Signalgeneratoren sind seit langem ein Eckpfeiler der Telekommunikationsprüfung, aber die Ankunft von 5G hat die Messlatte dramatisch angehoben. Mit ihrer Abhängigkeit von Millimeterwellenfrequenzen, massiven MIMO-Arrays und komplexen Modulationsschemata erfordert 5G Testgeräte, die reale Bedingungen mit beispielloser Präzision replizieren können. Die neuesten Innovationen in der Signalgeneratortechnologie sind keine inkrementellen Verbesserungen; sie stellen eine grundlegende Veränderung in der Art und Weise dar, wie Ingenieure die Netzwerkvalidierung angehen, vom Labor bis zum Einsatz im Feld. Diese Fortschritte ermöglichen schnellere Zertifizierungszyklen, genauere Leistungsbewertungen und ein Maß an Flexibilität, das mit den sich schnell entwickelnden 5G-Standards Schritt hält.

Evolution von Signalgeneratoren für 5G-Netzwerke

Der Übergang von 4G zu 5G zwang ein Umdenken bei der Signalerzeugung. Frühere Generationen arbeiteten hauptsächlich unter 6 GHz, aber 5G NR führt den Frequenzbereich 1 (FR1, sub-6 GHz) und den Frequenzbereich 2 (FR2, mmWave von 24 GHz auf über 50 GHz) ein. Herkömmliche Signalgeneratoren konnten die erforderlichen breiten Bandbreiten nicht bewältigen - bis zu 400 MHz pro Kanal in FR2. Ingenieure benötigten Instrumente, die in der Lage waren, hochstabile, niederphasige Rauschsignale über diese Bänder zu erzeugen und gleichzeitig die volle Flexibilität der 5G-Numerologie zu unterstützen, einschließlich variabler Trägerabstand und Slot-Formate.

Moderne Signalgeneratoren haben sich der Herausforderung gestellt. Sie integrieren jetzt mehrere Radiofrequenzketten (RF), digitale Vorverzerrung und Echtzeitsignalverarbeitung, um die komplexen Wellenformen zu erzeugen, die in 5G verwendet werden. Über einfache kontinuierliche Wellen hinaus können diese Instrumente 5G-NR-konforme Testmodelle (NR-TM) und Fading-Profile erzeugen, die realistische Ausbreitungsumgebungen nachahmen. Die Entwicklung wurde durch die Notwendigkeit getrieben, nicht nur die physikalische Schicht, sondern auch die höheren Protokolle und Netzwerkaufteilungsfunktionen zu testen, die für 5G von zentraler Bedeutung sind. Da Netzbetreiber auf eigenständige 5G-Kernarchitekturen drängen, hat sich die Rolle des Signalgenerators von einer einfachen Reizquelle zu einer ausgeklügelten Plattform erweitert, die ganze Netzwerkszenarien simuliert.

Wichtige Innovationen, die die Leistung antreiben

Breitband- und High-Fidelity Signalerzeugung

Einer der wichtigsten Durchbrüche ist die Fähigkeit, Breitbandsignale mit außergewöhnlicher spektraler Reinheit zu erzeugen. Für 5G NR muss ein Testsignal eine geringe Fehlervektorgröße (EVM) über eine Bandbreite hinweg beibehalten, die in FR1 100 MHz oder mehr und in FR2 bis zu 400 MHz betragen kann. Neue Digital-Analog-Wandler (DAC)-Architekturen, die mit Abtastraten von mehr als 100 GS/s betrieben werden, ermöglichen es Signalgeneratoren, diese Breitbandwellenformen direkt ohne komplexe Frequenzumwandlungsschemata zu erzeugen. Die High-Fidelity-Generierung stellt sicher, dass Beeinträchtigungen, die in einem zu testenden Gerät gemessen werden, auf das Gerät selbst und nicht auf die Testausrüstung zurückzuführen sind.

Darüber hinaus hat sich die Phasenrauschleistung dramatisch verbessert. Bei mmWave-Frequenzen kann Phasenrauschen die Fehlerrate von QAM-Modulationen hoher Ordnung wie 256-QAM und 1024-QAM verschlechtern. Moderne Signalgeneratoren verwenden Frequenzsynthese mit niedrigem Rauschen und digitale Löschungsverfahren, um Phasenrauschpegel unter -140 dBc/Hz bei 10 kHz-Offset zu erreichen. Dieser Reinheitsgrad ist für die genaue Bewertung der Empfängerempfindlichkeit, der Nachbarkanalselektivität und der Blockerausschluss unerlässlich - alles entscheidend für 5G-Basisstationen und Endbenutzergeräte.

AI‐Driven Optimierung und Adaption

Künstliche Intelligenz beginnt, die Funktionsweise von Signalgeneratoren zu verändern. Statt auf die manuelle Konfiguration aller Parameter zu setzen, können neue Instrumente aus der Umgebung lernen und das Testsignal automatisch anpassen. Beispielsweise kann der Signalgenerator bei einem Over-the-Air (OTA)-Test eines 5G-Handys die empfangene Leistung an der Geräteantenne analysieren und den Strahlformungswinkel so anpassen, dass eine stabile Verbindung erhalten bleibt. Diese dynamische Optimierung reduziert die Testzeit, indem die iterative manuelle Abstimmung, die zuvor Stunden verbraucht hat, eliminiert wird.

Machine Learning-Algorithmen helfen auch bei der Erstellung von Worst-Case-Interferenzszenarien. Durch die Untersuchung von Protokollen aus Feldversuchen kann ein KI-verstärkter Signalgenerator spezifische Fading-Bedingungen und Co-Channel-Interferenzmuster reproduzieren, die bei Live-Bereitstellungen problematisch waren. Ingenieure nutzen diese realistischen Testfälle dann, um sowohl Hardware- als auch Softwareverbesserungen zu validieren. Das Ergebnis ist ein Testprozess, der nicht nur schneller ist, sondern auch repräsentativer für das reale Netzwerkverhalten.

Software-definierte Signalarchitekturen

Die Umstellung auf softwaredefinierte Signalgeneratoren hat den Weg für 5G-Tests geebnet. Traditionelle hardwarebasierte Generatoren waren an spezifische Luftschnittstellen gebunden; Upgrades zur Unterstützung einer neuen Version von 5G NR erforderten oft ein neues Instrument. Heute entkoppeln softwaredefinierte Architekturen die Signalerzeugung von der physischen Hardware. Ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) oder ein Allzweckprozessor läuft mit einem flexiblen Software-Stack, der bei sich entwickelnden 3GPP-Spezifikationen aktualisiert werden kann. Dieser Ansatz ermöglicht es einem einzelnen Instrument, nicht nur 5G NR, sondern auch LTE, NB-IoT und sogar ältere 2G/3G-Standards zu unterstützen - alles ohne Hardware zu ändern.

Software-definierte Generatoren erleichtern auch die Implementierung benutzerdefinierter Wellenformen für Forschung und Entwicklung. Ingenieure können ihre eigenen 5G-NR-Slot-Konfigurationen, Pilotmuster und Steuerungskanalplatzierungen schreiben, was für das Testen neuer Algorithmen für Strahlmanagement oder Linkadaption von unschätzbarem Wert ist. Die gleiche Flexibilität ermöglicht ein schnelles Prototyping von 5G-Advanced-Funktionen, wie z. B. eine verbesserte Carrier-Aggregation mit 32 Komponententrägern oder den Vollduplex-Betrieb. Wie die Signalgeneratoren von Keysight zeigen, bieten Software-Updates jetzt neue Funktionen, lange nachdem die Hardware eingesetzt wurde, was die Lebensdauer des Instruments verlängert.

Fortgeschrittene Wellenformerzeugung und Vorverzerrung

Die Erzeugung einer echten 5G-NR-Wellenform erfordert mehr als nur die Einstellung eines Leistungspegels und einer Frequenz. Der Signalgenerator muss die OFDM-Symbole mit der richtigen Unterträgerzuweisung, dem zyklischen Präfix und dem Fenstern genau erzeugen. Neuere Instrumente enthalten dedizierte Wellenform-Generierungsmodule, die die vollständige Basisbanddarstellung einer 5G-NR-Übertragung in Echtzeit erstellen können. Sie können auch die vollständigen Downlink- und Uplink-Strukturen simulieren, einschließlich Synchronisationssignalblöcke (SSB), physikalischer Broadcast-Kanal (PBCH) und Demodulationsreferenzsignale (DM-RS).

Auch in Signalgeneratoren ist eine digitale Vorverzerrung (DPD) integriert. DPD kompensiert Nichtlinearitäten im generatoreigenen Leistungsverstärker, so dass das Ausgangssignal auch bei hoher Ausgangsleistung sauber bleibt. Dies ist insbesondere bei der Prüfung von Leistungsverstärkern für Basisstationen wichtig, bei denen das Testsignal eine saubere Darstellung der beabsichtigten modulierten Wellenform sein muss. Ohne DPD würde die eigene Verzerrung des Verstärkers die Leistung des zu testenden Geräts maskieren.

Verbesserung von Phasenrauschen und Jitter

In 5G-Netzen ist die Zeitgenauigkeit von größter Bedeutung. Die internen Uhren und Abtastsysteme des Signalgenerators müssen extrem niedrige Jitter erzeugen, um das enge Timing-Budget von 5G NR zu unterstützen. Jitter im Testsignal führt direkt zu einer erhöhten EVM, die dazu führen kann, dass ein Gerät die Spezifikationsgrenzen nicht erfüllt, selbst wenn das Gerät selbst korrekt funktioniert. Moderne Generatoren verwenden integrierte Taktmultiplikatoren mit Phasenregelkreisen (PLLs), die einen Jitter unter Pikosekunden erreichen. Einige Instrumente bieten auch externe Referenzeingänge, die mit einem Cäsium- oder Rubidium-Standard in Netzwerkqualität gesperrt werden können Labormessungen, die die Synchronisationsgenauigkeit eines aktiven Netzwerks nachbilden.

Verbesserung der Testflexibilität und des User Workflow

Neben der Rohleistung sind moderne Signalgeneratoren so konzipiert, dass sie den Test-Workflow optimieren. Ingenieure müssen nicht mehr jeden Parameter über eine Front-Panel-Schnittstelle mühsam programmieren. Die neuesten Instrumente verfügen über intuitive Touch-Screen-Displays, Drag-and-Drop-Wellenform-Editoren und API-gesteuerte Fernbedienung, die sich nahtlos in automatisierte Testsequenzen integrieren lässt. Viele Generatoren unterstützen SCPI-Befehle, Python-Scripting und branchenübliche Testautomatisierungs-Frameworks wie LabVIEW und MATLAB.

Modularität ist ein weiterer entscheidender Trend. Anstatt eine einzelne Box zu kaufen, die alle Frequenzen abdeckt, können Ingenieure jetzt einen Mainframe mit austauschbaren Modulen für verschiedene Bänder und Anwendungen verwenden. Dieser Ansatz ist besonders vorteilhaft für F & E-Labors, die Geräte gleichzeitig über mehrere 5G-Bänder testen müssen. Ein Modul, das 28 GHz handhabt, kann innerhalb von Minuten gegen ein 39 GHz-Modul ausgetauscht werden, wodurch die Investitionsausgaben reduziert werden, die sonst erforderlich wären, um mehrere dedizierte Instrumente zu kaufen.

Auch die Remote-Collaboration hat Priorität erlangt. Mit verteilten Engineering-Teams und dem Aufstieg von „Lab as a Service verfügen Signalgeneratoren nun über integrierte Webserver und sichere Remote-Zugriffsmöglichkeiten. Ein Team in San Diego kann einen Signalgenerator in einem Labor in München steuern und in Echtzeit die gleiche Testumgebung und Daten teilen. Diese Fähigkeit war während der Pandemie von entscheidender Bedeutung und beschleunigt weiterhin globale Produktentwicklungszyklen.

Die Automatisierung wird durch Cloud-basierte Testorchestrierung weiter verbessert. Einige Signalgeneratorplattformen ermöglichen es Testingenieuren nun, Sequenzen auf einem Cloud-Dashboard zu definieren, das dann die Konfiguration an eine Flotte von Generatoren in verschiedenen Testkammern sendet. Dieser "Lights-Out" -Ansatz reduziert manuelle Eingriffe und erhöht den Durchsatz von Regressionstests. Wie die Signalgeneratoren von Rohde & Schwarz zeigen, ermöglicht die Konvergenz von Hardware und Software ein neues Niveau der Betriebseffizienz bei der 5G-Validierung.

Auswirkungen auf wichtige 5G-Testszenarien

Over-the-Air (OTA) Testing

Eine der anspruchsvollsten Anwendungen für Signalgeneratoren in 5G ist die Over-the-Air-Prüfung. Da 5G in großem Umfang Beamforming nutzt, reicht es nicht mehr aus, Geräte über eine leitfähige Kabelverbindung zu testen. OTA-Prüfung erfordert, dass der Signalgenerator eine bekannte Wellenfront erzeugt, die aus einem bestimmten Winkel auf das Antennenarray des Geräts trifft. Innovationen in mehrkanaligen Signalgeneratoren ermöglichen die Erzeugung mehrerer unabhängiger phasenkohärenter Signale, die jeweils eine andere Antenne in einer Testkammer speisen. Durch die präzise Steuerung der Phase und Amplitude dieser Signale können Ingenieure eine aus jeder Richtung sendende Basisstation emulieren und so die Beamlenkung, das Beammanagement und die räumlichen Multiplexfähigkeiten des Geräts validieren.

Breitband- und High-Fidelity-Generatoren sind für OTA von wesentlicher Bedeutung, da jeder Amplituden- oder Phasenfehler direkt die Eintreffwinkelmessung beeinflusst. Die strengsten Spezifikationen erfordern eine Phasenkohärenz innerhalb von ±1° über die Testbandbreite. Neue Generatoren mit phasensynchronisierten Ausgängen über mehrere Module hinweg ermöglichen es, OTA-Testsysteme von wenigen Antennenelementen bis zu Dutzenden, die in massivem MIMO verwendet werden, zu skalieren. Diese Skalierbarkeit ist eine direkte Folge der zuvor diskutierten modularen und softwaredefinierten Architekturen.

Massive MIMO und Beamforming Validation

Massive MIMO-Basisstationen (Multiple-Input Multiple-Output) können 64, 128 oder sogar 256 Antennenelemente aufweisen. Um ein solches System zu testen, ist ein Signalgenerator erforderlich, der gleichzeitig alle Empfangsketten mit bekannten Testsignalen stimulieren kann. Moderne Generatoren bieten parallele HF-Ausgänge, die phasenkohärent und frequenzgekoppelt sind, was eine Vollarray-Charakterisierung ermöglicht. Die Fähigkeit, unterschiedliche Strahlformungsgewichte für jeden Ausgabepfad zu erzeugen, ermöglicht es Ingenieuren, ein bekanntes räumliches Profil zu injizieren und dann einen Netzwerkanalysator zur Messung des resultierenden Strahlmusters zu verwenden. Ohne diese Mehrkanalfähigkeit würde das Testen eines massiven MIMO-Arrays Hunderte von separaten Generatoren erfordern, was sowohl in Bezug auf Kosten als auch auf Komplexität unpraktisch ist.

Network Slicing und Protokolltest

5G ermöglicht es Betreibern, die gleiche physische Infrastruktur zu partitionieren, um verschiedene Dienste zu unterstützen (z. B. ultrazuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz, verbessertes mobiles Breitband, massives IoT). Signalgeneratoren enthalten jetzt eine Protokollemulation mit höherer Schicht, die mehrere Schichten gleichzeitig simulieren kann. Zum Testen eines Kernnetzwerk-Slice-Managers kann der Generator Verkehrsströme mit unterschiedlichen QoS-Profilen erzeugen und dann überprüfen, ob die Basisstation und der Kern jede Schicht richtig leiten. Dies versetzt Signalgeneratoren über einfache physikalische Schicht-Testtools hinaus in den Bereich der End-to-End-Validierung.

Carrier Aggregation und Dual Connectivity

5G NR arbeitet sowohl in FR1 als auch FR2 und es wird erwartet, dass Geräte Träger über diese Bänder aggregieren. Das Testen der Trägeraggregation erfordert einen Signalgenerator, der mehrere unabhängige Signale erzeugen kann, jedes mit seiner eigenen Frequenzversatz-, Leistungs- und Kanalkonfiguration. Fortgeschrittene Generatoren können bis zu 16 oder 32 Komponententräger in einem einzigen Instrument mit unabhängigen Fading-Profilen für jedes erzeugen. Dies ermöglicht realistische Durchsatz- und Handover-Tests, die die tatsächlichen Netzwerkbereitstellungen widerspiegeln.

Ebenso verlangen LTE‐NR-Dual-Connectivity-Szenarien (EN‐DC), dass der Generator sowohl einen LTE-Ankerträger als auch einen 5G-NR-Träger zeit- und frequenzsynchronisiert herstellt. Moderne Generatoren erfüllen diesen Bedarf durch die Verwendung eines gemeinsamen Referenztakts und digitaler Basisband-Motoren, die den zeitlichen Ablauf der beiden Signale innerhalb der von 3GPP festgelegten Toleranzen ausrichten.

Future Directions: Vorbereitung auf 5G-Advanced und 6G

Die Innovationen in der Signalerzeugung sind noch nicht fertig. Das 3GPP Release 18 und darüber hinaus, zusammen als 5G-Advanced bezeichnet, wird noch komplexere Funktionen einführen: integrierte Sensorik und Kommunikation, künstliche Intelligenz in der Luftschnittstelle und erweiterte Unterstützung für erweiterte Realität (XR). Signalgeneratoren müssen bereit sein, diese Fähigkeiten zu testen. Der Trend zu softwaredefinierten Instrumenten stellt sicher, dass viele dieser Funktionen durch Firmware-Updates hinzugefügt werden können, aber auch Hardware-Headroom ist entscheidend. Generatoren der nächsten Generation werden mit zusätzlicher Bandbreite (bis zu 2 GHz interne Bandbreite), höherem Dynamikbereich und schnelleren Schaltgeschwindigkeiten entwickelt, um die Anforderungen der Carrier-Aggregation mit bis zu 64 Komponententrägern zu erfüllen.

Mit Blick auf die Zukunft von 6G, das voraussichtlich über 100 GHz betrieben wird, müssen Signalgeneratoren Signale mit Bandbreiten von mehr als 10 GHz erzeugen. Es gibt bereits Forschungsprototypen, die mit Hilfe der photonisch unterstützten Erzeugung mmWave- und Sub-THz-Signale erzeugen. Diese Systeme nutzen optische Frequenzkämme und Photodioden, um Frequenzen zu erzeugen, die außerhalb der Reichweite der herkömmlichen Elektronik liegen. Noch im Labor werden die von diesen photonischen Signalgeneratoren demonstrierten Prinzipien schließlich kommerzialisiert, um sicherzustellen, dass die Testgeräte auf die Flugbahn der Funktechnologie ausgerichtet bleiben.

Darüber hinaus kann die Integration der Digital-Twin-Technologie es ermöglichen, Signalgeneratoren auf der Grundlage eines virtuellen Modells der Netzwerkumgebung zu programmieren. Anstatt Fading-Profile manuell zu konfigurieren, könnte ein Ingenieur den Generator mit einem digitalen Zwilling einer Stadt versorgen, und der Generator würde Signale erzeugen, die den genauen Ausbreitungsbedingungen für einen bestimmten Standort entsprechen. Dies ist eine natürliche Erweiterung der KI-gesteuerten Optimierung und würde die Zeit für die Feldsimulation drastisch reduzieren.

Fazit: Ein entscheidender Enabler für den 5G-Erfolg

Der schnelle Einsatz von 5G-Netzen auf der ganzen Welt wäre ohne parallele Fortschritte bei der Testausrüstung nicht möglich gewesen. Signalgeneratoren haben sich von einfachen Sinuswellenquellen zu komplexen, softwaredefinierten Plattformen entwickelt, die den vollen Reichtum einer 5G-Luftschnittstelle simulieren können. Innovationen in der Breitbanderzeugung, KI-gesteuerte Optimierung, softwaredefinierte Architektur und modulares Design haben diese Instrumente schneller, genauer und vielseitiger als je zuvor gemacht.

Da 3GPP 5G-Advanced weiterhin definiert und mit der Arbeit an 6G beginnt, muss die Signalgeneratortechnologie Schritt halten. Die Grundlagen der heutigen Innovationen stellen sicher, dass die Test- und Messindustrie sich der Herausforderung stellt. Für Netzbetreiber und Gerätehersteller ist die Investition in die hochmoderne Signalerzeugung nicht nur ein Kostenfaktor, sondern eine strategische Notwendigkeit, um sicherzustellen, dass 5G-Netze die Leistung, Zuverlässigkeit und Flexibilität liefern, die Benutzer und Anwendungen verlangen. Die Reise vom Labor zum Live-Einsatz ist mit präzisen, wiederholbaren Signalen gepflastert - und moderne Signalgeneratoren sind die Werkzeuge, die diesen Weg ebnen.