NEUES 210/14 Am 28. Februar 1949 wurde der erste UKW- Sender Europas eingeschaltet gebaut von Rohde & Schwarz. Sein jüngster Nachkomme gibt der bewährten Technik neuen Schwung. 65 Jahre UKW- Rund funk in Europa Wireless-Technologien Mobilfunknetze optimieren mit Hochleistungs-Scannern im Miniaturformat Allgemeine Messtechnik Schaltmatrizen für Netzwerkanalysatoren zur Messung an Prüfobjekten mit bis zu 48 Toren Rundfunk- und Audio /Video-Technik Effizientere TV-Studioproduktion: von Ingest über Studio-Playout bis zur Content-Verteilung
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Titelthema Am 28. Februar vor 65 Jahren wurde ein Stück Technikgeschichte geschrieben: In München nahm der erste UKW- FM-Sender Europas den Betrieb auf, in Rekordzeit entwickelt und gebaut von Rohde & Schwarz. Die Pioniertat überzeugte nicht nur die deutschen Radiohörer von der überlegenen Qualität des FM-Radios, sondern bald auch das internationale Publikum, sodass die FM- Technik ihren rasanten Siegeszug um die Welt begann. Und mit ihr immer wieder neue Sendergenerationen von Rohde & Schwarz. In diesem Heft stellen wir die Kulmination dieser Entwicklung vor. Mit den neuen VHF-Band II-FM-Sendern R&S THR9 tritt die Analogtechnik zu einem überzeugenden Finale an (ab Seite 40). Doch auch im benachbarten VHF-Band III ist Fortentwicklung angesagt. Hier feiern Hörfunk und Fernsehen eine Renaissance, weil zunehmend andere Nutzungsarten wie der Mobilfunk den UHF-Bereich in Anspruch nehmen. In Gestalt der Mittel- bzw. Hochleistungssender R&S TMV9 und R&S THV9 steht Netzbetreibern jetzt auch in diesem Frequenzband der neueste Stand der Technik zur Verfügung (Seite 46).
Überblick NEUES 210/14 Wireless-Technologien Allgemeine Messtechnik Versorgungs-Messsysteme W Drive Test Scanner R&S TSME Ultrakompakter und leichter Scanner für die Netzoptimierung... 6 Tester W Wideband Radio Communication Tester R&S CMW500 mit Message Analyzer R&S CMWmars So einfach wie noch nie: die Analyse komplexer Mobilfunkprotokolle... 10 Messverfahren W Vektorsignalgenerator R&S SMW200A und Signal- und Spektrumanalysator R&S FSW Komplettlösung für effiziente Tests an Verstärkern mit Envelope Tracking... 14 Oszilloskope W Oszilloskop R&S RTO Jitter-Analyse... 18 Netzwerkanalyse W Netzwerkanalysator R&S ZNB Schaltmatrizen für die Netzwerkanalyse mit bis zu 48 Toren... 23 W Kalibriereinheiten R&S ZN-Z51 / R&S ZN-Z151 Automatische Kalibrierung in der Fertigung und im Labor... 26 Signalerzeugung und -analyse W Signal- und Spektrumanalysator R&S FSW Lückenlose Echtzeitanalyse von Frequenzwechseln... 28 Signalanalyse bis 67 GHz und mit Bandbreiten bis zu 500 MHz... 34 Mit neuen Schaltmatrizen stellt der Netzwerkanalysator R&S ZNB bis zu 48 Tore für Messungen bereit (Seite 23). Der Drive Test Scanner R&S TSME ist sehr klein und leicht, weshalb vier davon im Rucksacksystem Platz finden. Damit ist er unterwegs auch für Messungen in Systemen mit 4 4 MIMO einsetzbar (Seite 6). 4
EMV / Feldstärke Rundfunk- und Audio /Video-Technik Messempfänger W EMV-Messempfänger R&S ESR26 Mit 26,5 GHz nun in allen Standards zu Hause... 36 Sendesysteme Budget und Umwelt fest im Blick: Effiziente Sender weisen den Weg... 40 W Mittel- bzw. Hochleistungssender R&S TMV9 und R&S THV9 Neueste Sendetechnik für VHF-Band III... 46 W Flüssigkeitsgekühlte FM-Hochleistungssender R&S THR9 Weltmeister im Platzund Energiesparen... 42 W 1949 geht erster FM-Hörfunksender von Rohde & Schwarz in Betrieb... 43 28. Februar 1949: Der erste VHF-FM-Sender Europas nimmt den Betrieb auf. Geliefert hat ihn Rohde & Schwarz. Über die Jahrzehnte folgen viele weitere Generationen, für Hörfunk und TV. Die neuesten Sender werden ab Seite 40 vorgestellt. W Sender R&S Tx9 weltweit erfolgreich: Beispiel Spanien...47 Studiotechnik W Ingest and Production Server für Live-Studioumgebungen Effizientere TV-Studioproduktion... 49 Messtechnik W TV-Analysatoren R&S ETL, R&S ETC und R&S EFL340 TV-Analysatoren-Trio für alle Messungen in DVB-T2-Netzen... 52 W PC-Software R&S TSStream Streaming zahlreicher MPEG-2-Transportströme über IP-Schnittstelle... 54 Funküberwachung / -ortung Systeme W Spectral Shape Detector Spektrale Mustererkennung beschleunigt die Signalerfassung... 56 Weitere Rubriken Impressum...2 Kurznachrichten... 62 NEUES 210/14 5
Wireless-Technologien Versorgungs-Messsysteme BILD 1: Der Drive Test Scanner R&S TSME ist sehr klein und leicht, weshalb vier davon im Rucksacksystem R&S TSME-Z3 Platz finden. Damit ist er unterwegs auch für Messungen in Systemen mit 4 4 MIMO einsetzbar. 6
Agil unterwegs: Ultrakompakter und leichter Scanner für die Netzoptimierung Drive Test Scanner messen die Qualität von Funkkanälen in Mobilfunknetzen und sind unersetzlich für deren Planung, Aufbau und Optimierung. Mit dem R&S TSME steht jetzt ein außergewöhnlich kompakter und leichter Scanner zu Verfügung. Er führt Messungen nach allen relevanten Standards gleichzeitig durch und ist im kompakten Rucksacksystem ideal für den Einsatz in Gebäuden. Die App-Version dieses Artikels enthält zwei Videos. BILD 2: Die neueste Generation der Drive Test Scanner von Rohde & Schwarz ist noch kleiner geworden. Hier ein komplettes Messsystem mit dem R&S TSME und der Messsoftware R&S ROMES. Daueraufgabe Netzausbau und -optimierung Seit dem Einzug von Smartphones und Tablets in den Breiten markt nimmt die Nutzung mobiler Breitbanddatendienste rapide zu. Allein in 2012 ist das globale mobile Datenvolumen um 70 % angewachsen. Das Telekommunikationsunternehmen Cisco prognostiziert einen weiteren Anstieg um jährlich 66 % in den kommenden Jahren [1]. Die Netzbetreiber müssen darauf reagieren, indem sie die Netze weiter ausbauen und optimieren. Dabei setzen sie auf verschiedene Strategien: Belegung neuer Frequenzen Einsatz neuer Mobilfunkstandards und Techniken mit höherer spektraler Effizienz wie LTE, LTE-Advanced oder MIMO (Multiple Input Multiple Output) Umnutzung (Refarming) von Frequenzblöcken, bei der z. B. früher für GSM genutzte Blöcke im 900-MHz-Band für WCDMA / UMTS oder Blöcke im 1800-MHz-Band für LTE verwendet werden Einsatz kleinerer Zellen (Small Cells) Entlastung der Mobilfunknetze durch vermehrten Einsatz von WLAN NEUES 210/14 7
Wireless-Technologien Versorgungs-Messsysteme Beim Ausbau der Netzkapazität findet zunehmend Berücksichtigung, dass der Großteil des Datenvolumens in Gebäuden anfällt: in 2014 sollen es etwa 80 % des Datenverkehrs sein (Schätzung von Nokia Solutions and Networks [2]). Betreiber, Hersteller von Netzinfrastruktur und Dienstleister müssen die in den Netzen der Zukunft anfallenden Messaufgaben bewältigen, um die Netzqualität sicherzustellen. Der neue ultrakompakte und leichte Drive Test Scanner R&S TSME (BILD 2 und 3) von Rohde & Schwarz ist ideal dafür. Durch seine Messbandbreite von 350 MHz bis 4,4 GHz deckt er alle für Mobilfunkstandards spezifizierten Bänder ab. In jedem Band kann er gleichzeitig Signale beliebig kombinierter unterschiedlicher Mobilfunkstandards messen. In Europa beispielsweise die Kombination aus UMTS und GSM im 900-MHz-Band, LTE und GSM im 1800-MHz-Band sowie UMTS im 2100-MHz-Band und LTE im 2600-MHz-Band. Je nach Stand des Netzausbaus folgt er also flexibel der Netzkonfiguration. R&S TSME: vielseitig einsetzbar Versorgungsplanung bei der Umnutzung von Spektren Soll beispielsweise für ein Frequenzband, in dem bereits ein UMTS-Netz arbeitet, ein zusätzliches LTE-Netz geplant werden, so müssen die darin vorherrschenden Ausbreitungsbedingungen gemessen werden. Mit den gewonnenen Daten lässt sich das im LTE-Planungs-Tool verwendete Ausbreitungsmodell anpassen (sog. Model Tuning). Da das UMTS-Netz für diese Messungen nicht abgeschaltet werden kann, ist ein Scanner mit hohem Dynamikbereich erforderlich, der das Signal einer Funkzelle auch noch weit entfernt im Versorgungsbereich der Nachbarzelle erkennt. Mit Drive Test Scannern von Rohde & Schwarz sind solche Messungen problemlos durchführbar. Neuzuteilung von Spektren Durch das Abschalten analoger TV-Sender werden weltweit neue Frequenzbänder für den Mobilfunk verfügbar. Die Netzbetreiber müssen mit diesen Bändern erst Erfahrungen sammeln, um sie optimal nutzen zu können. So hat sich beispielsweise bei der Einführung von LTE im 800-MHz-Band gezeigt, dass sich dieses deutlich vom 900-MHz-Band unterscheidet: Durch die niedrigere Frequenz ist die Reichweite der LTE-800- Funkzellen deutlich größer, sodass zum Vermeiden von Interferenzen eine andere Planung als bei 900 MHz erforderlich ist. Interferenzen können auftreten, wenn zu viele Nachbarzellen übermäßig stark empfangen werden (auch bekannt als Pilot Pollution). Netzoptimierung durch Einsatz von LTE und MIMO Der Einsatz von LTE und MIMO erhöht die spektrale Effizienz eines Mobilfunknetzes. LTE basiert auf OFDM und ist damit flexibel in verschiedenen Bandbreiten einsetzbar. In einem 20-MHz- Kanal sind mit der Modulation 64QAM Datenraten bis zu 75 Mbit/s erreichbar. Mit MIMO lässt sich die Datenrate bei guten Kanalbedingungen verdoppeln, ohne die Bandbreite zu erhöhen. Dies setzt allerdings ein entsprechend optimiertes Netz voraus. Durch Drive Tests mit einem Scanner kann der Netzbetreiber feststellen, ob und wo es Probleme bei der Funkübertragung gibt. Dabei werden typischerweise auch Interferenzmessungen durchgeführt. Auch extern hervorgerufene Interferenzen, z. B. durch defekte Settop-Boxen, starke TV-Sender oder defekte Kabelfernsehleitungen, lassen sich per Scanner-Messungen aufspüren. Der Netzbetreiber oder die Regulierungsbehörde kann dann gegen die Störquelle BILD 3: Zwei R&S TSME (Ansicht der Rückseite) in der Konfiguration für 2 2 MIMO. 8
BILD 4: Das Rucksacksystem R&S TSME-Z3 bietet Platz für bis zu vier Scanner oder für zwei Scanner und zwei Mobiltelefone. vorgehen. Bei LTE MIMO sind zur Bewertung der Kanalqualität zusätzlich spezielle MIMO-Messungen erforderlich, auf deren Basis der Betreiber das Netz optimieren kann. Der R&S TSME ist für alle diese Aufgaben hervorragend vorbereitet. Für MIMO-Messungen werden sich bis zu vier Geräte zusammenschalten lassen. Der Scanner wächst so mit der Netzkonfiguration mit und ist in Systemen mit 2 2 MIMO oder 4 4 MIMO einsetzbar. Der Carrier-Aggregation-Modus von LTE-Advanced erlaubt es, die maximale Datenrate durch den Zusammenschluss mehrerer LTE-Zellen zu erhöhen. Diese Zellen liegen in der Regel in verschiedenen Frequenzbändern. Der R&S TSME sowie sein großer Bruder, der R&S TSMW, sind durch ihre Breitbandigkeit in der Lage, LTE-A-Netze mit Carrier Aggregation zu vermessen. Messungen in Gebäuden Das höchste Datenvolumen in Mobilfunknetzen tritt in Gebäuden auf. Hier ist die Teilnehmerdichte am größten und die Nutzung von Datendiensten am stärksten. Daher setzen Netzbetreiber in Flughäfen, Bahnhöfen und Bahnlinien, Veranstaltungsorten (Messen, Sportstadien), Einkaufszentren aber auch in Bürogebäuden dedizierte Infrastruktur wie Mikro- / Pico-Zellen sowie verteilte Antennensysteme (DAS Distributed Antenna Systems) ein. Betreiber ergänzen solche Kleinzellennetze (Small Cells) zunehmend mit WLAN-Hotspots, um Mobilfunknetze zu entlasten (auch bekannt als Wi-Fi Offloading). Für die Planung, Inbetriebnahme und Optimierung dieser Infrastruktur sind Scanner-Messungen erforderlich. Testsender helfen bei der Planung eines Gebäude netzes, die Signalausbreitung zu bestimmen. Nach dem Aufbau des Netzes wird die Versorgung mit Scanner-Messungen überprüft. Durch die hohe Zellendichte in Gebäuden treten verstärkt Interferenzen auf. Deshalb ist die Netzoptimierung bei Standards wie UMTS und besonders bei LTE unabdingbar, denn es ist in der Regel nicht möglich, einen speziellen Frequenzbereich für Mikro- und Pico- Zellen zu reservieren. Für all diese mobilen Messungen in Gebäuden ist der R&S TSME dank seines Gewichts von unter 700 g und seiner Leistungsaufnahme von maximal 15 W sehr gut einsetzbar. Das robuste Rucksacksystem R&S TSME-Z3 (BILD 1 und 4) bietet Platz für bis zu vier Scanner oder für zwei Scanner und zwei Mobiltelefone. Es ist mit zwei Akkus bestückbar, die unterbrechungsfrei während des Betriebs getauscht werden können. Das komplette Rucksacksystem ist im Betrieb extrem leise, eine wichtige Anforderung für Messungen im öffentlichen Raum. Fazit Mit dem ultrakompakten Drive Test Scanner R&S TSME sind Netzbetreiber bestens gerüstet, Messungen in allen Mobilfunkstandards und in heutigen sowie künftigen Bändern vorzunehmen. Durch Kaskadierung mehrerer Geräte sind auch MIMO-Messungen durchführbar. Und mit dem Rucksacksystem R&S TSME-Z3 steht effizienten Messungen dort nichts im Weg, wo es den meisten Datenverkehr gibt: in Gebäuden. Jordan Schilbach Literatur [1] http://www.cisco.com/web/solutions/sp/vni/vni_ forecast_highlights/index.html [2] http://nsn.com/portfolio/services/ network-implementation/in-building-solutions NEUES 210/14 9
Wireless-Technologien Tester So einfach wie noch nie: die Analyse komplexer Mobilfunkprotokolle GSM, WCDMA, LTE, WLAN, Bluetooth usw.: Moderne Smartphones beherrschen viele Funkstandards und kommunizieren oft über mehrere gleichzeitig. Dementsprechend komplex ist die Analyse der Nachrichtenprotokolle. Diese komplizierte Aufgabe erleichtert der neue Message Analyzer R&S CMWmars. Mit seinen leistungsfähigen Werkzeugen können Anwender Signalisierungsabläufe nachvollziehen und grafisch übersichtlich auswerten. R&S CMWmars der Allrounder für alle Mobilfunkstandards Der Wideband Radio Communication Tester R&S CMW500 kann die Signale praktisch aller derzeit gängigen Mobilfunkstandards generieren von GSM über WCDMA einschließlich TD-SCDMA und CDMA2000 bis hin zu LTE. Der Tester simuliert neben dem Radio Access Network (Layer 1 bis 3 im OSI- / ISO-Schichtenmodell, also die Luftschnittstelle) auch das Core Network des Netzbetreibers. So kann er das Endgerät auf allen Protokollschichten von der physikalischen Übertragungsschicht bis zu den IP-Anwendungen eingehend prüfen (BILD 1). Während der Tests zeichnet der R&S CMW500 alle Signalisierungsnachrichten chronologisch in Form eines sogenannten Message Logs auf und speichert es in einer Datenbank. Diese Message Logs sind seit Einführung des Mobilfunkstandards LTE immer komplizierter geworden, sodass sie Hunderttausende von Nachrichten beinhalten und Gigabyte-Größe erreichen können, beispielsweise bei Datendurchsatz-Messungen (IP End-to-End Throughput). Der Message Analyzer R&S CMWmars unterstützt den Anwender bei der Analyse derartig umfangreicher Message Logs in optimaler Weise. Seine komfortable und leicht zu bedienende grafische Oberfläche kombiniert eine Vielzahl von Analysewerkzeugen, mit denen man allen Arten von Signalisierungsproblemen rasch auf die Spur kommen kann. Er hat sich als unverzichtbares Werkzeug für Entwicklungsteams bei Chipsatz- und Mobiltelefonherstellern, für Interoperability- Tests bei Netzbetreibern und für Zertifizierungstests bei Testhäusern etabliert. BILD 1: Der Message Analyzer R&S CMWmars auf dem Wideband Radio Communication Tester R&S CMW500. 10
BILD 2: Verschiedene Ansichten innerhalb des Message Analyzers R&S CMWmars erleichtern das Aufspüren von Fehlern in Mobilfunksignalisierungsprozeduren. Einblick bekommen Überblick behalten Die Stärke von R&S CMWmars ist die Präsentation eines Message Logs in sogenannten Views, die dem Anwender die komplexen Protokollzusammenhänge aus mehreren Blickwinkeln grafisch veranschaulichen (BILD 2). Die Views lassen sich individuell anpassen, je nach der Art, wie die unterschiedlichen R&S CMW500-Applikationen, z. B. Protokolltests, Zertifizierungstests etc., die Logs aufzeichnen. Zunächst kann sich der Anwender rasch einen ersten Überblick über das Verhalten eines Endgeräts bei grundlegenden Protokolltests, wie der Registrierung, oder bei Inter-RAT-Prozeduren verschaffen (Pass / Fail View). Die Ansicht Message Sequence Chart visualisiert den Layer-3-Nachrichten ablauf zwischen dem Endgerät und den verschiedenen Mobilfunkzellen in Form eines sequenziellen Ablaufdiagramms (BILD 4). Die Parent / Children View illustriert den Weg einer Signalisierungsnachricht durch die verschiedenen Protokollschichten. Das Herzstück der Applikation ist die sogenannte Table View, in der alle aufgezeichneten Nachrichten nach Zeitstempel sortiert tabellarisch aufgelistet sind und nach bestimmten Kriterien durchsucht und gefiltert werden können. Alle Analyseansichten sind frei konfigurierbar und miteinander synchronisiert, sodass Anwender auch bei komplexen Nachrichtenprotokollen stets den Überblick behalten. Die wichtigsten Eigenschaften von R&S CMWmars Ein Protokoll-Analysetool für alle R&S CMW500-Applikationen In einem Message Log Zugriff auf alle Protokollschichten aller Mobilfunkstandards einschließlich des IP-Daten-Layers Verschiedene Ansichten für unterschiedliche Betrachtungswinkel von einfach bis detailliert Einfachstes Filtern durch optimierte Bedienoberfläche Vergleich von Nachrichtenelementen und -paketen innerhalb der Anwendung Pass / Fail View mit direkter Verknüpfung zur Fehlerquelle Einzigartige Timeline View ermöglicht grafische Analyse von Nachrichtenelementen Hervorheben von Nachrichtenelementen und Kommentaren mit Hilfe von Bookmarks Offline-Analyse nach Ablauf von Tests sowie gleichzeitiges Protokollieren innerhalb eines Testfalls möglich Scripting-Schnittstelle für automatische Auswertungen mit Hilfe vordefinierter C#- oder Python-Makros NEUES 210/14 11
Wireless-Technologien Tester BILD 3: Die Compare View für den direkten Vergleich einzelner Nachrichtenelemente und -pakete. Fehlern rasch auf der Spur Mit Netzsimulationen und vordefinierten Testfallszenarien auf dem R&S CMW500 lassen sich Fehler unterschiedlichster Natur in Mobilfunk-Signalisierungsprotokollen nachstellen. Es kann beispielsweise vorkommen, dass Nachrichtenelemente auf der Übertragungsstrecke verfälscht (Codier- / Decodier-Fehler) oder Nachrichtenpakete zu spät empfangen werden oder gar verloren gehen (Timeout-Fehler). R&S CMWmars versetzt Anwender in die Lage, diese meist schwer in Zusammenhang zu bringenden Protokoll-Fehler auf dem R&S CMW500 rasch und effizient aufzuspüren, ohne dabei den Überblick zu verlieren. R&S CMWmars decodiert sowohl die vom Tester gesendeten Downlink-Nachrichten als auch die vom Endgerät ausgestrahlten Uplink-Nachrichten (Tree View) und stellt diese bei Bedarf bis auf Bit-Ebene dar (Bit View). Nachrichteninhalte oder Unterelemente können miteinander verglichen werden, sodass Unterschiede zwischen Pass- / Fail-Tests schnell identifiziert sind (Compare View, BILD 3). Die Timeline View stellt beliebige frei wählbare Nachrichtenelemente grafisch über der Zeit dar. So sind zum Beispiel Messwerte aus dem Physical Layer und deren Trends auf einen Blick zu erkennen (BILD 5). Eine leistungsfähige Scripting-Schnittstelle für C# und Python gibt fortgeschrittenen Anwendern Zugriff auf die gesamte Message-Log-Datenbank im R&S CMW500, womit sie häufig wiederkehrende Analyseschritte effizient automatisieren und den Funktionsumfang der Applikation mit eigenen Auswerteroutinen erweitern können. 12
R&S CMWmars und R&S CMWcards ein perfektes Team Der Message Analyzer R&S CMWmars arbeitet optimal mit der Applikation R&S CMWcards* zur grafischen Programmierung von Signalisierungstests zusammen. Beide Applikationen laufen dabei innerhalb derselben Bedienoberfläche in verschiedenen Perspektiven. Der Anwender kann jederzeit zwischen der Entwicklungs-Perspektive in R&S CMWcards und der des Message Analyzers wechseln und das Verhalten eines Endgeräts sofort online während des Testlaufs oder offline nach Beendigung des Tests analysieren. In der Ansicht Message Sequence Chart wird zu jeder Signalisierungsnachricht die entsprechende R&S CMWcards-Spielkarte referenziert (BILD 4). Zudem kann aus einer Message-Log-Datei die komplette R&S CMWcards-Spielkartensequenz rekonstruiert werden, was die Fehlersuche in verteilten Entwicklungsteams und beim Kundensupport stark vereinfacht. Nicht nur R&S CMWcards-Anwendungen profitieren vom Message Analyzer R&S CMWmars. Bereits jetzt unterstützen alle weiteren Anwendungen auf dem R&S CMW500 das neue Analysetool, vom RF Tester (Call-Box) bis hin zum Inter-Operability Testing (IOT) und der Performance Quality Analysis (PQA) sowie die Systemapplikationen in den HF- Conformance-Testsystemen R&S TS8980. Fazit Der innovative Message Analyzer R&S CMWmars vereinfacht das Auswerten von Nachrichtenprotokollen innerhalb verschiedenster R&S CMW500-Applikationen. Die leichte Bedienbarkeit der leistungsfähigen Analysetools, die Übersichtlichkeit der einzelnen Views, die Möglichkeiten, bei Bedarf Nachrichtenelemente auch im Detail zu analysieren sowie den Funktionsumfang durch eigene Skripte zu erweitern, reduzieren die Zeit zur Fehlersuche in komplexen Mobilfunkprotokollen erheblich. * Spielend zu Mobilfunk-Signali sierungs tests mit R&S CMWcards! NEUES (2012) Nr. 207, S. 6 8. BILD 4: Das Message Sequence Chart verschafft einen kompakten Überblick über die Signalisierung zwischen Endgerät und Mobilfunknetz. R&S CMWmars kann auf dem Wideband Radio Communication Tester R&S CMW500 oder auf einem Windows -PC installiert werden und steht in drei Optionen zur Verfügung: R&S CMWmars Basic mit den grundlegenden Analysewerkzeugen, R&S CMWmars Advanced für den Protokollexperten und die Freeware R&S CMWmars Viewer zur einfachen Darstellung von R&S CMW500-Message-Logs. Thomas Moosburger; Manuel Galozy BILD 5: Die Timeline View stellt Nachrichtenelemente grafisch auf einer Zeitachse dar. NEUES 210/14 13
Wireless-Technologien Messverfahren Komplettlösung für effiziente Tests an Verstärkern mit Envelope Tracking Ein Großteil der Verstärkerleistung in Smartphones verpufft als Wärme. Die Envelope-Tracking-Technik macht Verstärker deutlich effizienter. Mit ihr folgt die Versorgungsspannung der Hüllkurve des HF-Signals. Mit dem Vektorsignalgenerator R&S SMW 200A und dem Signal- und Spektrumanalysator R&S FSW sind umfassende Tests an solchen Verstärkern durchführbar. Effizienzsteigerung mit Envelope Tracking Ladegerät anschließen!, diese Aufforderung auf dem Display von Smartphones kennen Anwender zur Genüge. Damit sie möglichst selten damit konfrontiert werden, arbeiten die Hersteller schon lange am Minimieren der Leistungsaufnahme. Einen wesentlichen Anteil am Energieverbrauch hat neben dem Prozessor und dem Display in der Regel der Verstärker im Sendepfad, weshalb in diesem Bereich intensiv geforscht wird. Eine signifikante Effizienzsteigerung von Verstärkern ist mit der Envelope-Tracking(ET)-Technik zu erreichen. Verstärker arbeiten typischerweise am effizientesten, wenn sie nahe ihrer maximalen Ausgangsleistung betrieben werden. Das macht man sich beim ET zunutze. Dabei wird der Verstärker statt mit einer konstanten Versorgungsspannung mit einer Spannung aus einem DC-Modulator versorgt, die der Hüllkurve des HF-Signals synchron folgt. Dadurch arbeitet der Verstärker die meiste Zeit im Bereich hoher Effizienz, d. h. nahe bei oder in der Sättigung (BILD 1). Zusätzliche Anforderung bei ET-Verstärkertests Beim Envelope Tracking kann der Verstärker nicht mehr isoliert betrachtet werden, vielmehr müssen seine Eigenschaften immer im Zusammenspiel mit dem DC-Modulator untersucht werden. Zunächst ist eine hochgenaue Synchronisation der modulierten Versorgungsspannung mit dem HF-Eingangssignal (P IN ) am Verstärker notwendig. Bei einem LTE-Signal (20 MHz Bandbreite) haben bereits Abweichungen im Nanosekundenbereich einen signifikanten Anstieg des Modulations-Fehlervektors (EVM) zur Folge. Anstelle einer strikt linearen Abbildung der Eingangsleistung auf die Versorgungsspannung lässt sich das Hüllkurvensignal mit Shaping-Funktionen hinsichtlich Effizienz oder Linearität optimieren. Die Linearitätsoptimierung bewirkt eine konstante Verstärkung über den gesamten Leistungsbereich des Verstärkers. Die Optimierung auf Effizienz ändert die Verstärkung über den Leistungsbereich (P IN ), da der Verstärker dabei immer in der Kompression und somit im nichtlinearen Bereich betrieben wird. Die entstehenden Verzerrungen am Verstärkerausgang werden oftmals per Vorverzerrung ausgeglichen. Vergleich konventionelles Setup mit der Envelope-Tracking-Technik Konventioneller Verstärker DC- Versorgung Konstante Als Wärme Versorgungsspannung abgegebene Energie Verstärker mit Envelope Tracking Modulierte Versorgungsspannung Hüllkurven- Detektor DC- Versorgung DC- Modulator Basisband I/Q P IN P OUT HF Verstärker HF-Signal Basisband I/Q Frequenzumsetzer Frequenzumsetzer P IN P OUT HF Verstärker HF-Signal BILD 1: Vergleich eines konventionellen Verstärkers mit einem Verstärker mit Envelope-Tracking-Technik. 14
Beim Charakterisieren eines Verstärkers ist es wichtig, zusätzlich zu den üblichen Messungen wie Ausgangsleistung, Nachbarkanalunterdrückung (ACLR) oder EVM auch den Leistungswirkungsgrad (Power-Added Efficiency, PAE) zu ermitteln. Er beschreibt, wie effizient ein Verstärker die zugeführte DC-Leistung in HF-Leistung umwandelt, entsprechend der Formel: HF-Leistung IN HF-Leistung OUT PAE (in %) = 100 % DC-Leistung Mit dieser Messung kann ein zeitlicher Verlauf der Effizienz ermittelt werden. Dafür ist die zeitsynchrone Aufzeichnung von Eingangs- und Ausgangsleistung sowie zusätzlich die Aufnahme der Strom- und Spannungskurve des DC-Modulators erforderlich. Signale aus einem Gerät kommen, muss sich der Anwender keinerlei Gedanken um die Synchronisation machen. Die Verzögerung zwischen den beiden Signalen kann im Bereich von ±500 ns mit der Auflösung von 1 ps in Echtzeit eingestellt werden. Somit ist eine perfekte Synchronisation zwischen modulierter Versorgungsspannung und HF-Signal zu erreichen. Die hervorragende Performance des Generators gewährleistet ein extrem rauscharmes Hüllkurvensignal am analogen I/Q-Ausgang. Eine Auswahl flexibler Shaping-Funktionen ermöglicht Anwendern, die Hüllkurve in Echtzeit zu optimieren (BILD 3). Außer einer Look-up-Tabelle (LUT) bietet der R&S SMW200A auch die Möglichkeit, Polynomfunktionen oder Detroughing zu verwenden. Dies gibt Nutzern die volle Flexibilität zum Optimieren des DC-Modulators und Verstärkers. Komplettlösung von Rohde & Schwarz Dem gestiegenen Testbedarf der Chipset-Hersteller zum Charakterisieren von Leistungsverstärkern, die mit Envelope Tracking arbeiten, begegnet Rohde & Schwarz mit einer maßgeschneiderten Komplettlösung. Sie deckt sowohl die Signalerzeugung als auch die -analyse ab und basiert auf den High- End-Geräten Vektorsignalgenerator R&S SMW200A und Signal- und Spektrumanalysator R&S FSW (BILD 2). HF- und Hüllkurven-Signal aus einem Gerät Die neue Option R&S SMW-K540 für den R&S SMW200A generiert auf einfache Weise zu einem HF-Signal das passende Hüllkurvensignal. Weil der Signalgenerator das Hüllkurvensignal in Echtzeit aus den Basisband-Signalen errechnet, können alle auf dem Generator verfügbaren Kommunikationsstandards wie beispielsweise LTE oder WLAN sowie kundenspezifische HF-Wellenformen verwendet werden. Da beide BILD 3: Shaping-Funktionen in der Option R&S SMW-K540. Messaufbau für Envelope Tracking SMW 200A FSW HF Verstärker HF Analog I/Q Out Hüllkurve DC- Modulator Spannungs- / Leistungsmessköpfe BILD 2: Kompletter Messaufbau für Envelope Tracking mit dem Vektorsignalgenerator R&S SMW200A und dem Signal- und Spektrumanalysator R&S FSW. NEUES 210/14 15
Wireless-Technologien Messverfahren Alle Verstärker werden über einen bestimmten Leistungsbereich getestet. Der Betriebsmodus Auto Envelope Voltage Adaptation beschleunigt hier die Setup- und Testzeit. Der Anwender kann wichtige Parameter wie beispielsweise Eingangsleistung (P in ), Versorgungsspannung (V cc ) oder Verstärkung des DC-Modulators (Gain) in einer übersichtlichen Bedienoberfläche eingeben (BILD 4). Basierend auf diesen Werten erfolgt dann bei Power Sweeps eine automatische Neuberechnung der Hüllkurve in Echtzeit und ermöglicht somit Tests über den gesamten Leistungsbereich des Verstärkers. Diese einzigartige Funktionalität reduziert die Testzeit im Vergleich zur manuellen Neukalkulation der Hüllkurve bei unterschiedlichen Leistungswerten erheblich. Digitale Vorverzerrung in Echtzeit Da Verstärker bei Anwendung der Envelope-Tracking-Technik meist in der Sättigung, also im nichtlinearen Bereich betrieben werden, hat dies Verzerrungen am Ausgang zur Folge. Um dieser Verschlechterung der HF-Performance entgegenzuwirken, wird oftmals mittels Vorverzerrung gegengesteuert. Die neue Option Digital Predistortion R&S SMW-K541 (BILD 5) ermöglicht das Laden einer AM/AM- und AM/PM- Tabelle mit den dafür erforderlichen Korrekturwerten. Diese Delta-Werte werden in Echtzeit mit dem Basisbandsignal verrechnet. In Verbindung mit Envelope Tracking lässt sich die Konfiguration so einstellen, dass die Vorverzerrung nur auf das HF-Signal angewandt oder auch das Envelope-Signal mit einbezogen wird. Die Option bietet die Möglichkeit, eigene Vorverzerrungstabellen zu laden. Die Verzerrung lässt sich aber auch mittels der FSW Amplifier Characterization Software bestimmen. Die zugehörigen Koeffizienten für die Vorverzerrung werden automatisch an den R&S SMW200A übertragen. BILD 4: Bedienoberfläche der Option R&S SMW-K540 zur detaillierten Eingabe aller wichtigen Parameter. Synchrone Analyse von Hüllkurve und HF-Signal Um den Signal- und Spektrumanalysator R&S FSW für Envelope-Tracking-Messungen einzurichten, ist die Hardware-Option R&S FSW-B71 erforderlich, die das Gerät um analoge I/Q-Basisbandeingänge von je 40 MHz Bandbreite erweitert (für eine Bandbreite von 80 MHz ist zusätzlich die Option R&S FSW-B71E erforderlich). Einer der Eingänge wird mit dem Modulator-Ausgangssignal gespeist (BILD 2). Gleichzeitig nimmt der R&S FSW über seinen HF-Eingang das Verstärkerausgangssignal entgegen. Beide Signale können nun zeitrichtig aufeinander bezogen, dargestellt und analysiert werden. Das normalerweise für diese Messung nötige Oszilloskop kann entfallen. BILD 5: Bedienoberfläche der Option R&S SMW-K541 für die digitale Vorverzerrung. Wird zwischen DC-Modulator und Leistungsverstärker ein kleiner Widerstand eingefügt, lässt sich der augenblickliche Leistungswirkungsgrad berechnen. Zum Charakterisieren eines Leistungsverstärkers gehört typischerweise auch die Messung von EVM und ACLR. Für beides ist der R&S FSW dank seiner überragenden Performance prädestiniert. So beträgt etwa seine Rest-EVM für ein 10 MHz breites LTE-Signal lediglich 48 db und die ACLR-Dynamik für WCDMA-Signale 88 db. Der Einfluss des Messgerätes auf das Ergebnis ist damit vernachlässigbar. Eine kritische Messung an Leistungsverstärkern, die mit Envelope Tracking betrieben werden, ist die Ermittlung des Rauschens im Ausgangssignal. Sie setzt einen Spektrumanalysator mit sehr hoher Dynamik voraus. Der R&S FSW mit seinem extrem niedrigen Eigenrauschen von typ. 159 dbm (1 Hz) bei 16
BILD 6: Messung der AM/AM- und AM/PM- Konversion sowie von EVM, Spitzenund Effektivleistung eines LTE-UL-Signals mit der Software FSW Amplifier Characterization. 2 GHz schon ohne Vorverstärker (mit Vorverstärker noch um bis zu 13 db besser) eignet sich wie kein anderes Gerät für diese Messung. Dank der effizienten Signalverarbeitung im R&S FSW laufen standardkonforme Messungen mit höchster Geschwindigkeit ab. So wird ein 20-MHz-LTE-Uplink-Signal in weniger als 50 ms charakterisiert. Alle Messungen unter einer Bedienoberfläche Besonders komfortabel gestaltet sich die Messung von ET-betriebenen Verstärkern, wenn das Setup von der FSW Amplifier Characterization Software für Windows kontrolliert wird. Sie steuert sowohl den R&S SMW200A als auch den R&S FSW einschließlich deren ET-relevante Funktionen, automatisiert die Berechnung der AM/AM- und AM/PM-Konversion des Messobjekts und überträgt sie an den Generator, der die Information für eine digitale Echtzeit-Vorverzerrung (DPD) nutzen kann. Da die Software jederzeit das Ausgangssignal des Generators kennt, kann sie parallel zur AM/AM- bzw. AM/PM- Konversion und weiteren Analysen EVM-Berechnungen wesentlich schneller durchführen, als wenn das Signal unbekannt wäre (BILD 6). Fazit Der einfache Messaufbau aus nur zwei Geräten ermöglicht den schnellen Einstieg ohne zusätzlichen Kalibrieraufwand. Das Generieren der Hüllkurve in Echtzeit und die maßgeschneiderte Analysesoftware reduzieren die Testzeit deutlich. Der Vektorsignalgenerator R&S SMW200A bietet mit den Optionen Envelope Tracking R&S SMW-K540 und Digital Predistortion R&S SMW-K541 zusammen mit dem Signalund Spektrumanalysator R&S FSW mit synchronen HF- und Basisband-Eingängen eine auf dem Markt einzigartige Lösung für effiziente Tests an Verstärkern mit Envelope Tracking. Matthias Weilhammer; Johan Nilsson NEUES 210/14 17
Allgemeine Messtechnik Oszilloskope Jitter-Analyse mit dem Oszilloskop R&S RTO Jitter kann digitale Systeme erheblich beeinträchtigen und muss deshalb einer detaillierten Analyse und Charakterisierung unterzogen werden. Das Oszilloskop R&S RTO, zusammen mit der Option Jitter-Analyse R&S RTO-K12, ist dafür ein komfortables Werkzeug. 18
Jitter Analysemöglichkeiten im Zeit- und im Frequenzbereich Jitter ist ein Phänomen, das in digitalen Schaltungen auftritt. Charakteristisch für digitale Systeme sind beispielsweise Jitter-behaftete Taktsignale. Obwohl digitale Signale im Allgemeinen robuster und weniger störanfällig sind als analoge, ist der Trend zu höheren Datenraten eine Herausforderung für die Signalintegrität. Das zeigt sich beispielsweise bei Leiterplatten: Aus Kostengründen wird häufig die bewährte Aufbauweise elektronischer Schaltkreise auf FR4-Leiterplatten beibehalten. Ihr Material, die Stecker und die Durchkontaktierungen beeinträchtigen jedoch die Übertragungseigenschaften. Dieser Einfluss ist bei Datenraten über 1 Gbit/s nicht mehr vernachlässigbar. Mit einer detaillierten Signalanalyse lassen sich gegebenenfalls Probleme schnell und effizient identifizieren. Auch bei vielen Schnittstellenprotokollen wurden über mehrere Generationen immer höhere Datenraten implementiert, beispielsweise bei PCIe, SATA, USB und DDR. Die Jitter-Analyse an solchen Signalen ist dabei nicht nur auf Datensignale begrenzt, sondern schließt auch die eingebetteten Takt- oder Referenztaktsignale ein. Die Jitter-Analyse kann im Zeit- wie auch im Frequenzbereich durchgeführt werden. Für beide Bereiche bietet Rohde & Schwarz passende Lösungen: mit den Oszilloskopen R&S RTO und mit Phasenrauschmessplätzen wie dem R&S FSUP. Oszilloskope messen konzeptionell im Zeitbereich und werden bevorzugt für die Jitter-Analyse an Schaltungen eingesetzt, deren Entwurf und funktionaler Test ebenfalls im Zeitbereich stattfindet. Phasenrauschmessplätze dagegen werden z. B. zum Charakterisieren von Oszillatoren im Frequenzbereich verwendet. Ein Vergleich der beiden Verfahren (BILD 1) zeigt für die Messungen im Frequenzbereich typischerweise eine größere Genauigkeit aufgrund höherer Messdynamik und längerer Messintervalle. Demgegenüber bieten Messungen im Zeitbereich den Vorteil, dass sich damit sporadische Störsignale darstellen und analysieren lassen. Weiterhin können nichtperiodische Signale, zum Beispiel Datensignale mit eingebettetem Takt, untersucht werden. Intrinsische Messungen Vorteile Jitter-Quellen Zeitbereich Peak-Peak Jitter, Cycle-Cycle Jitter, Periodic Jitter Niedrige Taktraten und datenabhängiger Jitter messbar; Messung des Jitters über der Zeit (Track) Total Jitter (TJ) Frequenzbereich RMS Phase Jitter, Phasenrauschen, Spektrogramm Einfache Detektion von Nebenschwingungen und zufälligem Jitter; typischer Weise niedrigeres Grundrauschen dank höherer Messdynamik BILD 1: Vergleich der Jitter-Analyse im Zeit- und im Frequenzbereich. detaillierte Jitter-Analyse sind Kenntnisse über die Ursachen und Quellen der einzelnen Komponenten essenziell. Denn im Histogramm, der grafischen Darstellung der Häufigkeitsverteilung (BILD 3), bekommt der Anwender nur den Gesamt- Jitter dargestellt. Diese Darstellung setzt sich zusammen aus der Faltung aller Wahrscheinlichkeitsdichte funktionen der einzelnen Jitter-Quellen. Zufälliger Jitter ist in seinem Wertebereich unbeschränkt. Er wird durch statistische Größen wie Mittelwert µ und die Standardabweichung σ beschrieben und zeigt die bekannte, gaußförmige Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion. Hervorgerufen durch thermisches Rauschen, Schrotrauschen und ähnliche Effekte, kann zufälliger Jitter als Phasenrauschen oszillierender Signale beschrieben werden. Im Gegensatz dazu steht der deterministische Jitter, der einen eingeschränkten Wertebereich hat und nicht durch Phasenrauschen beschrieben werden kann. Diese Jitter-Komponenten werden häufig durch Spitzenwertangaben charakterisiert. Zu den deterministischen Jitter-Komponenten gehören periodischer Jitter (PJ), datenabhängiger Jitter (DDJ) und Duty-Cycle-Verzerrungen (DCD). Jitter Definition und Komponenten Die International Telecommunication Union (ITU) definiert Jitter als die kurzzeitigen Schwankungen der signifikanten Zeitpunkte eines Taktsignals, abweichend von ihren idealen zeitlichen Positionen. Jitter ist keine monokausale Störung. Der Gesamt-Jitter (Total Jitter TJ) lässt sich vielmehr in verschiedene Komponenten aufteilen (BILD 2). Eine Kategorie umfasst zufälligen Jitter (Random Jitter RJ), eine andere deterministische Jitter-Komponenten (Deterministic Jitter DJ). Für die Deterministic Jitter (DJ) (begrenzt) Duty-Cycle Distortion (DCD) Data-Dependant Jitter (DDJ) Random Jitter (RJ) (unbegrenzt) Periodic Jitter (PJ) BILD 2: Jitter-Quellen und entsprechende Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion im Histogramm. NEUES 210/14 19
Allgemeine Messtechnik Oszilloskope BILD 3: Jitter- Analyse an Messkurven mittels Histogramm und Persistenzeinstellung. BILD 4: Messung von periodischem Jitter: Zeitfunktion (Track), Spektrum, Histogramm und statistische Analyse. 20