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Leistungsverstärker in Mobilfunkgeräten vermessen: Triggerung auf RFFE-Befehle : Ausgabe 07/2017, 26.04.2017

Oszilloskope intelligent einsetzen

Leistungsverstärker sind eine wichtige Komponente in Mobiltelefonen und bestimmen die Eigenschaften des Frontends wesentlich mit. Die Ansteuerung innerhalb des Frontends erfolgt meist über die RFFE-Schnittstelle. Zum Vermessen der Leistungsverstärker prüfen Anwender das Einchwingverhalten und spüren Störsignale auf. Moderne Oszilloskope eignen sich dafür bestens.

Autor: Matthias Beer, Mike Borsch und Mike Schnecker, Rohde & Schwarz

Bilder: R&S

Mobilfunkgeräte werden immer leistungsfähiger, wobei moderne HF-Frontends mit ihren Funktionserweiterungen einen wesentlichen Beitrag dazu leisten. Diese enthalten bis zu 20 Komponenten wie Filter, Schalter, Leistungsverstärker sowie Low-Noise-Amplifier (LNAs) und Anpasselemente für Antennen.

Das RFFE-Control-Interface (Radio Frequency Front End) der Mobile-Industry-Processor-Interface-Organisation (MIPI) hat sich als Standardschnittstelle zur Kommunikation und Ansteuerung der einzelnen Komponenten auf breiter Basis durchgesetzt. Beispielsweise lassen sich Multimode-, Multiband- und Mehrfachantennen über RFFE effizient steuern. Das beschleunigt die Entwicklung und Konfiguration der einzelnen Komponenten, vereinfacht deren Integration in Mobilfunkgeräte und gewährleistet die Interoperabilität von Komponenten unterschiedlicher Anbieter.

Steuerung des Verstärkers eine Schlüsselfunktion des RFFE-Interfaces

Damit ein Endgerät in einem Mobilfunknetz reibungslos funktioniert, muss der Leistungsverstärker bestimmte Parameter einhalten, die im jeweiligen Mobilfunkstandard definiert sind. Hierbei ist die Befehlssynchronisierung kritisch, die sich aus dem zeitlichen Bezug von einzelnen RFFE-Befehlen zum jeweiligen Ausgangssignal des Leistungsverstärkers ergibt.

Für einen Test der RFFE-Befehlssynchronisation eines Leistungsverstärkers fängt man zunächst über die Triggerung auf einen RFFE-Befehl den relevanten zeitlichen Bereich der Befehlssynchronisation ein. Die anschliessende Messung der HF-Hüllkurve mit zeitlichem Bezug auf das RFFE-Kommando zeigt die Eigenschaften der Signalleistung des Leistungsverstärkers. Zusätzlich sollte das Ausgangsspektrum des Leistungsverstärkers im Frequenzbereich analysiert werden, um eventuelle Störer aufzuspüren. Für diese Messungen sind moderne Oszilloskope besonders gut geeignet, die auf das serielle Protokoll RFFE triggern können und gleichzeitig leistungsstarke Funktionen zur Spektrumanalyse und Effektivwertbestimmung anbieten.

Was steckt hinter dem RFFE-Interface?

Die international agierende MIPI-Alliance entwickelt Schnittstellenspezifikationen, die hauptsächlich in der Mobilfunkindustrie, aber auch in anderen Branchen Verwendung finden. Die RFFE-Schnittstelle wird in 3GPP-Standards wie EDGE, UMTS, HSPA oder LTE sowie in weiteren nicht 3GPP-konformen Mobilfunkstandards verwendet. Sie wurde in Hinblick auf möglichst hohe Effizienz, Flexibilität und Erweiterbarkeit konzipiert und bietet Freiheitsgrade im Systemdesign. Auf Schnittstellenebene soll RFFE die Interoperabilität zwischen RFFE-konformen Hochfrequenz-ICs (RFICs) und Frontend-Modulen (FEMs) gewährleisten. Es gibt eine Vielzahl von FEMs, die abhängig von Applikation und Technologie entweder mit Einzelkomponenten oder als teil- bzw. vollintegrierte FEMs realisiert werden. Sie beinhalten neben den Leistungsverstärkern (PAs) auf der Senderseite und den rauscharmen Verstärkern (LNAs) auf der Empfangsseite auch Power-Management-Units (PMUs), Filter, Schalter sowie verschiedene Sensoren und Anpasselemente für Antennen.

Um HF-Komponenten über die RFFE-Schnittstelle zu steuern, müssen Anforderungen sowohl auf der physikalischen als auch auf höheren Protokollschichten erfüllt sein. Die RFFE-Kommunikation findet bidirektional über eine Zweidraht-Schnittstelle (SCLK und SDATA) statt und verwendet einen Systemtakt zwischen 32 kHz und 26 MHz. Es lassen sich bis zu 15 Komponenten pro Bus ansteuern.

Das MIPI RF Frontend Control Interface in der Version MIPI RFFE v2.0 enthält fünf zusätzliche technische Merkmale:

  • Erweiterter Bereich für Busbetriebsfrequenzen – Die Anzahl von Befehlsfolgen, die sich innerhalb einer vorgegebenen Zeit über den Bus übertragen lassen, hat sich verdoppelt und die Datengeschwindigkeit erhöht
  • Synchrones Lesen – Erlaubt sind mehrere Arten der Datenweitergabe auf dem Bus durch die Slave-Geräte, damit lässt sich der Bus besser auslasten und die erweiterte Busbetriebsfrequenz effizienter nutzen
  • Multi-Master-Konfiguration – Dieses Leistungsmerkmal unterstützt Systemarchitekturen für Carrier-Aggregation sowie die Verwendung mehrerer Transceiver und Dual-SIM-Konzepte
  • Interruptfähige Slave-Funktionalität – Dies ermöglicht ein schnelles Abfrageverfahren (Polling) der Slave-Geräte durch den Bus-Master-Controller
  • Neue, reservierte Register – Diese lassen sich nutzen, um die Effizienz bei Hardware- und Softwareentwicklung zu steigern

Messtechnische Herausforderungen bei der Verwendung eines Oszilloskops

Eine wichtige Messgrösse ist die Einschwingzeit eines Leistungsverstärkers nach Erhalt einer RFFE-Anweisung zum Beispiel zur Änderung der Verstärkung. Der RFFE-Befehl wird vom Controller versendet und vom Leistungsverstärker interpretiert, der daraufhin die Verstärkung anpasst. Gemessen wird die Zeit vom Empfang des Befehls bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Leistung innerhalb eines definierten Prozentsatzes des endgültigen Leistungspegels eingeschwungen ist.

Um den zeitlichen Bezug des Verstärkerausgangssignals zu einem bestimmten Datenwort (z. B. RFFE-Befehl zum Ändern der Verstärkung) zu ermitteln, muss der serielle Datenstrom dekodiert und die entsprechende Befehlssequenz identifiziert werden. Diese Aufgabe lässt sich mit einem Oszilloskop lösen. Ein Oszilloskop misst die analogen Signale auf dem Datenbus. Es dekodiert das Signal unter Kenntnis des verwendeten Standards, um dann die gesuchte Befehlssequenz in dem Datenstrom zeitlich zu lokalisieren. Diese Information dient als Trigger und als zeitliche Referenz für die Messung. Ab dem Trigger-Zeitpunkt analysiert das Oszilloskop das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers und ermittelt unter anderem die Einschwingzeiten relativ dazu.

RFFE-Protokoll-Trigger

Zu den Vorteilen von Oszilloskopen gehört die Fähigkeit, auf bestimmte Signaleigenschaften, von einer einfachen Flanke bis hin zu komplexeren Merkmalen wie Anstiegsgeschwindigkeit oder Pulsbreite, zu triggern. Als Voraussetzung für die beschriebene Messung braucht es jedoch ein Oszilloskop, das zusätzlich einen seriellen Datenstrom dekodieren und darauf triggern kann.

Beim RTO2000 beispielsweise werden die RFFE-Clock und -Datensignale auf je einem Oszilloskopkanal zugeführt. Verwenden kann man hierfür sowohl die analogen als auch die digitalen (MSO-)Kanäle. In dem Dialog lassen sich die Schwellwertpegel, das Bit-Timing sowie die Glitch-Filterung konfigurieren. Die Glitch-Filterung ist optional und wird im RFFE-Protokoll eingesetzt, um eine fehlerhafte Erkennung von Logikpegeln zu vermeiden, hervorgerufen durch Rauschen und unterschiedliche Signallaufzeiten. Das dekodierte Signal kann als Trigger-Quelle verwendet und beispielsweise auf den Hex-Datenwert 0x02 der Slave-Adresse F konfiguriert werden. Alle Messungen finden zeitsynchron zu diesem Trigger-Event statt.

Messung der HF-Hüllkurvenleistung und des Spektrums

Zur Messung der Signalleistung eignen sich unterschiedliche Techniken. Spitzenleistungsmesser bieten zwar die höchste Genauigkeit, verfügen aber nicht über die Fähigkeit, auf RFFE-spezifische Befehle zu triggern. Somit fehlt der zeitliche Bezug zwischen RFFE-Kommando zur Leistungsänderung und dem resultierenden Ausgangssignal des Leistungsverstärkers.

Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Signalleistung ist die Verwendung eines Detektors. Dieser ist im Wesentlichen eine Diode, die den HF-Träger in eine Spannung – proportional zum Quadrat der Signalamplitude – umwandelt. Diese Spannung kann mit einem Oszilloskop dargestellt werden. Der Detektor stellt unter Verwendung eines Oszilloskops mit RFFE-Trigger eine effiziente Lösung für diese Applikation dar. Ein weiterer Lösungsweg ergibt sich mit einem Oszilloskop mit RFFE-Trigger-Funktionalität, wenn der Effektivwert der erfassten Messkurve mathematisch bestimmt werden kann.

Hohe Abtastrate des A/D-Wandlers wird nicht benötigt

Oszilloskope mit hoher Bandbreite setzen schnelle A/D-Wandler ein, um die Messkurve des HF-Signals aufzuzeichnen. Sie erreichen Abtastraten von 10 bzw. 20 GSa/s im Interleaved Mode. Da sich die Hüllkurvenleistung deutlich langsamer als die Amplitude des HF-Trägers ändert, wird die hohe Abtastrate des A/D-Wandlers nicht benötigt. Der Anwender kann sie herabsetzen, ohne das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem zu verletzen. Mit dem so genannten Dezimationsverfahren lässt sich die Anzahl der genutzten Stützstellen verringern. Eine Dezimation lässt sich auch mit Hilfe mathematischer Funktionen durchführen, beispielsweise durch Mittelung (Averaging) oder durch die Effektivwertberechnung eines Signals. Wenn man den Effektivwert zum Beispiel über 100 Abtastpunkte berechnet, verringert sich die Abtastrate um diesen Faktor, in diesem Fall von 10 GSa/s auf 100 MSa/s.

Eine weitere wichtige Eigenschaft eines Leistungsverstärkers ist das spektrale Verhalten von HF-Signalen bei Schaltvorgängen. Dadurch lassen sich entstehende Störsignale minimieren und deren Auswirkungen reduzieren. Bei Oszilloskopen wird die Frequenzinformation aus dem erfassten Zeitbereichssignal mit Hilfe einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) ermittelt. Moderne Oszilloskope haben die Fähigkeit, Zeitfenster – sogenannte Gates – zu definieren, um nur einen eingeschränkten Erfassungszeitraum innerhalb des gesamten aufgezeichneten Zeitbereichs zu betrachten.

Ein modernes Oszilloskop erlaubt die Wahl der Auflösebandbreite unabhängig von der Erfassungszeit des Zeitbereichssignals. Übersteigt die Erfassungszeit die für die eingestellte Auflösebandbreite nötige Dauer, führt das Gerät mehrere FFTs auf Teilabschnitten der Messkurve aus und stellt das Spektrum als Überlagerung aller Kurven dar. 

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Messung eines unmodulierten Signals an einem Leistungsverstärker im Zeit- und Frequenzbereich


Einschwingverhalten und Frequenzspektrum eines Leistungsverstärkers am Beispiel eines 10-MHz-LTE-Stimulus-Signal

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Sektion 21: Mess- & Prüftechnik