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HF-Messtechnik Wie man rauscharm und präzise QAM moduliert

| Autor / Redakteur: Klaus Höing * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Die Quadratur-Modulation ist Grundlage der Sprach- und Datenübertragung. Eine kostengünstige Stimulus-Lösung hilft, IQ-Signale zu erzeugen und auf der Empfängerseite einfach und präzise zu messen.

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Trueform-Arbiträrgenerator 33522B: Die IQ-Modulationen messen und die Signalqualität bzw. Modulationsqualität eines Prüflings ermitteln
Trueform-Arbiträrgenerator 33522B: Die IQ-Modulationen messen und die Signalqualität bzw. Modulationsqualität eines Prüflings ermitteln
(dataTec)

In mobilen, tragbaren Geräten steckt eine Vielzahl von unterschiedlichen Übertragungsstandards, die ihrerseits bereits in der Entwicklung als auch in der Produktion getestet werden müssen, um eine sichere, einwandfreie Datenübertragung zu gewährleisten. Sprach- und Datenübertragung werden heutzutage digital IQ moduliert. Für die IQ-Modulation geeignete Übertragungsstandards sind W-CDMA (Wideband-Code Division Multiple Access), DVB (Digital Video Broadcasting) und OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), LTE (Long Term Evolution für wireless Telekommunikation), GSM/Edge oder UMTS/HSPA sind digitale Übertragungsstandards und prädestiniert für die IQ-Modulation.

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Bisher wurde ein Mess-System für ein spezielles Übertragungsprotokoll konzipiert. Die fortschreitende Technik erforderte jeweils einen neuen Messplatz, um einer Bandbreitenerweiterung als auch den neuen Modulationstechniken stand zu halten. Dieses führte in der Vergangenheit zu immer neuen Messplätzen, um die Komponenten bzw. Baugruppen testen zu können.

Das Bild 1 zeigt schematisch einen Messplatz. In den meisten Fällen wird zur Messung ein Vektor-Signal-Analysator eingesetzt, der nach Betrag und Phase das Spektrum eines Signals als auch die Signalveränderung über der Zeit messen und darstellen kann. Als Stimulus wird ein Vektor-Signal-Generator (VSG) verwendet, der Signale für unterschiedliche Übertragungskanäle zur Verfügung stellt. Ausgangsseitig wird ein Vektor-Signal-Analysator (VSA) verwendet, der die Signale vom zu testenden Mess-Objekt aufnimmt und nach Betrag und Phase zur Anzeige bringt.

Stimulusseitig werden Arbiträrgeneratoren eingesetzt, um die zu übertragenen Signale im Basisband zu erzeugen. Diese Arbiträr-Generatoren können direkt im Vektor-Signal-Generator integriert oder wie in Bild 1 zu sehen, separat ausgeführt sein. Das gibt die Chance einen modernen, sehr kostengünstigen Basisband-Generator zu nutzen, dessen Ausgangssignal praktisch frei von Jitter ist und sehr präzise, frequenz- und amplitudenstabile Ausganssignale liefert. In vielen Fällen wird dies der 33522B sein, der diese Voraussetzungen erfüllt. Bild 2 zeigt schematisch, wie eine digitale Übertragung aufgebaut ist. Die meisten modernen Modulationen basieren auf einer Quadratur-Modulation (IQ-Modulation).

Die Grundlagen der digitalen IQ-Modulation

Abhängig von der jeweiligen Modulationsart oder Applikation werden bei der digitalen Modulation entweder die Phase, Amplitude oder Frequenz oder alle Parameter gleichzeitig, moduliert. Grundlage der IQ-Modulation ist, dass jedem zu übertragenden Symbol aus einem Satz an Kodierungen ein bestimmter Modulations-Status in Amplitude und Phase zugeordnet ist.

Bei der IQ-Modulation wird die Basisband-Information in zwei eigenständige Signalkomponenten aufgeteilt, den I-Anteil (In–phase) und den Q-Anteil (Quadratur). Bild 3 zeigt den graphischen Zusammenhang; dem grünen Punkt wird nun im Mapping ein digitales Codewort zugeordnet. Diese Werte beschreiben dann einen digitalen Zustand. Verständlich, dass bei N Zuständen auch N unterschiedliche I-Q-Kombinationen definiert sein müssen, die jeweils einen digitalen Zustand repräsentieren.

Eine gebräuchliche Darstellung ist das Konstellations-Diagramm bei dem die Q- über die I-Werte dargestellt sind. Das Symbol-Mapping gibt den jeweiligen I- und Q-Anteil für einen Zustand wieder. Bild 4 zeigt zwei Konstellations-Diagramme, einmal für vier Zustände, das andere für 256 Zustände. Der Aufbau eines derartigen Konstellations-Diagramms mit den jeweiligen Amplitudenwerten der I- bzw. Q-Komponenten ist in Bild 4 und 5 dargestellt.

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Wie sich kostengünstig IQ modulieren lässt

Um eine kosteneffektive IQ-Modulationen zu erzeugen und die Signalqualität bzw. Modulationsqualität eines Prüflings zu vermessen, sind einerseits ein präziser IQ-Arbiträr-Generator verbunden mit einem HF-Vektor-Signal-Generator auf der Eingangsseite des Prüflings notwendig. Ausgangseitig können die Signale mit einem Vektor-Signal-Analysator aufgenommen werden. Dieser stellt das Konstellationsdiagramm dar bzw. analysiert die Error Vector Magnitude. Auf diese Weise lassen sich kosteneffektiv die Einflüsse durch Jitter, Rauschen und Nichtlinearitäten erkennen, qualifizieren und darstellen.

Die Bilder 4 und 5 machen deutlich, dass durch Fehler, die entweder in der Phasenbeziehung oder in der Amplitudengröße entstehen, es leicht zum Verwischen eines Punktes kommen kann und daher das System empfangsseitig einen anderen Zustand interpretiert. Daher kommt es bei dieser Modulation auf eine exakte IQ-Modulation an. So sind bei komplexen Systemen, die eine Vielzahl an Zuständen übertragen, wesentlich höhere und genauere Ansprüche an die Übertragung zu stellen. Störeinflüsse wie Rauschen, Jitter und Verzerrungen sind wesentlich kritischer. Um die Signal- und der Modulationsqualität zu beurteilen, wird ein Fehler-Vektor (Error Vector Magnitude, EVM) eingeführt.

Konstellations-Diagramm aufnehmen und Fehlervektor ermitteln

Das Bild 6 zeigt die Bedeutung dieses Fehlers, da er zu einem Interpretations-Fehler des übertragenen Zustandes führt. Der gemessene IQ-Vektor weicht vom theoretischen Referenzpunkt ab. Liegt der gemessene Punkt außerhalb des Toleranzfeldes – ein Kreisgebiet um den Sollwert – kann dieser Punkt als ein anderer Zustand interpretiert werden. Verständlich, dass bei einer 1024 QPSK dieser Fehlerkreis klein sein muss.

Die Messaufgabe besteht darin, dieses Konstellations-Diagramm aufzunehmen und den Fehlervektor zu bestimmen. Mit den Vektor-Signal-Analysatoren der CXA-Serie von Agilent lassen sich Konstellations-Diagramme als auch die Werte für die Phase und die Amplitude des Fehlervektors ermitteln.

Bild 7 zeigt zwei Messergebnisse: Oben das Konstellations-Diagramm für eine 16 QPSK, wobei die IQ-Signale durch einen herkömmlichen Arbiträrgenerator erzeugt wurden und ein gleichartiges Konstellations-Diagramm mit dem Unterschied, dass das IQ-Signal durch einen Trueform-Arbiträrgenerator 33522B erzeugt wurde. Die linke Bildhälfte zeigt die Unschärfe der Zustände – die IQ-Signale wurden mit einem herkömmlichen DDS- (Direct Digital Synthesis-)Arbiträrgenerator erzeugt.

Im rechten Bild ist der Fehlerkreis deutlich geringer. Hier kam der Trueform-Arbiträrgenerator 33522B zum Einsatz. Noch offensichtlicher wird der Unterschied in den jeweiligen oberen rechten Bildhälften, in denen der Betrag des EVM dargestellt ist. Diese Gegenüberstellung macht deutlich, dass zur Synthese der beiden Signale I- und Q-Generatoren mit einem geringem Rauschen und Jitter genutzt werden müssen.

* Klaus Höing ist für die Presse- und Öffentlichkeitsarbeit bei dataTec in Reutlingen zuständig.

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