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Machine-to-Machine-Kommunikation Verifikation von M2M-Komponenten verbessert Datentransfer

Die stetig steigende Menge an transportierten Daten treibt die technische Entwicklung ständig voran. Neue Technologien mit mehr Datendurchsatz, benötigen passende M2M-Komponenten und eine immer bessere Verifikation und Abstimmung der Systeme.

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(Bild: Siglent Technologies Germany GmbH)

20 Exabyte – Eine Zahl mit 18 Nullen! Hierbei handelt sich um den weltweiten, monatlichen Datenverkehr in Mobilfunknetzen im Jahr 2018 (Quelle: Cisco.com). Seit damals hat sich die Menge mehr als verdreifacht. Die neue Mobilfunk-Generation NR5G wird diese Entwicklung weiter beschleunigen. Neben den breitbandigeren, mobilen Zugängen, wird auch durch mMTC (massive Maschine Type Communication) ein starker Anstieg des Datenverkehrs im Bereich der IoT-Anwendungen entstehen. Ein IoT-Modul sendet zwar typischerweise nur kleine Datenmengen, aber dafür existieren Milliarden von Modulen.

Hochzuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz (URLLC) wird die M2M-Kommunikation (Machine-to-Machine) vorantreiben. Anwendungsbereiche sind die Vernetzung und Steuerung von Maschinen in der Produktion oder auch V2X (Fahrzeug zu „Umgebung“). Eine zuverlässige fehlerfreie Übertragung steht hier an erster Stelle. Um diese zu gewährleisten, müssen die Kommunikationssysteme eine entsprechende Architektur (priorisierte Kanäle, Redundanz, Fehlerkorrekturmechanismen) bereitstellen. Eine durchgängige Netzverfügbarkeit und optimierte physikalische Datenübertragung sind unerlässlich.

Bei der Funkübertragung kann Intermodulation mit anderen Signalen oder die Mehrwegeausbreitung kaum verhindert werden. Allerdings können redundante Übertragung, digitale Fehlerkorrekturmechanismen oder besonders flexible und störungsunempfindliche Modulationstechniken die Datenübertragung zuverlässiger machen. Im Detail besteht jedes Kommunikationssystem aus vielen verschiedenen Komponenten.

Signalverzerrungen und Verluste vermeiden

Um im Gesamtsystem eine zuverlässig funktionierende Kommunikation erreichen zu können und auch normative Vorgaben einhalten zu können, muss alles möglichst perfekt aufeinander abgestimmt sein. Signalverzerrungen und Verluste entstehen immer dann, wenn die Abstimmung nicht passt oder einzelne Parameter von den erwarteten Datenblatt-Werten abweichen. Hochgenaue Messungen zur Charakterisierung der Bauteil-Parameter sind hier unbedingt notwendig, besonders, weil Datenblattwerte in den seltensten Fällen für die aktuelle Anwendung verfügbar sind. Auch für die Simulation der Schaltung werden diese reellen Werte und Eigenschaften der Elemente benötigt.

Man kann Elemente nach deren Übertragungseigenschaften einteilen. Hier sind zum einen die Komponenten oder Netzwerke mit linearer Übertragungsfunktion und zum anderen die mit einer nichtlinearen Übertragungsfunktion. Elemente bzw. Netzwerke mit linearen Eigenschaften beeinflussen Amplitude und/oder Phase des Signals, aber nicht die Frequenz des Signals. Ein Beispiel für ein lineares Netzwerk ist ein Bandpassfilter. Es verfügt über eine frequenzabhängige Dämpfung, welche bei einigen Frequenzen hoch ist und bei anderen niedrig ist. Speist man ein Rechtecksignal ein werden die Harmonischen im Durchlassbereich in der Amplitude kaum verändert. Signalkomponenten im Sperrbereich dagegen sehr stark.

Das Ausgangssignal sieht im Zeitbereich im Vergleich zum Rechtecksignal am Eingang stark verzerrt aus. Es existieren auch Netzwerke, die eine frequenzabhängige Verschiebung der Phase erzeugen. Kennt man den Amplituden bzw. den Phasenverlauf über die Frequenz kann man Gegenmaßnahmen ergreifen und entweder die Eigenschaften des Netzwerks verändern oder auch das Eingangssignal „vorverzerren“, so dass das Ausgangssignal die gewollte Form hat.

Nichtlineare Elemente oder Netzwerke verändern das Spektrum des Ausgangssignals insofern, dass neue, zusätzliche Frequenzkomponenten entstehen. Ein Beispiel hierfür ist eine Diode. Die Übertragungsfunktion ist nicht linear. In einem Mischer wird diese Eigenschaft bewusst genutzt, um „gewollte“ Mischprodukte zu erzeugen (Aufwärts- oder Abwärtsmischer). Ein HF-Verstärker hat sowohl einen linearen als auch einen nichtlinearen Bereich.

Ein HF-Verstärker wird normalerweise im linearen Bereich betrieben. Liegt der Arbeitspunkt aber im Bereich der Sättigung, also im nichtlinearen Bereich entstehen ungewollte Mischprodukte. Diese können ggf. Nachbarkanäle stören und damit auch eine Zulassung des Produkts verhindern. Bei Verstärkern markiert der 1dB-Kompressionspunkt den Übergang vom linearen zum nichtlinearen Verhalten.

Aus den Beispielen wird klar, dass es essenziell wichtig ist die Eigenschaften der Komponenten einzeln als auch im Zusammenspiel möglichst genau zu kennen, denn je höher die Bandbreiten oder Datenraten werden desto empfindlicher werden die Systeme. Wie bereits erwähnt, Datenblätter sind eher selten die Lösung, speziell bei der Systembetrachtung. Messungen, auch trotz möglicher Messfehler sind die beste Lösung.

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Verifikation mit Vektornetzwerkanalysator

Ein zentrales, wenn nicht das zentralste Messgerät zur Verifikation von Komponenten- und Netzwerkeigenschaften ist der Vektornetzwerkanalysator (VNA). Auf das Wesentliche reduziert führt ein VNA einen Vergleich zwischen einem sehr genau bekannten Eingangssignal und dem, am Ausgang erfassten Signal (Transmission) bzw. dem am Eingang reflektieren Signal (Reflexion) des Messobjektes durch. Das Signal am Eingang wird typischerweise über die Frequenz „gesweept“ kann aber auch die Leistung „sweepen“. Damit lassen sich die Eigenschaften in Abhängigkeit der Frequenz oder der Eingangsleistung ermitteln.

Als Beispiel soll nun der HF-Verstärker dienen. Im ersten Schritt wird man mit einem Frequenz-Sweep die Verstärkung und auch die Bandbreite der Verstärkung ermitteln. Ebenfalls wichtig sind die Parameter Eingangs- und Ausgangsimpedanz. Diese geben Aufschluss darüber wie optimal die Ports an 50 Ohm angepasst sind. Dies ist wichtig für die spätere Systemleistung bzw. Effizienz.

Ein weiterer wichtigerer Parameter ist der 1 dB Kompressionspunkt. Zur Ermittlung wird die Eingangsleistung von einem niedrigen Wert ausgehend, schrittweise erhöht. Sobald der Verstärker in den Sättigungsbereich kommt, wächst die Ausgangsleitung nicht mehr proportional zu Eingangsleistungsänderung. Sobald sich die gemessene Leistung von der zu erwartenden Leistung um 1 dB unterscheidet, ist der Punkt erreicht. Es gibt noch einige weitere Messungen, welche hier durchgeführt werden können. Wie verhält sich die Verstärkung bei veränderter Last (Load-Pull), wie phasenstabil ist das Element, abgeleitet hiervon die Gruppenlaufzeit und noch weitere.

Aufgrund des relativ einfachen Grundkonzepts, der hohen Genauigkeit (nach durchgeführter full-2-port Kalibration) und der flexiblen Einsatzmöglichkeit sind Vektornetzwerkanalysatoren zum Standard für Komponentencharakterisierungen geworden. Das zu Beginn dargestellte Wachstum des Datenvolumens kann nur mit optimierten Systemen erreicht werden.

Um ein System optimieren zu können, müssen möglichst viele Informationen zur Verfügung stehen. Die genaue und anwendungsbezogene Vermessung der Komponenten- und Netzwerkeigenschaften liefert diese Daten und ermöglicht somit die Realisierung von Systemen mit hohen Datenraten. Dies gilt für Funksysteme in gleichem Maße wie für leitungsgebundene Datenübertragungssysteme.

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