Schnellere Charakterisierung von 5G-HF-Frontends

Mehr Frequenzbänder und größere Dynamikbereiche erhöhen die Anzahl an Messpunkten, die für die Charakterisierung und Produktion moderner HF-Frontends erforderlich sind. Die aktive Steuerung von Testzeiten und Kosten ohne Qualitätseinbußen ist so wichtig wie nie zuvor.

Systemaufbau mit R&S®Server-Based Testing
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Ihre Anforderung

Die Aufrüstung von Infrastruktur und Endgeräten für 5G gehört aktuell zu den wichtigsten Themen in der Kommunikationstechnik. Sie liefern das erforderliche HF-Frontend für die Realisierung der Drahtlosverbindung. Wesentliche Aspekte, um in einem hoch kompetitiven Umfeld erfolgreich zu bestehen, sind eine kurze Produkteinführungszeit und ein testfreundliches Design, das zur Optimierung der Fertigungskosten beiträgt. Sie suchen nach Möglichkeiten, wie Sie Ihre Produkte unter den vorgegebenen technischen und finanziellen Rahmenbedingungen schneller charakterisieren und herstellen können. Hohe Testgeschwindigkeiten sind für Sie nichts Neues. Kürzere Produktzyklen erfordern allerdings neue Ideen, die den Testdurchsatz bei der Charakterisierung verbessern.

Lösung von Rohde & Schwarz

Testroutinen auf Basis von R&S®Server-Based Testing kombinieren die parallele Ausführung von Messaufgaben durch leistungsstarke HF-Technik mit optimierter Multithread-Signalverarbeitung und sorgen so für höhere Testgeschwindigkeiten, Skalierbarkeit und eine verbesserte Geräteauslastung.

Lohnenswert: eine nähere Betrachtung der einzelnen Schritte

In Testroutinen für die Charakterisierung und Fertigung wird in der Regel jeder Testschritt sequenziell abgearbeitet: Der nächste Schritt folgt erst, wenn der vorherige Arbeitsschritt abgeschlossen wurde. Mit der Verbesserung der Testzeiten geht oftmals eine Reduzierung der Testtiefe oder Genauigkeit einher, sodass sich im späteren Betrieb möglicherweise erhöhte Ausfallraten ergeben können.
Will man nicht auf Genauigkeit verzichten und das erforderliche Qualitätsniveau beibehalten, so erfordert jeder Schritt oder jede Teilaufgabe eine gewisse Mindestzeit. Bei HF-Messungen muss man üblicherweise zwischen einem größeren Dynamikbereich und kürzeren Sweep-Zeiten abwägen, sprich zwischen Messgenauigkeit und Testgeschwindigkeit.
Bei einer typischen Charakterisierung über Amplitude und Frequenz wird in jedem Schritt derselbe Test durchgeführt. Es kann sich lohnen, die Dauer einer jeden Teilaufgabe genauer zu betrachten, um Zeitverluste aufzuspüren.

Sequenzieller Prozess
Sequenzieller Prozess
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Konkretes Beispiel: Erstellung eines EVM-Kennlinienfelds über Frequenz und Amplitude

Verschiedene Teilaufgaben sind erforderlich, um das Ergebnis an jedem Amplituden- und Frequenzpunkt zu erhalten. Das Erfassungsgerät muss seinen HF-Eingang auf beste Performance anpassen und anschließend das Signal aufzeichnen. Das aufgezeichnete Signal wird nachverarbeitet, um den EVM zu berechnen. Im Fall von 5G kann dies durchaus zeitaufwendig sein, da wir es mit einer komplexen Signalstruktur zu tun haben.
In der Regel befindet sich das HF-System im Leerlauf, während der EVM abgeleitet wird.
Anstatt jede Teilaufgabe sequenziell abzuarbeiten, lohnt es sich, nach Möglichkeiten zur Parallelisierung zu suchen. In unserem Beispiel entkoppeln wir am besten die Datenerfassung durch das HF-Gerät von der Auswertung der I/Q-Daten zur Ermittlung des EVM.
In der Praxis werden die HF-Daten vom Erfassungsgerät angepasst und abgetastet (Teilaufgabe 1 und 2). Die aufgezeichnete I/Q-Datei wird zur weiteren Verarbeitung auf einen Server übertragen, während das Messgerät bereits den nächsten Schritt zur Charakterisierung über Frequenz und Amplitude angehen kann.

Parallelisierung
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Auf diese Weise lässt sich die Geräteauslastung signifikant verbessern, wodurch sich Prüfmittel schneller amortisieren und Testzeiten deutlich verkürzen lassen.
Werden die EVM-Berechnungen auf einem leistungsstarken Server mit Mehrkern-CPU ausgeführt, werden statt eines einzelnen Auftrags mehrere Aufträge gleichzeitig abgearbeitet. Das Handling der Datenpakete und das Scheduling der Aufträge erfolgt mit R&S®Server-Based Testing automatisch durch die Applikation.

Parallelisierung und mehrere Aufzeichnungsgeräte
Parallelisierung und mehrere Aufzeichnungsgeräte
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5G-Frontends verfügen unter Umständen nicht nur über einen, sondern über mehrere HF-Ausgänge für Massive-MIMO- und Beamforming-Applikationen. Hochintegrierte Geräte meistern diese Herausforderung, indem sie vier oder mehr HF-Kanäle anbieten. Um die Testgeschwindigkeit zu erhöhen, zeichnen idealerweise mehrere HF-Erfassungsgeräte die Daten an mehreren Messobjekttoren gleichzeitig auf, um die Parallelisierung zu verbessern. Jedes Erfassungsgerät sendet die aufgezeichneten Daten an den Server zur EVM-Berechnung. R&S®Server-Based Testing übernimmt die restlichen Aufgaben und sorgt so für extrem schnelle Ergebnisse.

Vergleich der unterschiedlichen Ansätze
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Veranschaulichung anhand eines konkreten Testfalls
Betrachten wir die Analyse eines 5G-HF-Frontends mit 59 Amplitudenpunkten. Für jeden Punkt berechnen wir ACLR, EVM und SEM auf Basis eines kompletten 5G-Frames mit 100 MHz Bandbreite (10 ms). Wir nutzen Messgeräte aus der Mittelklasse – den R&S®SMBV100B Vektorsignalgenerator und den R&S®FSVA3000 Signal- und Spektrumanalysator. Der herkömmliche Ansatz, bei dem alle Teilaufgaben sequenziell abgearbeitet werden, dauert offensichtlich am längsten. Mit der Trennung von HF-Aufzeichnung und Datenanalyse gewinnt man an Geschwindigkeit. Abhängig von der Leistung des PCs oder Servers werden Aufträge, die zur Ermittlung des Ergebnisses beitragen, parallel ausgeführt. Dieser Effekt skaliert gut mit der Performance und der Anzahl an Kernen der verfügbaren CPU. Unsere Messungen zeigen Verbesserungen um den Faktor 3 bis über 5, sodass sich die Charakterisierung des Messobjekts mehr als fünfmal schneller durchführen lässt.

Fazit

Die Kombination aus R&S®Server-Based Testing und schnellen HF-Messgeräten ermöglicht deutlich kürzere Charakterisierungszeiten und schnellere Produktionstests, ohne Kompromisse bei Empfindlichkeit, Testabdeckung, Präzision oder Wiederholgenauigkeit. Gleichzeitig sorgt sie für eine verbesserte Geräteauslastung und Kosteneinsparungen. Der Produktionsdurchsatz steigt, Charakterisierungszeiten lassen sich deutlich verkürzen.

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