Waveform-Generatoren erzeugen Pseudo-zufällige Binärsequenzen (PRBS)

| Autor / Redakteur: Christian Rau * / Hendrik Härter

Mit einem Waveform-Generator lassen sich sogenannte Pseudo-zufällige Binärsequenzen (PRBS-Signale) erzeugen.
Mit einem Waveform-Generator lassen sich sogenannte Pseudo-zufällige Binärsequenzen (PRBS-Signale) erzeugen. (Bilder: Rigol)

Ein PRBS-Signal ist ein reproduzierbares Signal, welches in der Nachrichtentechnik oder der Regelungstechnik verwendet wird. Es lässt sich mit Waveform-Generatoren erzeugen. Der Beitrag stellt zwei Geräte vor.

Immer mehr Geräteeigenschaften und damit das entsprechende Geräteverhalten werden durch digitale Test- und Prüfverfahren durchgeführt. Was früher noch mit einem analogen Störsignal beaufschlagt wurde, um dieses zu simulieren, stehen heute digitale Signale mit 0 und 1 zur Verfügung, die wesentlich stabilere und reproduzierbare Signale erzeugen können. Somit werden die Prüfverfahren immer eindeutiger und auch die Mess- und Prüftechnik muss die neuen Methoden anbieten, auch in Geräteklassen, die bisher hierfür nicht ausgelegt waren. Wie man solche Testmethoden erzeugt und anwendet, beispielsweise um Weißes Rauschen zu erzeugen, beschreibt der Beitrag.

Sogenanntes Pseudo Random Binary Stream (PRBS) können mittels eines Linear Feedback Shift Registers (LFSR) erzeugt werden. Damit lässt sich digitale Kommunikation testen. In der Nachrichtentechnik kann das unter anderem zur Verschlüsslung und Überprüfung von Übertragungskanälen zwischen Sender und Empfänger sein. PRBS Signale können weißes Rauschen simulieren. Hierbei ist die Reproduzierbarkeit des Signals von Vorteil. Mit den Modellen der Serie DG800 bzw. DG900 des Herstellers Rigol lassen sich PRBS-Signale einfach erzeugen. Einmal erzeugt, können die Parameter wie Sequenz und Bit Rate geändert werden, um ein Rauschen über eine große Bandbreite zu simulieren und den entsprechenden Erfordernissen anzupassen.

Wofür ein PRBS-Signal benutzt wird

Ein PRBS-Signal ist gegenüber einem einfachen Rechtecksignal zu bevorzugen, da es ein Testdevice intensiver und in anderer Weise stresst. Es ist nicht ungewöhnlich für ein zu testendes Gerät, dass es beim Übertragen einer Sequenz „010101“ keine Probleme zeigt, aber ein Problem aufweist bei sich wiederholenden Bits wie „011101“. Ein PRBS-Signal enthält Zeichenfolgen sich wiederholender Bits wie auch wechselnde Bitmuster. Die folgende Auflistung zeigt einige übliche PRBS-Signale, bezogen auf den Grad der Polynome, die benutzt werden, um sie zu generieren:

  • PRBS7 = x7 + x6 + 1
  • PRBS15 = x15 + x14 + 1
  • PRBS23 = x23 + x18 + 1
  • PRBS31 = x31 + x28 + 1

Diese Polynome lassen sich ebenfalls binär darstellen:

  • PRBS7 = 1100 0001
  • PRBS15 = 1100 0000 0000 0001
  • PRBS23 = 1000 0100 0000 0000 0000 0001
  • PRBS31 = 1001 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001

Jedes zu testende Gerät, um Informationen zu übertragen, kann auf seine Funktionsfähigkeit mit einem PRBS-Signal getestet werden. Solche zu testenden Geräte können aus dem Bereich Semiconductor, Telekommunikation oder Akustik stammen. Wird ein PRBS-Signal an das zu testende Gerät geschickt, wird die Antwort gemessen und danach vergleicht man das empfangene mit dem gesendeten Signal. Das kann beispielsweise ein Lautsprecher sein und das Signal wird mit einem Mikrofon empfangen. Dabei wird das Ausgangssignal mit einem Oszilloskop gemessen und angezeigt.

Wie ein PRBS-Signal erzeugt wird

Die Modelle aus der Serie DG800 bzw. DG900 erweitern die Waveform/Function-Generatoren von Rigol und unterstützen die traditionellen Build-In-Waveforms wie Sinus, Rechteck, Sägezahn, Puls oder Arbiträr. Auch besteht die Möglichkeit, PRBS-Signale von PN7, PN9 und PN11 zu generieren. Dabei lassen sich die PRBS-Signale mit maximalen Bit-Raten von 2 kBit/s bis 60 MBit/s operieren. Zudem lässt sich der Amplitudenpegel von 1 mVpp bis 10 Vpp verstellen. Daraus ergeben sich weitere Anwendungen. Die DG800/900-Serie bietet auch eine sogenannte Stand-alone-Noise-Funktion an, wenn man analoges Rauschen produzieren möchte. Als weiteres Feature soll hier noch das Sequencing erwähnt werden. Es erlaubt bis zu acht verschiedene Arb-Signale mit bis zu 256 Zyklen hintereinander zu erzeugen.

Waveform-Generatoren

Die aktuelle Generation an SiFi-II-Technologie-Waveform-Generatoren enthält zwei Model-Reihen. Dazu gehören das DG800 mit 10, 20 und 30 MHz sowie das DG900 mit 40, 70 und 100 MHz. Beide Modellreihen bieten ein Touch-Display mit 4,3'', keinen Lüfter, eine Auflösung von 16 Bit und SiFi-II-Technologie. Die Unterschiede bestehen hinsichtlich Kanalanzahl, Speichertiefe und Bandbreite. Mithilfe der integrierten SiFi-II-Technologie können die Generatoren aus der Serie DG800/900 Kurven mit höherer Wiedergabetreue generieren. Außerdem sind Funktionen wie das interne Aufsummieren von Kurven oder die Generierung von Oberwellen implementiert.

Mit der SiFi-II-Technologie verbessert sich die Genauigkeit des Jitters, welches ein Maß ist mit der die Wiederholbarkeit bewertet werden kann. SiFi II erlaubt es, Frequenz oder Amplitude zu koppeln. Sie können beispielsweise eine Verknüpfung zwischen Kanälen so setzten, das die Amplitude auf Kanal zwei immer doppelt so groß wie auf Kanal eins. Wird die Amplitude auf einem Kanal geändert, ist das Resultat am anderen Kanal doppelt so groß bzw. doppelt so niedrig.

Die PRBS-Signale werden in der Industrie breit eingesetzt, um die Qualität von Übertragungssystemen zu prüfen. Die Waveform-Generatoren der Serien DG800/900 können solche PRBS-Signale mit bis zu 60 MBit/s generieren. Ein externer Pulsgenerator ist nicht notwendig, womit Test-Setups einfacher zu erstellen sind. Die digitalen Bitmuster lassen sich in einem Netzwerk versenden und auch Schwachstellen können erkannt werden.

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* Christian Rau arbeitet als Applikations-Ingenieur bei Rigol Technologies in Puchheim bei München.

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