5G-Mobilfunk Analysen für den fixen Datenstrom

Der künftige Mobilfunkstandard 5G beinhaltet die Übertragung von Signalen im Mikrowellenfrequenzbereich bei 28 oder 39 GHz mit Bandbreiten von mehreren hundert MHz. Entwickler von Komponenten für 5G benötigen daher eine flexible Messlösung, um Signale bei diesen Frequenzen breitbandig analysieren zu können. Rohde & Schwarz beispielsweise bietet für diese Zwecke einen Spektrumanalysator mit 1,2 GHz interner Analysebandbreite an.

Darüber hinaus benötigen Entwickler für 5G-Komponenten Analyse-Software zur umfassenden Charakterisierung von Verstärkern und zur Analyse von mit dem OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) modulierten Signalen, wie sie im künftigen 5G-Standard erwartet werden. Da die Spezifikationen für die Modulation noch nicht feststehen, ist es wichtig, dass die Analyseparameter möglichst frei konfigurierbar sind.

Große Bandbreiten durch mehrere Träger

Während LTE-Advanced Pro (Long-
Term-Evolution) derzeit theoretische Datenraten von bis zu 1,7 GBit/s ermöglicht, soll 5G Spitzendatenraten von
20 GBit/s und durchschnittliche Benutzerdatenraten von Hunderten von MBit/s realisieren. Voraussetzung hierfür ist, dass größere Bandbreiten genutzt werden. Derzeit sind Bandbreiten bis zu 1 GHz in der Diskussion. Doch derartig große Bandbreiten sind in dem für Mobilfunk aktuell genutzten Frequenzbereich von 450 MHz bis 6 GHz nicht verfügbar. Sie stehen nur im Frequenzspektrum von Zentimeter- und Millimeterwellen zur Verfügung. Mögliche Frequenzbänder für 5G sind im Bereich von 24,25 GHz bis 86 GHz, aktuell liegt der Fokus insbesondere auf den Bändern bei 28 GHz und 39 GHz. Die Bandbreite kann durch die Bündelung mehrerer Träger bis zu viele Hundert MHz betragen, zum Beispiel 800 MHz bei acht Trägern mit je 100 MHz.

Um Komponenten zu charakterisieren, die Signale mit dieser Bandbreite erzeugen, bietet Rohde & Schwarz nun für seinen High-End-Signal- und Spektrum-Analysator FSW die Hardware-Option FSW-B1200 an. Sie wurde auf dem Mobile World Congress Ende Februar in Barcelona erstmals vorgestellt und stellt eine interne Analysebandbreite von
1,2 GHz zur Verfügung. Für den Mess-
aufbau bietet sich außerdem der Vektorsignalgenerator SMW200A an. Er unterstützt die Signalerzeugung bis 40 GHz mit Bandbreiten von bis zu 2 GHz. So erzielt diese Lösung branchenführende Performance und Bandbreite und ist dabei einfach zu bedienen.

Entscheidend bei diesen breitbandigen Messungen ist, dass das Messgerät das Eingangssignal bei hoher Dynamik möglichst wenig verzerrt. Der FSW erreicht einen störungsfreien Dynamikbereich (SFDR-Wert, Spurious-Free Dynamic Range) von 65 dB_c bei 1,2 GHz Bandbreite. Der Index c steht dabei für den verwendeten Bewertungsfilter. So kann der Analysator die Modulationsqualität von Signalen genau ermitteln. Ein aussagekräftiger Parameter für die Modulationsqualität ist zum Beispiel der Fehlervektorbetrag (Error Vector Magnitude, EVM). Der EVM-Beitrag des Messgeräts selbst muss möglichst gering sein, um auch Signale mit sehr gutem EVM sicher messen zu können. Mit der FSW-B1200 und der FS-K96PC OFDM-Analysesoftware können zum Beispiel EVM-Werte von -40 dB bei
800 MHz breiten Signalen im 28 GHz Bereich gemessen werden. Dabei ermöglicht die Analysesoftware von Rohde & Schwarz Modulationsmessungen an allgemeinen OFDM-Signalen. Die Software bietet einen hohen Freiheitsgrad bei der Wahl von Messparametern. Da die Spezifikation der OFDM-Signale im zukünftigen 5G-Mobilfunkstandard noch nicht abgeschlossen ist, ist diese Flexibilität von großem Vorteil.

Der FSW bietet darüber hinaus passende Mess-Applikationen für Komponententests. Die Firmware-Option FSW-K18 etwa ermöglicht, Verstärker umfassend zu charakterisieren. Die Erweiterung FSW-K18D für direkte DPD-Messungen (Digital Predistortion: digitale Vorverzerrung) vereinfacht darüber hinaus die Kompensation von Memoryeffekten.

Nichtlineare Effekte digital ausgleichen

Leistungsverstärker, die in Basisstationen oder Smartphones eingebaut werden, müssen für gute Sende- und Empfangseigenschaften ein lineares Verhalten über einen breiten Frequenzbereich aufweisen. Im oberen Leistungsbereich treten aber in der Regel unerwünschte, nichtlineare Effekte auf. Solche Effekte führen zu einer schlechteren Signalqualität, die sich in einem höheren EVM-Wert und einer erhöhten Aussendung in die Nachbarkanäle zeigt. Damit sind nur noch geringere Modulationsordnungen und somit geringere Datenraten möglich. Zudem stört dieses Übersprechen natürlich die Signale der Nachbarkanäle. Sind diese Effekte jedoch charakterisiert, können sie digital ausgeglichen werden. Dabei wird das Signal vor dem Verstärker digital entgegengesetzt der Verzerrung des Verstärkers vorverzerrt. So hebt die Vorverzerrung die Effekte, die der Verstärker selbst verursacht, zum großen Teil auf, und der Entwickler erhält ein nahezu lineares Signal am Ausgang des Verstärkers oder Mischers.

Die Messanwendung FSW-K18 für Verstärkermessungen enthält eine Funktion zur digitalen Vorverzerrung. Damit können Verzerrungen, die durch nichtlineare Ausgangsamplituden oder Phasenänderungen gegenüber dem Eingangspegel (AM/AM und AM/PM) gekennzeichnet sind, umfänglich charakterisiert werden. Auch die Wirkung einer Vorverzerrung lässt sich überprüfen. Die Messanwendung vergleicht zunächst die aufgenommenen und verzerrten Messdaten mit dem idealen Referenzsignal, das der SMW200A-Signalgenerator erzeugt. Mit diesen Daten erstellt sie eine Polynomfunktion, die die Verzerrungen näherungsweise beschreibt, und überträgt entsprechende Korrekturdaten auf den Signalgenerator. Dieser erzeugt das vorverzerrte Signal. Bei diesem Verfahren werden typischerweise Analysebandbreiten von der drei- bis fünffachen Signalbandbreite eingesetzt.

Neben nichtlinearen Effekten führen Memoryeffekte im Verstärker zu einem Frequenzgang, also einer Verzerrung von Amplitude oder Phase über der Frequenz. Bisher war die Korrektur solcher Memoryeffekte sehr komplex und musste mathematisch aufwändig zum Beispiel mit Volterramodellen beschrieben werden. Mit der Erweiterung
FSW-K18D für direkte DPD-Messungen wird die Kompensation von Memoryeffekten stark vereinfacht. Für jedes beliebige Signal berechnet die Software den Frequenzgang und sogar den EVM-Wert, der die Signalqualität beschreibt. Statt einer Näherung über Polynome nutzt sie iterative Näherungen über die einzelnen Abtastwerte. Das vom Generator abgespielte und vom Prüfling verzerrte Signal wird vermessen und die Vorverzerrung angepasst. Nach mehreren Schritten erzeugt der Signalgenerator ein optimal vorverzerrtes Signal. Damit kompensiert die Option für eine vorgegebene Signalsequenz den Frequenzgang und nichtlineare Verzerrungen. Das Ergebnis dient als bestmögliche Referenz für vom Nutzer eingesetzte Entzerralgorithmen. Mit der nun im FSW verfügbaren Analysebandbreite von 1,2 GHz können damit Verstärker bis etwa 1 GHz Bandbreite charakterisiert werden.

Geräte für Messungen in 5G-Frequenzbändern

Die neue Option FSW-B1200 für eine interne Analysebandbreite von
1,2 GHz bietet Rohde & Schwarz für seine High-End-Signal- und Spektrumanalysatoren FSW43 und FSW50 an. Sie ist im gesamten Frequenzbereich des jeweiligen Geräts nutzbar, also in Frequenzbereichen bis 43,5 GHz beziehungsweise 50 GHz. Damit eignen sich diese Geräte für Messungen in den für 5G relevanten Frequenzbändern. Sollten höhere Analysebandbreiten über 1,2 GHz notwendig sein, steht die Option FSW-B2000 mit
2 GHz zur Verfügung. Diese kann ab
5,5 GHz Mittenfrequenz eingesetzt werden und nutzt ein RTO-Oszilloskop als externen Analog-Digital-Wandler.