In zehn Jahren wird es zehnmal mehr vernetzte Geräte geben als vernetzte Menschen. Dafür braucht es Mobilfunkstandards, die neue Anwendungsgebiete unterstützen – um nicht mehr nur Menschen miteinander zu verbinden, sondern auch Dinge. Für den Test von Endgeräten, die zukünftige drahtlose Technologien unterstützen, sind jedoch neue Messgeräte und neue Prüfansätze erforderlich. Deshalb entwickelt National Instruments seine PXI-Plattform kontinuierlich weiter, um Kunden auch zukünftig bei ihren Prüfherausforderungen im Bereich der drahtlosen Kommunikation zu unterstützen.
Drei definierte Anwendungsgebiete für die Wireless-Anwendungen der Zukunft
Die Internationale Fernmeldeunion (ITU) hat in ihrem geplanten Mobilfunkstandard IMT-2020 (International Mobile Telecommunications in 2020) ganz klare Anforderungen für die drahtlosen Kommunikationstechnologien der Zukunft definiert. Dieser Standard dient als technische Grundlage für 5G und gliedert sich in drei spezifische Anwendungsgebiete. Auch wenn sich die Anforderungen auf zukünftige Mobilfunkstandards beziehen, zeigen sie gleichzeitig die geänderten Anforderungen für Technologien wie 802.11ad, 802.11ax, Bluetooth 5.0, NFC usw. Im Anwendungsgebiet «Enhanced Mobile Broadband» werden die zukünftigen Netzwerkkapazitäten und Spitzendatenraten festgelegt. Das angestrebte Ziel liegt bei einem Downlink-Durchsatz von 10 GBit/s, was in etwa dem Hundertfachen von Single-Carrier-LTE entspricht. Ein weiteres Anwendungsgebiet namens «Massive Machine Type Communication» ist darauf ausgelegt, noch mehr Geräte an noch mehr Standorten kostengünstig drahtlos zu vernetzen. Beim dritten Anwendungsgebiet handelt es sich um «Ultra Reliable Machine Type Communication», wobei es insbesondere auf eine hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit, gepaart mit äusserst geringer Latenz, ankommt.
Für die drahtlosen Technologien von morgen sind jedoch nicht nur neue Kommunikationsstandards wie beispielsweise NB-IoT, 5G und 802.11ax erforderlich, sondern auch neue Verfahren für das Entwerfen und Testen von Mobilgeräten. Standards wie 5G nutzen grössere Bandbreiten, da müssen die RF-Messgeräte entsprechend Schritt halten. Darüber hinaus verlangen Mehrantennentechnologien wie MIMO und Beamforming modulare und flexible Messgeräte, die sich nach Bedarf skalieren lassen, um unterschiedlichste Antennenkonfigurationen zu testen – von nur einer Antenne bis zu 8x8-MIMO und darüber hinaus. Und schliesslich müssen kostengünstige Funksysteme natürlich auch kostengünstig geprüft werden können. Das bedeutet, dass die Prüfsysteme der nächsten Generation in der Lage sein müssen, mehr parallele Tests in kürzerer Zeit durchzuführen.
Vektorsignal-Transceiver mit einem programmierbaren FPGA
2012 hat NI den Vektorsignal-Transceiver (VST) für PXI auf den Markt gebracht. Der VST kombiniert einen 6-GHz-RF-Signalgenerator und -analysator mit einem anwenderseitig programmierbaren FPGA in nur einem PXI-Modul. Dank der herausragenden RF-Leistung eignet sich der VST für unterschiedliche Prüfanwendungen sowohl in der Forschung und Entwicklung als auch im Produktionsbereich, wobei der anwenderseitig programmierbare FPGA schnellere Messungen und Kanalemulationen ermöglicht. Da sich drahtlose Technologien jedoch stetig weiterentwickeln, sind auch immer wieder neue Ansätze und Lösungen für den Entwurf und das Testen von RF-Geräten gefragt. Vor diesem Hintergrund entstand die zweite VST-Generation. Diese bietet nicht nur eine höhere Bandbreite, einen erweiterten Frequenzbereich und einen grösseren FPGA, sondern trumpft auch mit einem noch kompakteren Formfaktor auf.
Im Laufe der letzten zehn Jahre ist die von drahtlosen Kommunikationsstandards genutzte Bandbreite stetig grösser geworden, um immer höhere Spitzendatenraten zu erzielen. So hat sich beispielsweise die WLAN-Bandbreite seit 2003 von 20 über 40 auf mittlerweile 160 MHz (802.11ax) erhöht. Auch bei Mobilfunkkanälen zeigt sich ein deutlicher Anstieg von 200 kHz (GSM) auf heute 100 MHz (LTE-Advanced). Dieser Trend wird von zukünftigen Technologien wie LTE-Advanced Pro und 5G noch weiter verstärkt werden.
Insbesondere bei Halbleitertests müssen Messgeräte häufig eine deutlich grössere Bandbreite bereitstellen, als vom Signal tatsächlich belegt wird. Testet man beispielsweise RF-Leistungsverstärker mit digitaler Vorverzerrung (DPD), muss das Prüfsystem zunächst ein Modell des Verstärkers extrahieren, dann das nichtlineare Verhalten ausgleichen und anschliessend ein korrigiertes Signal ausgeben. Für erweiterte DPD-Algorithmen ist dabei häufig die drei- bis fünffache Bandbreite des ursprünglichen RF-Signals erforderlich. Das bedeutet, dass es zum Testen von LTE-Advanced-Signalen mit 100 MHz bis zu 500 MHz Bandbreite und für ein 802.11ac/ax-Signal mit 160 MHz sogar bis zu 800 MHz an Bandbreite benötigt. Eine der wichtigsten Verbesserungen der zweiten Generation des VST ist daher die grössere Echtzeitbandbreite von 1 GHz. Damit können Anwender nun auch die Prüfherausforderungen bewältigen, bei denen bisherige Messgeräte versagten.
Modularer Aufbau und einfache Synchronisierung
Moderne Kommunikationsstandards von WLAN bis Mobilfunk setzen auf komplexe Mehrantennentechnologien. Dabei sind MIMO-Konfigurationen im Einsatz, die sowohl für höhere Übertragungsgeschwindigkeiten durch mehrere räumliche Streams als auch geringere Fehlerraten mittels Beamforming sorgen. Aufgrund dieser offensichtlichen Vorteile unterstützen die Wireless-Technologien der nächsten Generation wie 802.11ax, LTE-Advanced Pro und 5G noch komplexere MIMO-Modelle mit bis zu 128 Antennen pro Gerät. Allerdings stellen MIMO-Konfigurationen die Entwickler vor neue Hürden, was den Geräteentwurf und -test angeht. Denn je mehr Ports ein Gerät hat, desto mehr Kanäle sind zu synchronisieren. Um MIMO-Geräte zu testen, müssen RF-Prüfsysteme daher in der Lage sein, mehrere RF-Signalgeneratoren und -analysatoren zu synchronisieren. Hierbei spielen auch der Formfaktor und das Synchronisierungsverfahren des Messgeräts eine wichtige Rolle.
Da der VST der zweiten Generation einen kleinen Formfaktor bietet, lassen sich in einem PXI-Chassis mit 18 Steckplätzen bis zu acht VST synchronisieren – einen Steckplatz benötigt der PXI-Controller. Für Wireless-Prüfsysteme der nächsten Generation passt man die Firmware des Messgeräts individuell an die jeweiligen Anforderungen an. Die Messgeräteleistung lässt sich steigern, wenn man Funktionen wie Regelung, Messbeschleunigung, Echtzeitsignalverarbeitung oder Synchronsteuerung des Prüflings direkt auf dem Messgerät durchführt.
Ideal für Emulation von Zielobjekten
Ein Anwendungsbereich, für den softwaredesignte Messgeräte quasi unabdingbar sind, ist die Prototypenerstellung von Radarsystemen. Hier agiert der FPGA des VST als Simulator für die Radarziele. Radarsysteme sind darauf ausgelegt, ein bestimmtes «Ziel» zu erkennen, sei es ein Fahrzeug, ein Flugzeug oder ein anderes Objekt. Dabei sendet das Radarsystem ein Stimulussignal aus und wartet auf eine Antwort des jeweiligen Objekts. Anhand der Rücklaufdauer, Frequenzverschiebung und anderer Attribute lassen sich Entfernung und Geschwindigkeit des Zielobjekts bestimmen. Dank seiner grossen Bandbreite und des anwenderseitig programmierbaren FPGAs eignet sich der VST ideal für die Emulation von Zielobjekten, da er flexibel an unterschiedliche Zielsimulationen angepasst werden kann.
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