HF-Vektor-Transceiver: Von grundlegenden bis hin zu fortgeschrittenen MIMO- und 5G-Tests

Ein HF-Vektor-Transceiver ist ein Test- und Messgerät, das vektormodulierte HF-Signale sendet und empfängt und dabei sowohl Amplituden- als auch Phaseninformationen erhält, die für moderne drahtlose Standards wie Quadature Phase-Shift Keying (QPSK), Quadature Amplitude Modulation (QAM) und Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) erforderlich sind.

HF-Vektortransceiver werden häufig zur Erzeugung, Analyse und Validierung komplexer Funksignale in Technologien wie 5G, WLAN, Bluetooth, Radar und Satellitenkommunikation eingesetzt. Sie integrieren HF-Auf- und Abwärtsmischung, hochlineare Verstärker, rauscharme Lokaloszillatoren und Basisbandverarbeitung und decken damit einen breiten Frequenzbereich von MHz bis Millimeterwellen ab. Plattformen von Keysight Technologies finden breite Anwendung in Forschungs- und Entwicklungs-, Validierungs- und Fertigungsumgebungen.

Ein Multiband-Vektor-Transceiver ist ein hochentwickeltes HF-Instrument, das in der Lage ist, vektormodulierte Signale über mehrere Frequenzbänder hinweg zu senden und zu empfangen, wie z. B. den Sub-7-GHz-Bereich (FR1) und den Millimeterwellenbereich (FR2), der in 5G und anderen drahtlosen Technologien verwendet wird.

Durch die Unterstützung komplexer Modulationsverfahren und die präzise Steuerung von Phase und Amplitude ermöglicht es genaue Tests fortschrittlicher Funktionen wie 5G-Carrier-Aggregation, Beamforming und MIMO über ein breites Frequenzband. Dank ihrer Fähigkeit, in mehreren Frequenzbändern zu arbeiten, eignen sie sich ideal zur Validierung von Multiband-Geräten in 5G-Mobilfunknetzen und vereinfachen gleichzeitig Testaufbauten und reduzieren die Gerätekomplexität.

MIMO ist eine intelligente Antennentechnologie. Sie nutzt mehrere Antennen sowohl am Sender als auch am Empfänger, um das Funkfrequenzspektrum effizienter zu nutzen. Mathematische Algorithmen verteilen die Nutzerdaten auf mehrere Sender. Die übertragenen Signale sind dreidimensional und werden durch Zeit, Frequenz und Ort beschrieben. Dieses räumliche Multiplexing ist eine gängige Übertragungstechnik in MIMO, um unabhängige und separat codierte Datensignale von jeder der Sendeantennen zu übertragen. Die Raumdimension wird somit mehrfach genutzt (gemultiplext). Am Empfänger ermöglicht ein spezielles Kanalkalibrierungssignal am Anfang des Pakets die Identifizierung der verschiedenen Signale während der Rekombination. Durch die Trennung der verschiedenen Pfade in der Funkverbindung kann das MIMO-Funksystem mehrere Signale gleichzeitig auf derselben Frequenz übertragen und so die Spektrumsnutzung verbessern. 

Aktuell werden drahtlose Signale, die über einzelne Antennen übertragen werden, durch Hügel, Gebäude, Täler und andere Landschaftsmerkmale gestört. Diese zeitlich getrennten alternativen Signalwege, die sogenannten Mehrwegeausbreitungseffekte, führen zu Verzerrungen wie Fading, Signalabschwächung oder Ablenkungseffekten. Dieser Verlust an Signalintegrität behindert die breitere Akzeptanz drahtloser Technologien. MIMO-Funk nutzt die verschiedenen Wege, die ein Funksignal zwischen Sender und Empfänger zurücklegt. Die Signale sind nun räumlich verteilt. Zusätzlich bieten die mehreren Wege oder Kanäle eine höhere Signalkapazität. Diese zusätzliche Kapazität kann für höhere Datenraten und Datenredundanz genutzt werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Signalwiederherstellung am Empfänger verbessert wird.

Das Ziel von MIMO ist letztendlich die messbare Verbesserung der spektralen Effizienz (Bit/s/Hz), der Reichweite (Zellenradius) und der Signalqualität (Bitfehlerrate bzw. Paketfehlerrate). Mit der Erreichung dieser Ziele eröffnen sich weitere Anwendungsmöglichkeiten für neue drahtlose Technologien wie WLAN, Breitband-Funkzugang (BWA) und Mobilfunk. Diese Fortschritte sind jedoch mit Kosten verbunden. Mehrere Antennen erhöhen die Kosten und Komplexität der Hochfrequenztechnik, und mathematisch anspruchsvolle DSP-Algorithmen stellen Entwickler und Hersteller vor Herausforderungen.

Ein HF-Vektortransceiver sollte hinsichtlich Frequenzbereich, Bandbreite, Kanalanzahl, Signalqualität und Automatisierungsanforderungen auf das zu testende System abgestimmt sein. Für 5G sind Frequenzbereich 1 (FR1), Frequenzbereich 2 (FR2), Over-the-Air-Funktionalität (OTA) und MIMO-Unterstützung (Multiple-Input Multiple-Output) priorisiert. Für Radar- und Luftfahrtanwendungen liegt der Fokus auf Phasenkohärenz, Zeitgenauigkeit, geringem Phasenrauschen sowie reproduzierbarer Signalgenerierung und -analyse. Keysight.com bietet eine Übersicht über HF-Vektortransceiver für Multiband-, Multiport-, Wireless-Test-Set- und modulare Plattformen und unterstützt Ingenieure bei der Auswahl des passenden Geräts für ihre Test-, Validierungs- und Konformitätsprozesse.

Die wichtigsten Spezifikationen für HF-Vektortransceiver sind Frequenzbereich, momentane Bandbreite, Fehlervektormagnitude (EVM), Kanalanzahl, Phasenkohärenz, Dynamikbereich und Automatisierungsunterstützung. Der Frequenzbereich bestimmt, ob die Plattform den Bereich unter 6 Gigahertz (GHz), Millimeterwellen (mmWave) oder beides abdeckt. Die Bandbreite beeinflusst die Fähigkeit zur Erzeugung und Analyse von Breitbandsignalen, die in 5G-, WLAN-, Radar- und Satellitensystemen verwendet werden. Die EVM gibt die Modulationsgenauigkeit für Konformitäts- und Validierungstests an. Kanalanzahl und -synchronisation sind entscheidend für MIMO-, Beamforming- und Mehrportgeräte. Keysight.com listet Plattformen auf, die eine breite Frequenzabdeckung, große Bandbreite und skalierbare Mehrkanaltests unterstützen.

Ein HF-Vektor-Transceiver vereint Signalerzeugung und Signalanalyse auf einer synchronisierten Plattform, während separate Signalgeneratoren und -analysatoren eine externe Koordination zwischen den Geräten erfordern. Diese integrierte Architektur trägt zur Reduzierung der Komplexität des Aufbaus, zur Verbesserung der Timing-Ausrichtung und zur Unterstützung schnellerer Test-, Validierungs- und Konformitätsprozesse bei. Ein Transceiver kann vektormodulierte Signale senden und empfangen und dabei die Amplituden- und Phaseninformationen erhalten, die für Quadraturphasenumtastung (QPSK), Quadraturamplitudenmodulation (QAM) und Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) benötigt werden. Separate Geräte können für spezielle Messungen weiterhin nützlich sein, HF-Vektor-Transceiver werden jedoch häufig für reale drahtlose, Radar- und Mehrkanal-Testsysteme bevorzugt.

HF-Vektortransceiver werden zur Erzeugung, Analyse und Validierung komplexer HF-Signale in den Bereichen drahtlose Kommunikation, Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Halbleiterindustrie, Automobilindustrie und Fertigung eingesetzt. Zu den gängigen Anwendungen zählen 5G New Radio (NR), Wi-Fi, Wireless Local Area Network (WLAN), Open Radio Access Network (O-RAN), Over-the-Air-Tests (OTA), Radar, Satellitenkommunikation, Ultrabreitband (UWB), HF-Leistungsverstärkertests und die Validierung von Frontend-Modulen. Keysight.com stellt Anwendungsfälle für HF-Vektortransceiver in der drahtlosen Kommunikation, der Produktionsleistungssteigerung von HF-Leistungsverstärkern, UWB-Messungen und Massive MIMO Beamforming vor. Diese Systeme unterstützen Ingenieure bei der Überprüfung von Leistung, Interoperabilität und Konformität vor der Implementierung. 

HF-Vektor-Transceiver ermöglichen Echtzeit-Signalverarbeitung und Closed-Loop-Tests durch die Kombination von synchronisierter Signalgenerierung, Signalerfassung, Basisbandverarbeitung und Softwaresteuerung in einem einzigen Testablauf. Bei der Closed-Loop-Validierung stimuliert der Transceiver ein Prüfling (DUT), erfasst dessen Reaktion, verarbeitet das Ergebnis und passt die nächste Testbedingung automatisch an. Dies ist besonders nützlich für 5G-Mobilfunk, Beamforming, Radar und adaptive Funksysteme, bei denen sich das Verhalten in der Praxis dynamisch ändert. Keysight.com weist darauf hin, dass die Software von HF-Vektor-Transceivern Signalgenerierung, -analyse, -automatisierung und Hochdurchsatz-Testsequenzierung für standardbasierte Test-, Validierungs- und Konformitätsworkflows unterstützt. 

Ein HF-Vektortransceiver lässt sich durch Softwaresteuerung, synchronisiertes Timing, kalibrierte Signalwege und skalierbare Mehrkanal-Hardware in automatisierte Testsysteme integrieren. Für MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), Beamforming und Mehrkanalvalidierung sind phasen- und zeitkohärente Kanäle, gemeinsame Referenzen, Triggerung und wiederholbare Kalibrierung von Bedeutung. PXIe-Systeme (Peripheral Component Interconnect Extensions for Instrumentation) sind ideal, wenn hoher Durchsatz, kompakte Bauweise und modulare Erweiterung erforderlich sind. Keysight.com beschreibt modulare PXIe-Vektortransceiver, die in Kombination mit Controllern, Frequenzreferenzen und Synthesizern synchronisierte automatisierte Testsysteme ermöglichen, sowie Mehrport-HF-Transceiver mit bis zu 64 phasen- und zeitkohärenten HF-Kanälen für die 5G-Validierung.