Vektorsignalgeneratoren Nachbarkanalstörungen von Sendeverstärkern schnell und genau messen

Autor / Redakteur: Paul Schmitz und Horst Aichmann* / Sabine Grothe

Wenn man die Nachbarkanalleistung eines Sendeverstärkers messen will, braucht man ein Testsignal, das selbst möglichst wenig Nachbarkanalleistung aufweist, damit das Testsignal die Verzerrungseigenschaften des Verstärkers nicht maskiert. Für Messanwendungen in der Produktion mit hohem Durchsatz benötigt der Entwickler ein Testsignal, das sich schnell in Modulationsinhalt, Frequenz und Amplitude umschalten lässt. Wie ein Vektorsignalgenerator beschaffen sein muss, um ACLR oder ACPR eines Verstärkers genau zu messen und die Parameter des Testsignals schnell umzuschalten, lesen Sie in diesem Beitrag.

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( Archiv: Vogel Business Media )

In modernen Mobilfunk- und Digitalfunksystemen weisen Sprach- und Datenkanäle nur sehr geringe Frequenzabstände auf, um das zugeordnete Frequenzband möglichst gut auszunutzen. Wenn ein Sendeverstärker (z.B. durch Übersteuerung) in einen nichtlinearen Arbeitsbereich gerät, belegt er mehr Spektrum und stört so bei dem engen Kanalabstand die Nachbarkanäle.

Wieviel mehr Bandbreite in solchen Betriebszuständen belegt wird und wie sehr die Nachbarkanäle gestört werden, hängt in erster Linie von der Ausgangsleistung ab sowie vom Scheitelfaktor des Sendesignals – also vom Verhältnis Spitzenleistung zu Durchschnittsleistung. Je nach Modulationsverfahren variiert der Scheitelfaktor erheblich. Bei GSM-Signalen ist er relativ niedrig, die Spitzenleistung also verhältnismäßig wenig höher als die Durchschnittsleistung – während der Scheitelfaktor bei manchen Konfigurationen von W-CDMA-Signalen sehr hoch sein kann. Bei geringer Signaldynamik kann der Entwickler den Sendeverstärker höher aussteuern. Dieser erzeugt dabei dennoch wenig Störung in den Nachbarkanälen. Entsprechend deutlich muss der Entwickler bei großer Signaldynamik die Durchschnittsleistung des Sendeverstärkers zurücknehmen, um sicherzustellen, dass Signalspitzen den Verstärker nicht übersteuern.

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Zahlreiche Sendeverstärker sind für unterschiedliche Kommunikationsformate ausgelegt. Für den Entwickler ist es daher wichtig, dass er für jedes Signalformat ermittelt, um wie viel die beanspruchte Bandbreite bei hoher Aussteuerung wächst. Solche Messungen erfordern einen Signalgenerator, der die verschiedenen Signalformate erzeugen kann, und einen Testempfänger, der sich schnell auf Modulationsformate, Frequenzen und Empfangspegel einstellen kann. Für eine genaue Messung der Nachbarkanalstörung muss der Signalgenerator ein Eingangssignal liefern, dessen Nachbarkanalpegel um 10 bis 15 dB niedriger liegt als die vermutete Nachbarkanalstörung des zu testenden Sendeverstärkers.

Leistung des Nachbarkanals genau messen

Bild 1 zeigt das Spektrum des Ausgangssignals des Verstärkers. Es besteht aus dem um den Verstärkungsfaktor (G) vergrößerten Eingangssignal (Pin), dem Rauschen des Verstärkers und den nicht linearen Verzerrungsprodukten. Will der Entwickler die Nachbarkanalleistung (englisch ACL, Adjacent Channel Leakage, oder ACP, Adjacent Channel Power) genau messen oder charakterisieren, sollte das Testsignal möglichst wenig zu diesen Störungen beitragen. Der Testingenieur benötigt für solche Messungen ein Testsignal am Eingang, das selbst eine möglichst geringe Nachbarkanalleistung aufweist.

Kennt der Entwickler die Nachbarkanalleistung des Eingangssignals, lässt sich dessen Einfluss auf die Nachbarkanalstörung am Ausgang des Verstärkers nach der Formel –(Pin) x G bestimmen. Die Gesamt-Nachbarkanalleistung am Ausgang des Verstärkers kann dann ausgedrückt werden durch:

Pout (dBm) = 10 log (G x Pin + (Rauschen + Verzerrung am Ausgang))

Pout (dBm) = 10 log (P1 + P2)

wobei P1 = G x Pin und P2 = (Rauschen + Verzerrung am Ausgang) sind.

In vielkanaligen Digitalsignalen wie etwa cdma2000 oder W-CDMA ähnelt die Nachbarkanalleistung am Ausgang des Verstärkers durch die große Zahl von Störfrequenzen und deren statistisch verteilten Phasenlagen einem Rauschen. Wenn man P1 und Pout kennt und weiß, dass die Störprodukte einem Rauschen ähnlich, also gleichverteilt, sind, kann man leicht bestimmen, ob die Nachbarkanalstörung des Eingangssignals eine Messung von ACL oder ACP des Verstärkers beeinträchtigt. Ist der Beitrag des Eingangssignals zur Nachbarkanalleistung (P1) gleich groß wie Rauschen und Nachbarkanalleistung des Verstärkers (P2), dann liegt der Gesamtbetrag der Nachbarkanalleistung des Verstärkers 3 dB höher als P1 oder P2.

Ptotal (dBm) = 10 log (2 x P1) = 3 dB + 10 log (P1).

Tabelle 1 zeigt den Fehler in dB, den das „rauschähnliche“ P (G x Pin) in der Gesamt-Nachbarkanalleistung am Verstärkerausgang verursacht, wenn es um 15 dB niedriger ist als die Nachbarkanalleistung des Verstärkers. Für genaue ACLR-Messungen (Adjacent Channel Leakage Ratio) eines Verstärkers benötigt der Entwickler ein Eingangssignal, dessen Nachbarkanalleistung 10 bis 15 dB niedriger liegt als die des Testobjekts. Eine weitere Verringerung der Nachbarkanalleistung des Eingangssignals hat – wenn überhaupt – nur noch einen geringen Einfluss auf die Messgenauigkeit.

Ein Beispiel für einen Vektorsignalgenerator, der Testsignale liefert, die für die Messung des Bandbreitenzuwachses, ACLR und anderer Nachbarkanalparameter an Leistungsverstärkern in der Produktion geeignet sind, ist Modell MXG von Agilent Technologies. Mit seinem flachen Frequenzgang liefert das Gerät Signale mit hoher Dynamik (niedrigem ACLR). Bild 2 zeigt ein Testsignal des Signalgenerators mit der Option UNV. Das gemessene ACLR für ein 64-DPCH-W-CDMA-Signal mit einem Träger TM1 beträgt –76 bzw. –77 dBc (für den unmittelbar benachbarten bzw. den übernächsten Kanal). Für ein 64-DPCH-W-CDMA-Signal mit vier Trägern TM1 beträgt es –70 bzw. –71 dBc.

Modulationsformat, Amplitude und Frequenz rasch umschalten

Benötigt der Entwickler mehrere Modulationsformate, um einen Sendeverstärker vollständig zu charakterisieren, sollte er einen Signalgenerator einsetzen, der schnell die erzeugte Modulation, die Ausgangsamplitude und -frequenz umschalten kann. Gewöhnlich gibt man den Testdurchsatz in „Messungen pro Zeiteinheit“ oder „Zahl gemessener Testobjekte pro Zeiteinheit“ an; er wird außer von der Umschaltzeit des Signalgenerators noch von diversen anderen Faktoren bestimmt. Für manche Testsequenzen sind allerdings hunderte oder tausende Einzelmessungen auszuführen. Dann hat die Umschaltzeit des Signalgenerators einen erheblichen Einfluss auf die Dauer des gesamten Tests.

Man kann die Auswirkung der Umschaltzeit des Signalgenerators auf den Durchsatz des Gesamtsystems überschlagen, indem man für eine bestimmte Messung die Anzahl der Einzelmessungen mit der Umschaltzeit des Signalgenerators multipliziert. Manche Messungen erfordern eine Umschaltung der Frequenz, der Amplitude oder des Modulationsinhaltes des Testsignals, wobei verschiedene Arten der Umschaltung unterschiedlich viel Zeit erfordern können.

In Verbindung mit der Option UNZ ist das Modell MXG auch in Produktionstestumgebungen mit hohem Testdurchsatz laut Hersteller eine ideale Testsignalquelle. Die Umschaltzeiten des Gerätes bei Änderung von Format, Frequenz und Amplitude in den Betriebsarten „List Sweep“ (Listenwobbelung) und „SCPI“ veranschaulicht Tabelle 2. Bild 3 zeigt, dass eine gleichzeitige Änderung aller drei Parameter in der Betriebsart „List Sweep“ lediglich 900 µs dauert.

Agilent Technologies Tel. +49(0)7031 4646605

*Paul Schmitz und Horst Aichmann arbeiten im Produktmarketing in der Signal Sources Division bei Agilent Technologies in Böblingen.

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