5G-mmWave-Messungen

Das 5G-Versprechen einlösen

19. Januar 2022, 8:00 Uhr | Autor: Dylan McGrath / Redaktion: Diana Künstler | Kommentar(e)
5G Chancen
© velivinki / 123rf

Frequenzen aus dem Millimeterwellenbereich bringen technische Herausforderungen mit sich. Diese wiederum erschweren die Durchführung genauer, wiederholbarer Messungen. Verschiedene Signalpfad-Einstellungen können dazu beitragen, die Messgenauigkeit mit einem Signalanalysator deutlich zu verbessern.

5G verspricht erhebliche Verbesserungen gegenüber früheren Generationen der drahtlosen Kommunikation, insbesondere in Bezug auf Geschwindigkeit, Latenz, Bandbreite und Qualität. Der größte Vorteil ergibt sich jedoch aus der Nutzung des 5G-Frequenzbereichs 2 (FR2), der im Millimeterwellenbereich (mmWave) liegt. Das mmWave-Spektrum ist für die Nutzung in der drahtlosen Kommunikation geeignet, weil diese Frequenzbänder relativ wenig genutzt werden. Somit steht viel Bandbreite zur Verfügung. mmWave-Übertragungen sind kleiner als andere drahtlose Kommunikationssignale, was sie ideal für Hochgeschwindigkeitsübertragungen in dichten städtischen Gebieten macht, wo viele Geräte in unmittelbarer Nähe betrieben werden.

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Blockschaltbild Signalanalysator
Das Blockschaltbild eines Signalanalysators
© Keysight Technologies

Die Vorteile von mmWave für die 5G-Kommunikation werden jedoch teilweise durch einige technische Herausforderungen aufgehoben. Zunächst einmal breitet sich mmWave nicht sehr weit aus – Millimeterwellen werden leicht von der Atmosphäre absorbiert und durchdringen keine Bäume, Gebäudewände und andere Infrastruktur. Die genaue Messung der Leistung von mmWave-Geräten mit Over-the-Air-(OTA-)Testgeräten und -Methoden ist ebenfalls schwierig. Die große Bandbreite von mmWave, eine attraktive Eigenschaft für die 5G-Kommunikation, verschlechtert auch das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), da sich die Energie des Signals über die gesamte Bandbreite verteilt. Schließlich werden bei mmWave Modulationsschemata höherer Ordnung verwendet, um die spektrale Effizienz zu verbessern, was wiederum Verbesserungen bei der EVM-Leistung (Error-Vector-Magnitude) erfordert. Wenn die Signalstärke abnimmt, wird das SNR auch durch das Rauschen des Testsystems, das zur Messung verwendet wird, reduziert. Die Ergebnisse werden beeinträchtigt. Daher haben Signalanalysatoren Modi für mehrere Arten von Testanwendungen, darunter Modi mit hoher und niedriger Leistung, Schmalband- und Breitbandsignalmodi, Spektrum- oder Vektormodi. Diese Vielseitigkeit bringt jedoch viele mögliche Komponenten in den Signalpfad ein, darunter rauscharme Verstärker (Low Noise Amplifier, LNA), Vorverstärker, Dämpfungsglieder, Preselektor-Filter und andere. Die Anwendung oder Einstellung einiger dieser Komponenten kann die Messgenauigkeit für verschiedene Testszenarien verbessern.

Pfadverlust reduzieren

Mikrowellen-Preselektor-Bypass.
Ein Mikrowellen-Preselektor-Bypass: Die Umgehung des Preselektors ermöglicht nicht nur eine Breitbandanalyse, sondern beseitigt auch die Amplitudendrift und die Durchlassbandwelligkeit des Preselektors, was die Gesamtgenauigkeit der Messung weiter verbessert.
© Keysight Technologies

Übermäßige Pfadverluste gehören zu den ärgerlichsten und am häufigsten genannten Herausforderungen bei der 5G-mmWave-Kommunikation. Pfadverluste zwischen dem Prüfling (DUT) und der Messausrüstung verringern das SNR, was es schwierig macht, genaue Messungen für Metriken wie EVM, Nachbarkanalleistung und Störaussendungen durchzuführen. Erschwerend kommt hinzu, dass die geringe Größe von Komponenten und Antennenanordnungen die Möglichkeit ausschließt, Sonden für leitungsgebundene Tests zu platzieren. Dadurch wird der Einsatz von OTA-Tests notwendig. Die OTA-Testanforderung in Kombination mit übermäßigen Signalpfadverlusten von mmWave-Übertragungen erfordert die Kon-trolle und Kalibrierung der Strahlungsumgebung um den Testaufbau.

Für den Ausgleich von Signalpfadverlusten wiederum bedarf es flexibler Signalanalysator-Hardware und -Software, die die Erstellung der passenden Lösung für ein bestimmtes Signal und eine bestimmte Messung ermöglichen. Zum Beispiel kann ein Signalanalysator eine Dämpfung bei höheren Leistungspegeln oder einen Vorverstärker bei niedrigeren Leistungspegeln anwenden, um eine Vielzahl von Eingangssignalen zu messen. Signalanalysatoren bieten mehrere HF-Signalpfade, um das Rauschen zu verringern, die Empfindlichkeit zu verbessern und den Signalpfadverlust zu reduzieren.

  • Messung von Signalen mit niedrigem Pegel (Standard-Signalpfad): Im Standardsignalpfad des Signalanalysators passiert das Eingangssignal das HF-Dämpfungsglied, den Vorverstärker und den Preselektor, bevor es den Mischer erreicht. Dieser Signalweg ist ideal für die Messung von Signalen mit niedrigem Pegel und einer Bandbreite von weniger als 45 MHz.
  • Analysieren von breitbandigen Vektorsignalen (Mikrowellen-Preselektor-Bypass-Pfad): mmWave-Breitbandsignale können besonders schwierig zu messen sein. Die Umgehung des Preselektors des Signalanalysators ist eine gute Option, wenn die HF-Analysebandbreite erhöht wird, um breitbandige Vektorsignale zu analysieren. Denn dadurch können breitbandige Signale ungehindert die HF-Kette durchlaufen. Die Umgehung des Preselektors ermöglicht nicht nur eine Breitbandanalyse, sondern beseitigt auch die Amplitudendrift und die Durchlassbandwelligkeit des Preselektors, was die Gesamtgenauigkeit der Messung weiter verbessert.
  • Verbesserung der Modulationsanalyse (rauscharmer Signalpfad): Der rauscharme Signalpfad eignet sich gut für die Durchführung von EVM-Messungen und anderen Messungen, die die Sendermodulationsqualität bei höheren Leistungspegeln prüfen. Da sich die Verstärkung des Verstärkers, die Frequenzgänge und die Einfügedämpfung bei höheren Frequenzen verstärken, bietet die Umgehung der verlustbehafteten Schalter im Vorverstärkerpfad und der Vorverstärker den optimalen HF-Signalpfad. Dieser Pfad reduziert die Pfadverluste und die von den Vorverstärkern und Schaltern verursachten Frequenzgänge und Störungen. Die Wahl dieses Signalpfads für breitbandige EVM-Messergebnisse bei höheren Frequenzen erhöht die Messempfindlichkeit und verbessert die Signaltreue.
  • Breitband-Modulationsanalyse (Voll-Bypass-Signalpfad): Ein Voll-Bypass-Signalpfad reduziert Pfadverluste, verbessert die Signaltreue und erhöht die Messempfindlichkeit. Er kann die Verluste bei mmWave-Frequenzen im Vergleich zum Standardsignalpfad um bis zu 10 dB reduzieren. Der Voll-Bypass-Signalpfad ist eine Kombination aus dem rauscharmen Signalpfad und dem Mikrowellen-Preselektor-Bypass-Pfad, wodurch mehrere Schalter im Niedrigband-Schaltkreis sowie der Mikrowellen-Preselektor vermieden werden. Während die Vorteile der Verwendung des Voll-Bypass-Pfades auf der Hand liegen, gehen damit auch einige Nachteile einher, einschließlich potenzieller In-Band-Abbildung und niedrigem SNR beim Testen von Signalen mit geringer Leistung. Die Eliminierung von Abbildungen im spezifischen Band durch Hinzufügen eines Bandpassfilters kann jedoch die EVM-Ergebnisse um 1 bis 2 dB verbessern. Ein externer Vorverstärker kann kann dazu beitragen, das SNR beim Testen von Signalen mit geringer Leistung zu optimieren.

  1. Das 5G-Versprechen einlösen
  2. Die richtige Balance finden

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