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Aktuelle Test- und Messtechnik-News

Hintergrund: Leitfaden zum Testen von mmWave-Equipment

Die Marketingabteilungen der 5G-Mobilfunkbetreiber arbeiten bereits unter Hochdruck daran, neue Kunden zu gewinnen. Die Kundenbindung ist eine wichtige Kennzahl für Betreiber. Dabei ist die Umstellung der Kunden auf den neuen Standard und der Vertrieb deutlich höherer Netzwerkgeschwindigkeiten eine entscheidende Voraussetzung, um die bereits getätigten Infrastrukturinvestitionen wieder hereinzuholen. Für die Kundenakzeptanz ist eine pünktliche Bereitstellung im gesamten Ökosystem erforderlich, vom Handset bis zur Basisstation. Die praktische Umsetzung von 5G ist jedoch der harten Arbeit der globalen Entwicklungsteams, Standardisierungsgremien und Infrastrukturhersteller zu verdanken, die sich seit vielen Jahren damit beschäftigen.

Die Hochfrequenztechnik galt schon immer als besondere Fachkompetenz, bei der mit einer Technologie gearbeitet wird, die nicht immer erwartungsgemäß funktioniert. Diese Herausforderung wächst noch weiter mit dem Aufkommen von 5G und der entsprechenden Systemarchitektur. Das Erreichen der von den 3GPP-Standardisierungsgremien vorgeschriebenen Datenraten erforderte einen evolutionären Ansatz und keine iterativen Verbesserungen der vorhandenen Infrastruktur.

Beispielsweise werden mit 5G die Millimeterwellenfrequenzen von 24 bis 40 GHz eingeführt, neben den Herausforderungen rund um die spektrale Koexistenz mit Multifunkzugangstechnologien sowohl im lizenzierten als auch im nicht lizenzierten Sub-6-GHz-Frequenzbereich. Unabhängig davon, ob Sie ein neues 5G-Smartphone, Festnetz-Gateways oder Infrastrukturgeräte entwickeln, ist die Implementierung eines robusten Testprogramms in allen Phasen der Produktentwicklung bis hin zu den abschließenden Produktionstests wichtig.

Aus technischer Sicht ist die Prüfung auf Einhaltung der Spezifikationen von Betreiber und 3GPP-Gremium unerlässlich. Diese Prüfung umfasst verschiedene Parameter wie Modulationsqualität, Linearität der RF-Verstärker, Signal-Rausch-Verhältnis für Empfänger und Leistungsgrad für Sender. Die Verwendung von Sende- und -Empfangsfunktionen für Millimeterwellen hat eine Reihe neuer Komponenten und Herausforderungen beim Halbleiterdesign hervorgebracht. Daneben unterliegt die Kommunikation Ausbreitungs- und Signalpfadfaktoren, die mit aktuellen Sub-6-GHz-Mobilfunktechnologien nicht auftreten.

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Abbildung 1: Mögliche Einfügepunkte für das Testen neuer 5G-Architekturkomponenten (Quelle: NI)

Abbildung 1 zeigt nur einige der potenziellen Testpunkte bei der Planung eines Testprogramms für 5G-Geräte. Basisband-Transceiver arbeiten mit quadraturmodulierten IQ-Signalverläufen, für welche Linearität, IQ-Signalkalibrierung und -Signalaufbereitung in Zwischenfrequenzen wichtige Testpunkte sind. Ingenieure müssen Zugang zu hochlinearen Testgeräten, zur Erzeugung von 5G-Signalverläufen und zu Testgeräten haben, die IQ-Signalverläufe mit hoher Bandbreite unterstützen. Ebenso müssen die RF-Transceiver, die eine Auf- und Abwärtswandlung zu Millimeterwellen von Zwischenfrequenzen ermöglichen, strengen Tests unterzogen werden. Signalintegrität, Verstärkereffizienz, Ausgangsleistung und die Beseitigung von unerwünschten Harmonischen und Phasenrauschartefakten sind allesamt Kandidaten für Testmetriken.

Abgesehen vom Betrieb in verschiedenen Frequenzen haben die oben genannten Aspekte der Signalkette viel mit herkömmlichen 4G-Geräten gemeinsam. 5G-Funktionen setzen jedoch den Einsatz von Beamformern und Front-End-Modulen (FEMs) voraus.

Beamforming ist bei Millimeterwellenfrequenzen aufgrund höherer Ausbreitungsverluste kritischer. Der Vorteil dieser Frequenzen besteht jedoch darin, dass die Antennenelementgrößen viel geringer sind. So kann eine große Anzahl von Elementen auf relativ kleinem Raum zusammengestellt werden, was das Beamforming zu einer praktikablen Option für erhöhte Antennenverstärkung macht. Durch die Verwendung eines hybriden Ansatzes mit analogen Phasenschiebern und digitalen Schaltkreisen können Infrastrukturgeräte das Signal zu den vorgesehenen Empfängern leiten. Das führt zu einer höheren Empfangssignalstärke, die den Betriebsbereich vergrößert, und zu einer verringerten Bitfehlerrate.

Die Herausforderung bei der Messung besteht darin, wie diese neuen IC-basierten Beamforming-Komponenten und FEMs charakterisiert und optimal eingesetzt werden. Bei Frequenzumsetzern, Filtern, Leistungsverstärkern und rauscharmen Verstärkern muss unbedingt Linearität mit hoher Bandbreite erreicht und gleichzeitig Energieeffizienz aufrechterhalten werden. Die digitale Vorverzerrung wird in der Regel zur Unterstützung der Übertragungslinearisierung verwendet. Dazu muss die Testausrüstung jedoch Signale erzeugen und messen, die bis zu bis fünfmal so hoch wie die gewünschte Bandbreite sein müssen, also erheblich mehr als bei 4G-Testsystemen.

Die Reziprozität der Sende- und Empfangspfade muss ebenfalls untersucht werden. Zum Beispiel führen die Leistungsverstärker Amplituden- und Phasenverschiebungen ein, wenn sie in die Kompression getrieben werden. Außerdem können die Toleranzen von RF-Komponenten wie variablen Dämpfungsgliedern, Verstärkern mit variablem Gain und Phasenschiebern ungleiche Phasenverschiebungen zwischen Kanälen erzeugen, was möglicherweise die Phasenkohärenz des FEM beeinflusst.

Beamforming-Testsysteme für 5G müssen ein breites Spektrum abdecken und in der Lage sein, das maximale lineare Ausgangs- und Kompressionsverhalten von jedem Pfad zu testen. Eine schnelle, bidirektionale Multiport-Switching-Testlösung ist eine Grundvoraussetzung für jede Entwicklungs- und -Produktionstestumgebung für 5G.


Over-the-Air(OTA)-Tests sind die ideale Methode zur Messung der tatsächlichen Leistung und Charakterisierung des Beamformers und der FEMs. Mit solchen Tests lässt sich bestimmen, wie gut der Prüfling (Device Under Test, DUT) seine Ausgangsleistung in bestimmte Richtungen bündeln kann und wie gut ein Strahl gebildet wird. Dafür wird mit einem räumlichen Scan eine der orthogonalen Koordinaten von 0 bis 360 Grad und die andere von 0 bis 180 Grad abgetastet.

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Abbildung 2: Diagramm der OTA-mmWave-Referenzlösung von NI (Quelle: NI)

Ein Beispiel für einen OTA-Messaufbau ist die OTA-mmWave-Referenzlösung von NI, siehe Abbildung 2. Sie umfasst einen mmWave-Vektorsignal-Transceiver (VST) mit hoher Bandbreite von NI für die Signalverlaufserzeugung und -analyse, Antennen mit hoher Verstärkung und einen reflexionsfreien Raum für RF mit einem hochgenauen bewegungsgesteuerten Echtzeit-Stellungsregler.

Mit einem Testsequenzer können Ingenieure eine Konfiguration zur Charakterisierung und Validierung der Beamforming-Fähigkeiten des Prüflings einrichten. Umfassende Software bietet eine Reihe von Visualisierungsoptionen für die Messdaten. Ein Beispiel hierfür ist in Abbildung 3 dargestellt.

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Abbildung 3: Visualisierung der Beamforming-Messung (Quelle: NI)

5G dürfte die Art und Weise, wie wir drahtlose Netzwerke nutzen, radikal verändern. Die Technologie wird eine Vielzahl neuer Netzwerkdienste bereitstellen und verspricht schnelle, latenzarme drahtlose Netzwerke für industrielle Anwendungen und Campus-Installationen. Für eine erfolgreiche Bereitstellung ist die Implementierung einer umfassenden Test- und Messstrategie von der Entwicklung bis zur Produktion unerlässlich.

Autor: David Hall, National Instruments

www.ni.com/



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