Auch in der Automobilindustrie ist höchste Zuverlässigkeit gefragt, wenn es um Fahrerassistenztechnologien und autonome Fahrfunktionen geht. Und bei der Entwicklung von Lösungen für das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) ist eine umfassende Konnektivität in Verbindung mit einem geringen Stromverbrauch erforderlich, um Netzwerke mit mobilen Sensoren zu unterstützen.
Die Spezifikation für 5G befasst sich daher mit drei Anwendungsbereichen. Das erste zentrale Element ist eine höhere Bandbreite durch verbessertes mobiles Breitband (eMBB). Geringe Latenz (URLLC) und Zuverlässigkeit sind die Aspekte der Kommunikation von 5G laut den Spezifikationen. Damit Millionen von Knotenpunkten innerhalb eines Quadratkilometers unterstützt werden können, wurde die mMTC („Massive Machine Type Communication“) definiert.
In mehreren Projekten wurden diese Fähigkeiten bereits unter Beweis gestellt. So hat der Hamburger Hafen in dem Projekt „5G MoNArch“ die Funktionalität von 5G mit drahtlos verbundenen Ampeln getestet. Gleichzeitig wurde die umfassende Konnektivität mit Bewegungssensoren auf Schiffen getestet. Audi hat im Fertigungsbereich ebenfalls gezeigt, was mit dem Einsatz der latenzarmen Features von 5G möglich ist. Ein Roboterarm zum Einbau von Airbags in Lenkräder, der mit PROFIsafe über 5G gesteuert wurde, wies bei dieser sicherheitskritischen Anwendung Latenzen von unter 1 ms auf.
Der nächste Schritt ist der Ausbau der 5G-Infrastruktur, den die Europäische Kommission als entscheidend für den Erhalt von Europas Position als Technologieführer ansieht. 5G ist in Mitteleuropa gut etabliert, aber nicht immer dort, wo sich die Produktionsstätten befinden. Um hier Abhilfe zu schaffen, haben einige Länder, wie zum Beispiel Deutschland, Teile des verfügbaren Funkspektrums für private 5G-Netze reserviert. Dadurch können Standorte wie Fabriken, Ausstellungszentren und Flughäfen 5G ausschließlich für die Anforderungen ihrer Einrichtungen einsetzen.
Messung der HF-Leistung
Ein wesentlicher Aspekt bei der Entwicklung von HF-Produkten ist die Messung der HF-Leistung. 5G verwendet effizientes orthogonales Frequenzmultiplexing (OFDM). Bei dieser Modulationstechnik besteht eine Herausforderung jedoch darin, dass das Verhältnis von Spitzen- zu Durchschnittsleistung (PAPR) des Ausgangssignals das 10- bis 20-Fache (10 bis 13 dBm) erreichen kann. Mithilfe der sogenannten Crest Factor Reduction (CFR) können diese Spitzenwerte minimiert werden, sodass sich mit einem entsprechend konzipierten HF-Leistungsverstärker ein Wirkungsgrad von etwa 30 Prozent erzielen lässt. Die Messung der PAPR-Reduzierung erfolgt mithilfe der komplementären kumulativen Verteilungsfunktion („Complementary Cumulative Distribution Function“, CCDF).
Die HF-Spitzenleistungssensoren der Serie RFP3000 von BK Precision wurden speziell zur Unterstützung solcher CCDF-Messungen entwickelt. Mit einer Länge von 14,5 cm und einer Grundfläche von 4,3 cm2 erfassen und berechnen diese kalibrierten Leistungsmesssensoren die Momentan-, Durchschnitts- und Spitzenleistung von modulierten HF-Breitbandsignalen. Die Stromversorgung erfolgt über die USB-Typ-B-Schnittstelle des Host-PCs. Der interne Digitalisierer arbeitet mit bis zu 100 Millionen Abtastungen pro Sekunde. Dabei bieten die sechs Sensoren je nach Modell einen maximalen Dynamikbereich von -50 bis 20 dBm, einen Frequenzbereich von 50 MHz bis 40 GHz und eine Frequenzbandbreite von 350 kHz bis 195 MHz. Rise-Zeiten von bis zu 3 ns können aufgelöst werden.
Durch den Hochleistungsdetektor in Verbindung mit dem integrierten digitalen Real-Time Power Processing (RTPP) zur Linearisierung der Antwort hält die Signalverarbeitung mit der Erfassung Schritt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Sweep-Zyklus verlängert werden kann und der Probenpuffer nicht überläuft. Somit werden Datenverluste aufgrund von Erfassungslücken, wie sie bei herkömmlichen Leistungsmessern auftreten, vermieden. Die Messungen werden in der zugehörigen Windows-basierten Power-Analyzer-Software angezeigt.
Es können bis zu acht Sensoren gleichzeitig verwendet werden. Für die interne oder externe Mehrkanal-Triggerung mit einem Jitter von < 100 ps ist auch ein bidirektionaler Multifunktionsanschluss verfügbar. Jeder Sensor besitzt ein SeaLATCH USB-Kabel für eine robuste zugängliche Verbindung, die mit einer Rändelschraube gesichert ist.
Für die Messung der HF-Leistung steht den Entwicklern eines der HF-Leistungsmessgeräte der RFM3000-Serie zur Verfügung. Diese Geräte sind mit zwei oder vier Kanälen, Gigabit-LAN und einer optionalen GPIB-Schnittstelle erhältlich und eignen sich ideal für den Einsatz im Labor. Das 5-Zoll-WVGA-Touch-Display vereinfacht die Konfiguration und Analyse von Leistungsmessungen und wird mit einem gummierten Tasten-Eingabefeld geliefert. Das Gerät bietet zudem einen HDMI-Ausgang für ein externes Display. Jeder Kanal verfügt über einen Synchronisationsanschluss und ein HF-Ausgang liefert ein Testquellensignal zur Überprüfung des Sensorbetriebs.
Datenprotokollierung per Funk
Aufgrund ihrer ständigen Verfügbarkeit und ihrer inhärenten Sicherheit eignen sich Mobilfunknetze ideal für IoT-Anwendungen. Es wurden bereits viele Projekte realisiert, um Smart Cities zu entwickeln, die Ernteerträge in der Landwirtschaft zu verbessern und die Umwelt zu überwachen. Eine der Herausforderungen bei solchen Projekten besteht darin, ein geeignetes Gateway zu finden, um Sensormessdaten zu sammeln und sie an ein Cloud-basiertes Dashboard zu liefern.
Der Sensor-Hub-Datenlogger in Industriequalität von Seeed Studio löst dieses Problem mit einem IP66-zertifizierten Mobilfunk-Gateway (vollständiger Staubschutz; Schutz vor starkem Wasserstrahl) in einem UV-beständigen Gehäuse.
Über seine Modbus-RTU RS485-Schnittstellen unterstützt der Datenlogger bis zu 32 Sensoren. Die vier 5-poligen SP1310/P5IN-Anschlüsse ermöglichen den Anschluss von vier Sensoren direkt an das Gerät, wobei Splitterkabel die Konnektivität für zusätzliche Sensoren gewährleisten. Mit der integrierten 6-Ah-Lithiumbatterie kann der Datenlogger mehr als zwei Wochen lang betrieben werden (für sieben Messparameter), falls die verfügbare Stromquelle ausfällt. Für die Speicherung von Sensordaten bei Ausfall der Verbindung steht außerdem eine Speicherkapazität von 10 MB zur Verfügung, sodass bis zu 700.000 Messungen lokal gespeichert werden können. Das Gerät verfügt außerdem über einen GPS-Empfänger für die Standortverfolgung.
Mithilfe der verfügbaren Dokumentation ist die Einrichtung einfach. Sie müssen das Gerät nur öffnen, um die SIM-Karte einzulegen, die Sensoren anschließen und die Antenne anbringen, dann können Sie das Gerät einschalten. Über eine serielle Schnittstelle können Sie das Gerät lokal an den USB-Anschluss eines PCs anschließen. Das Gerät kann mit der SenseCAP Cloud Platform oder einem alternativen Cloud-Dienst nach Wahl des Implementierungsteams verbunden werden. Außerdem stehen mehrere SenseCAP-Umweltsensoren zur Verfügung, die zahlreiche Werte messen, von Temperatur und Luftfeuchtigkeit bis hin zu Windgeschwindigkeit und Feinstaub, die alle vom Datenlogger erkannt werden. Es können auch benutzerdefinierte Sensoren entwickelt werden, wobei die Konfigurationseinstellungen sicherstellen, dass ihre Messwerte korrekt interpretiert werden können.
Das richtige Signal empfangen
Das Testen von HF-Designs kann anspruchsvoll sein. Häufig müssen Signale erzeugt werden, die normalerweise nicht auftreten würden, um die Reaktionsfähigkeit des Systems zu beurteilen. Für diesen Zweck eignen sich vor allem Geräte wie die Funktions-/Arbiträrwellenformgeneratoren der T3AFG-Serie von Teledyne LeCroy.
Die Geräte bieten Bandbreiten von 5 MHz bis zu 120 MHz in ein- und zweikanaligen Versionen und lassen sich über ihre USB- oder LAN-Schnittstellen leicht in eine automatisierte Testumgebung integrieren. Mit Zweikanal-Geräten können große Signale mit kleinen Features konstruiert werden, indem die Ausgänge über einen BNC-T-Adapter summiert werden. Zudem ist eine genaue Phasenkontrolle der beiden Ausgänge möglich, da sie eine gemeinsame Zeitbasis haben.
Der T3AFG120 verfügt über eine Bandbreite von 120 MHz, zwei Ausgangskanäle und eine vertikale Auflösung von 16 Bit für geringere harmonische Verzerrungen und nichtharmonische Störsignale. Bei Anschluss an eine hochohmige Last können die Ausgänge 20 Vpp unterhalb von 20 MHz und 10 Vpp oberhalb davon liefern. Der Sinuswellenausgang liefert bei 60 MHz und 0 dBm fast keine störenden Artefakte. Während der Konfiguration der Wellenform sind die Anstiegs- und Abfallzeiten von 8,4 ns bis 22,4 s unabhängig voneinander über den gesamten Frequenzbereich konfigurierbar. Der 4,3-Zoll-TFT-Farbbildschirm, die Tasten und das Scrollrad vereinfachen die Bedienung für den Benutzer.
Das Gerät unterstützt nicht nur die typischen Standardwellenformen (Sinus, Rechteck, Rampe, Puls, Rauschen), sondern verfügt auch über 196 integrierte Arbiträrwellenformen. Jeder Kanal besitzt einen Speicher von 8 Mpts, wobei die Modulationsarten von AM und FM bis hin zu PM, FSK, Sweep und PSK reichen. Der Burst-Modus unterstützt die Betriebsarten „n-Zyklus“ und „gated“, wobei die Burst-Quelle zwischen interner oder externer beziehungsweise manueller Triggerung gewählt werden kann. Selbst definierte Wellenformen können bis zu einer Auflösung von 1 µHz konfiguriert und im internen Speicher abgelegt werden.
Geeignete Messwerkzeuge
Im Laufe der Jahre sind die Test- und Messgeräte immer kleiner geworden und nehmen immer weniger wertvollen Platz auf dem Prüfstand ein. Viele Geräte
eignen sich jedoch nach wie vor nur für eine einzige Messaufgabe und benötigen unterschiedliche Softwarepakete zur Programmierung und Steuerung. Dies macht die Erstellung automatisierter Testaufbauten zu einer Herausforderung.
Mit dem SIGNALlab 250-12 von Red Pitaya ändert sich dies grundlegend. Dieses Gerät basiert wie die anderen Produkte des Unternehmens auf einem Xilinx Zynq FPGA mit einem integrierten Arm Cortex-Prozessor. Aufgrund seiner Konstruktion eignet es sich jedoch besser für die Anwendungsentwicklung und Forschung in Umgebungen, in denen es besonders auf Robustheit ankommt.
Durch die Kombination aus Eingängen, Ausgängen und Programmierbarkeit kann das SIGNALlab mithilfe verschiedener integrierter und herunterladbarer Apps ein breites Spektrum an Test- und Messgeräten nachbilden. Das Anwendungsspektrum reicht von Oszilloskopen und Signalgeneratoren bis hin zu Spektrumanalysatoren, Bode-Analysatoren und – mit einem optionalen Erweiterungsmodul – sogar einem LCR-Meter.
Neue Anwendungen können auch mit Python, Scilab, MATLAB oder LabVIEW programmiert werden. Für Experimentierfreudige können erweiterte Funktionen für den Xilinx Zynq FPGA entwickelt werden. Alle Mess- und Testfunktionen können über eine Webbrowser-Schnittstelle aufgerufen werden, sodass das Gerät mit jedem PC und Betriebssystem verwendet werden kann.
Das Gerät ist in einem soliden Aluminiumgehäuse (131 × 157 × 58 mm) untergebracht und verfügt über BNC-Anschlüsse für die zwei Ausgänge, zwei Eingänge und den Trigger. Zum Lieferumfang gehören eine SD-Karte für das Betriebssystem, Sonden, ein Netzteil, ein USB-A-/USB-C-Kabel zum Anschluss an die Konsole und ein Ethernet-Kabel. Für den Betrieb außerhalb des Labors kann das SIGNALlab auch über Power-over-Ethernet (PoE) mit Strom versorgt oder mit einem geeigneten Dongle über Wi-Fi erreicht werden.
Die 1-MΩ-Eingänge können Signale von bis zu ±20 V verarbeiten, wobei das Front-End diese mit einem 12-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC) erfasst, der mit 250 MS/s abtastet. Die Eingangsbandbreite reicht von DC bis 60 MHz. Auf der Ausgangsseite können Spannungen von bis zu ±5 V bei einer Last von 50 Ω oder ±10 V bei einer hochohmigen Last erzeugt werden. Beide Ausgänge verfügen außerdem über einen Kurzschlussschutz. Die Bandbreite ist die gleiche wie bei den Eingängen, sodass Signale mit 17 ns Anstiegs-/Abfallzeit erzeugt werden können.
Die gängigen Kommunikationsprotokolle und zusätzliche E/As sind über einen Erweiterungsstecker verfügbar. Dabei handelt es sich um 16 digitale 3,3-V-E/As, vier 12-Bit-Analogeingänge von 0 bis 3,5 V und vier 12-Bit-Analogausgänge von 0 bis 1,8 V. I2C, UART und SPI sind ebenfalls vorhanden.
Testen von 5G-Anwendungen
Mit der Einführung von 5G eröffnen sich den Entwicklern von IoT-Anwendungen für Industrie und Verbraucher viele Möglichkeiten, die weit über eine höhere Bandbreite hinausgehen. Und auch wenn die 5G-Konnektivität noch nicht bis zu Ihrem Standort vorgedrungen ist, können Sie dennoch ein privates Netzwerk für Ihren IoT-Einsatz einrichten.
Unabhängig von der Anwendung ist jedoch ein erheblicher Entwicklungs- und Testaufwand erforderlich. Das heutige Angebot an Messgeräten für die HF-Leistung, an Geräten zur Signalerzeugung und an hochgradig konfigurierbaren, FPGA-basierten Messlösungen bietet Entwicklern die nötige Flexibilität, um technische Herausforderungen zu untersuchen, zu bewerten und zu lösen.
Ein besonders wichtiger Aspekt ist: Mit schlüsselfertigen, industrietauglichen Datenloggern für Mobilfunknetze kann man in kürzester Zeit ein Konzeptnachweis, wenn nicht sogar eine umfängliche Komplettlösung, geliefert werden.
