Modulare PCIe-Messkarte

HF-Signale und den unteren Mikrowellenfrequenzbereich messen

| Autor / Redakteur: Oliver Rovini * / Hendrik Härter

Modulare Digitizer: Die Serie M4i von Spectrum eignet sich für Messungen von HF-Signalen und unteren Mikrowellenfrequenzen.
Modulare Digitizer: Die Serie M4i von Spectrum eignet sich für Messungen von HF-Signalen und unteren Mikrowellenfrequenzen. (Bilder: Spectrum Systementwicklung)

Mit der modular aufgebauten PCIe-Serie M4i lassen sich dank entsprechender Bandbreite und Auflösung auch Leistungen und quadraturmodulierte Signale messen. Wir zeigen, wie das geht.

Die Serie M4i von Spectrum sind modular aufgebaute Digitzer auf Basis von PCIe und eignen sich unter anderem auch für HF-Messungen und Messungen im unteren Mikrowellenfrequenzbereich. Wird beispielsweise ein hoher Messdurchsatz benötigt, dann lassen sich mit dem modularen Mehrkanal-Digitizer Daten mit bis zu 3,4 GByte/s übertragen. Auch lange Signale, die über mehrere Stunden aufgezeichnet worden sind, lassen sich analysieren. Im Zusammenspiel mit einem Computer bietet die Messkarte ihre Vorteile: Die Fehlersuche an Stromkreisen, Geräten oder innerhalb von Prozessen und anschließender Analyse und Verarbeitung der Messdaten.

Der Entwickler hat die Möglichkeit, über mehrere Kanäle pro Karte und mehrere Karten pro System zu messen. Alle Kanäle sind dabei vollständig synchronisiert. Modulare Plattformen wie die Serie M4i ermöglichen es, die Anzahl an Analog- und Digitalkanälen zu erhöhen und die Möglichkeiten zur Erzeugung analoger Signale oder von Digitalpattern hinzuzufügen. Damit eignet sich die Messkarte für MIMO- (Multiple-Input-Multiple-Output-) Studien sowie für Mehrkanal-Kommunikationssysteme.

Worauf bei der Wahl eines Digitizers zu achten ist

Eine HF-Messung erfordert vom Digitizer drei Haupteigenschaften: Die erste ist die Bandbreite. Die Digitizer müssen einen Frequenzbereich unterstützen, der der beabsichtigten Messung gerecht wird. Als nächste folgt die Auflösung, die den Dynamikbereich der Messung bestimmt. Schließlich noch die Datenübertragungsrate, die die Aktualisierungsrate der Messung beeinflusst. In der Tabelle sind die Merkmale mehrerer PCIe-Digitizer des Herstellers Spectrum aufgeführt, die für HF-Anwendungen in Betracht kommen. Jeder der modularen Digitizer ist über eine PCIe X8-Schnittstelle mit seinem Hostcomputer verbunden. Die Schnittstelle bietet eine Datenübertragungsrate von bis zu 3,4 GB/s. Andere Digitizer-Modelle bieten niedrigere Übertragungsraten.

Ein kurzer Blick auf die in Tabelle aufgeführten Spezifikationen offenbart einen Kompromiss zwischen Auflösung und Bandbreite. Die Entscheidung für ein bestimmtes Modell hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Wenn das gemessene Signal ein geringes Verhältnis von höchster zu niedrigster Amplitude aufweist, ist ein Digitizer mit einer geringeren Auflösung akzeptabel. Diese Art von Anwendung, wie etwa die Charakterisierung eines übertragenen Radarsignals, stellt nur geringe Anforderungen an den Dynamikbereich.

Signal mit hohen und niedrigen Amplitudenanteilen

Wenn ein Signal hingegen eine Mischung aus hohen und niedrigen Amplitudenanteilen aufweist, ist eine höhere Auflösung erforderlich. Anwendungen wie Software Defined Radio (SDR) und Echoortung (Radar) erfordern einen großen Dynamikbereich. Das Bild 1 zeigt die aufgezeichnete Signalform, wie sie nach Anschluss einer einfachen Antenne an den Eingang der Karte M4i.4450-X8 mit einer Auflösung von 14 Bit durch die Software „SBench 6“ dargestellt und verarbeitet wird. Abgebildet sind sowohl der Zeit- als auch der Frequenzbereich der Signalform.

Das im linken Diagramm dargestellte aufgezeichnete Signal hat eine Spitze-zu-Spitze-Amplitude von 38 mV. Obwohl die schnelle Fourier-Transformation im rechten Diagramm wie Rauschen aussieht, zeigt sie, dass der Dynamikbereich des Digitizers mehrere HF-Quellen erfasst. Der größte Ausschlag ist ein Signal von 145 MHz mit einer Amplitude von etwa -36 dBFS (dB bezogen auf den Vollausschlag). Im UKW-Band von 88 bis 108 MHz findet sich ein Sender mit einer Spitzenamplitude von -50 dBFS. Die Spitzenamplitude zwischen Maximal- und Minimalwert des Grundrauschens beträgt etwa -120 dBFS. Der 14-Bit-Digitizer hat einen Dynamikbereich von etwa 85 dB. Die große, schnelle Fourier-Transformation (500.000 Punkte) bietet einen Vorteil für die Verarbeitung in Form des zusätzlichen Dynamikbereichs.

Die Software zum Auswerten der Messdaten

Für die Auswertung der Messdaten lässt sich die Herstellereigene Software „SBench 6“ verwenden. Software von Drittanbietern wie MATLAB oder LABView eignet sich ebenfalls. Es kann auch eine kundenspezifische Software für bestimmte Mess- und Analyseverfahren programmiert werden. In allen Fällen ist eine Treibersoftware verfügbar. Die aufgezeichnete Wellenform im Diagramm im Bild 2 oben links ist eine pulsmodulierte 1-GHz-Sinuskurve, die für Radaranwendungen typisch ist. Das Signal wurde direkt an den Digitizer übertragen, es kann auch über einen Abwärtswandler gesendet werden, wenn die Frequenz des Signals oberhalb der Bandbreite liegt.

Die FFT im Diagramm unten links weist das Spektrum der aufgezeichneten Wellenform auf. Die Software „SBench 6“ bietet verschiedene integrierte Messfunktionen. Die Analyse der Impulszeit erfordert eine weitere Verarbeitung zur Extraktion der Signaleinhüllenden. Das erfolgt in zwei Schritten. Zunächst wird die Wellenform durch analoge Berechnung quadriert, um also die aufgezeichnete Wellenform mit sich selbst zu multiplizieren. Das quadrierte Signal wird mit einem digitalen Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 10 MHz gefiltert. Dadurch wird die Restträgerfrequenz von 1 GHz entfernt, wodurch die gewünschte Impulseinhüllende entsteht. Die Messergebnisse zu Impulsfrequenz, Periode, Breite und Tastverhältnis werden im Info-Fenster zur entsprechenden Impulseinhüllenden dargestellt.

Die von Spectrum entwickelte Messsoftware bietet entsprechende Werkzeuge, um eine quadratischen Detektion der amplitudenmodulierten Wellenform zu erzeugen, wodurch direkte Messungen der Impulswellenform-Parameter ermöglicht werden. Mit den Werkzeugen MATLAB und LABView zusammen mit dem modularen Digitizer sind komplexere Demodulationsprozesse möglich. Dadurch sind Frequenz- und Phasendemodulation von Radar-Chirp-Signalen und Barker-Code-Signalen möglich.

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