Signalanalysator. Diese Fehler werden durch Anwendung vektorieller Korrekturwerte reduziert, die zuvor mit Hilfe des adaptiven Equalizers der VSA-Software ermittelt wurden. Der Equalizer synthetisiert einen vektoriellen Frequenzgang, der sowohl Amplituden- als auch Phasenfehler minimiert. Hierzu wird der Equalizer-Frequenzgang in die Systemdesign-Software eingelesen, die zur Erstellung des Testsignals verwendet wird, und das Signal entsprechend vorverzerrt (Bild 5). Bild 6 zeigt die Demodulationsanalyse eines vektoriell korrigierten 73-GHz-Signals mit 2 GHz Modulationsbandbreite. Bild 6: Demodulation eines 73-GHz-Signals mit 2 GHz Modulationsbandbreite Die Demodulation eines Signals mit einer Modulationsbandbreite von 2 GHz ist wegen Unzulänglichkeiten der zahlreichen Hardwarekomponenten ohne adaptiven Equalizer nicht gerade einfach. In diesem Beispiel wurden die linearen Amplituden- und Phasenfehler durch Vorverzerrung per Software korrigiert. Dadurch erhält man ein Signal mit einem kleinen EVM, ohne dass man für die Messungen einen (physischen) adaptiven Equalizer benötigt. Die Entwicklung der 5G-Technologie ist in vielfacher Hinsicht eine große Herausforderung. Um diese Herausforderungen meistern und schnell auf Richtungsänderungen in der Roadmap reagieren zu können, benötigen Forscher und Entwicklungsingenieure möglichst flexible Testlösungen. Die im vorliegenden Artikel vorgestellte Referenzlösung bietet die nötige Flexibilität, um potenzielle 5G-Signalformate unterschiedlichster Art zu erzeugen und zu analysieren. Zu dieser Flexibilität tragen sowohl die Softwarekomponenten als auch die Hardwarekomponenten bei, die von Hochfrequenz über Mikrowellen bis zu Millimeterwellen skalierbar sind und Modulationsbandbreiten bis 2 GHz unterstützen. Der Autor: Greg Jue Greg Jue arbeitet als Applikationsentwicklungsingenieur/ Wissenschaftler bei Keysight Technologies an 5G-Applikationen. Zuvor hat Greg in Keysights Aerospace/Defense Applications Team, High Performance Scopes Team und bei EEsof gearbeitet und sich auf Applikationen für WLAN ac, LTE, WiMAX, Aerospace/Defense und SDR spezialisiert. Greg hat den Abschnitt Design Simulation im LTE-Buch von Agilent Technologies verfasst und ist Autor zahlreicher Fachartikel, Präsentationen, Applikationsberichte und Weißbücher, darunter das Weißbuch Implementing a Flexible Testbed for 5G Waveform Generation and Analysis. Greg hat bei Agilent Technologies die Integration von Design/Simulations- und Testlösungen vorangebracht und zahlreiche Applikationsberichte über die Integration von Simulation und Test für aufkommende Technologien verfasst. Bevor er 1995 zu HP/Agilent kam, arbeitete er am Systemdesign für das Deep Space Network am Jet Propulsion Laboratory der Caltech University. 6 hf-praxis 11/2016