DE19727516A1

DE19727516A1 - Verfahren zur Bestimmung des internen Rauschens digitaler Schaltkreise

Info

Publication number: DE19727516A1
Application number: DE1997127516
Authority: DE
Inventors: Gerhard Kruse
Original assignee: Deutsche Telekom AG; DeTeMobil Deutsche Telekom Mobilnet GmbH
Current assignee: Telekom Deutschland GmbH
Priority date: 1997-06-30
Filing date: 1997-06-30
Publication date: 1999-02-04
Anticipated expiration: 2017-07-01
Also published as: DE19727516B4

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des internen Rauschens digitaler Schaltkreise. In solchen Schaltkreisen treten neben zufälligen Störungen vor allem systematische, systeminterne Störeinflüsse auf, z. B. durch Oszillatorrauschen, Signalverarbeitung. Diese werden unter dem Begriff des internen Rauschens zusammengefaßt. Eine Folge des internen Rauschens in digitalen Systemen sind Fehler bei der Übertragung von Daten im Schaltkreis. Diese werden durch die Bitfehlerrate (Bit Error Rate BER) charakterisiert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das die Ermittlung des internen Rauschens digitaler Schaltkreise ermöglicht. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des vorliegenden Anspruches 1.

Durch die Vorgabe eines Eingangspegels sowie einer externen Störung kann das Verhalten des Schaltkreises bestimmt werden. Eine Variation der Größen erlaubt die quantitative Bestimmung des internen Rauschens. Idealerweise werden dabei zwei Meßreihen durchgeführt, wobei eine der Größen variiert wird und die andere konstant gehalten wird. Das Verfahren ist insbesondere vorteilhaft anwendbar bei Schaltkreisen, die zumindest abschnittsweise ein annähernd lineares Verhalten aufweisen. Bei der Wahl der Bereiche, in denen die Größen variiert werden bzw. der Werte, auf denen eine der Größen konstant gehalten wird, ist dann bevorzugt darauf zu achten, daß die Messung im linearen Bereich durchgeführt wird.

Als Eingangssignal können an den Schaltkreis ein oder mehrere Hochfrequenzsignale angelegt werden. Hierbei können bereits im zu testenden System vorhandenen Signalquellen ausgenutzt werden. Handelt es sich bei dem Schaltkreis beispielsweise um eine Anordnung, die in einem Sende- und/oder Empfangssystem verwendet wird, so läßt sich ein hochfrequentes Sende- bzw. Empfangssignal, das auf das System einwirkt, als Eingangssignal für das beschriebene Meßverfahren verwenden.

Im folgenden wird anhand der Abb. 1a, 1b, 2a, 2b und 3 ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.

Es zeigen

Abb. 1 a, 1b, 2a, 2b: Eine graphische Auftragung von Meßreihen der BER eines Sende- und Empfangssystems unter Variation der externen Störung C/I bei konstanten Werten des Eingangssignals P_e bzw. unter Variation des Eingangssignals P_e bei konstanten Werten der externen Störung C/I.

Abb. 3: Blockdiagramm des Meßablaufes.

Als digitaler Schaltkreis 2 wird im vorliegenden Fall eine Anordnung eines digitalen Sende- und Empfangssystems betrachtet, wie es beispielsweise in digitalen Mobilfunksystemen Anwendung findet, insbesondere in solchen nach dem GSM-Standard. Als Eingangssignal wird ein definiertes Sendesignal 1 verwendet, das mit einer Signalleistung P_e vom Eingang des Schaltkreises 2 empfangen wird. Hierfür lassen sich insbesondere aus dem Stand der Technik bekannte Funkkanal-Simulatoren 4 verwenden. Diese können auch verwendet werden, um dem Empfangssignal eine definierte Störung 3 hinzuzufügen, so daß das Leistungsverhältnis des Signalträgers C (Carrier) zum Störsignal I (Interference) am Eingang des Schaltkreises 2 exakt eingestellt werden kann. Durch entsprechende Regelung kann erreicht werden, daß der Schaltkreis bzw. das Sende- und Empfangssystem im linearen Bereich betrieben wird.

Es werden nun 2 Folgen von Meßreihen durchgeführt. Einmal wird P_e variiert und jeweils C/I konstant gehalten, wobei jede Meßreihe mit einem anderen G/I durchgeführt wird. Entsprechend wird bei der zweiten Folge P_e konstant gehalten und C/I variiert. Es wird jeweils die zugehörige BER 5 als Funktion der variablen Größe ermittelt. Aus Meßpunkten gleicher BER werden die entsprechenden Wertepaare für Pe und C/l entnommen und in die obige Gleichung (1) eingesetzt. Aus dieser kann somit das digitale Rauschmaß f ermittelt werden.

Zum Verfahren im einzelnen:
Bekannt ist aus der Analogtechnik der Zusammenhang

P_e = P_r (1 Hz) + f + 10.log (B/Hz) + C/I (1)

mit
P_e: Eingangspegel (in dBm)
P_r(1 Hz) = k.T₀.1 Hz: thermische Rauschleistung pro Hz Bandbreite (in dBm)
wobei
k = 1,38.10^-23 Ws/°K (Boltzmannsche Konstante)
T₀: Temperatur des Schaltkreis-Eingangswiderstandes (hier: T₀ = 290°K)
f: Rauschmaß (in dB)
B: Bandbreite des Schaltkreises (in Hz)
C/I: Interferenzabstand Garrier/Interference (in dB).

Im folgenden werden elektrische (HF-)Leistungen in dBm und Verhältnisse (z. B. C/I) in dB angegeben.

Gleichung (1) beschreibt den Zusammenhang, daß, wenn zur Detektion eines Signals mit vorgegebener Güte der Störabstand C/I erforderlich ist, der Eingangs pegel P_e betragen muß. Insbesondere ist die Empfindlichkeit P_e,min von Bedeutung, bei der eine Detektion gerade noch möglich ist. Mit dem Rauschmaß f ist damit eine einfache Beurteilung der internen Degradation des Schaltkreises (zusammengefaßt als "Rauschen") gegeben.

Für digitale Schaltkreise ist eine Beschreibung der internen Degradation mit einer Größe nicht bekannt.

In digitalen Schaltkreisen läßt sich die Beurteilung der internen Degradation gemäß der Erfindung über die BER durchführen, und zwar - entsprechend der aufgewandten Meßzeit - mit fast beliebiger Genauigkeit. Daher eignet sich dieses Verfahren besonders für Programmierte, automatisch ablaufende Messungen.

Wie bei analogen Schaltkreisen soll das Rauschmaß auch in digitalen Schaltkreisen nur im linearen Bereich definiert sein. Es muß hier gelten:

BER ∝ P_e/W bzw. log (BER) ∝ 10 log (P_e/mW) (in dBm) und log (BER) ∝ C/I (in dB) (2)

Grundsätzlich erfüllen digitale Schaltkreise die Linearitätsbedingungen (2) nur in einem eingeschränkten Bereich (durch Geraden approximiertes Verhalten s. Abb. 1a und 1b). Das vorgeschlagene Meßverfahren ist besonders für Schaltkreise geeignet, die das typische Verhalten nach Abb. 1 zeigen (z. B. Empfänger nach GSM-Standard).

Ablauf der Messungen zur Bestimmung des Rauschmaßes in digitalen Schaltkreisen gemäß der Erfindung:

1. Einspeisung eines Nutzsignals mit der Leistung P_e und eines Gleichkanal- Störsignals mit dem Störabstand C/I in den digitalen Schaltkreis.
2. Aufnahme von Kurvenscharen log (BER) = f (C/I) mit Pe als Parameter (Abb. 1a).
3. Aufnahme von Kurvenscharen log (BER) = f (P_e) mit C/I als Parameter (Abb. 1b).
Diese Kurven können einfach aus den Messungen nach Punkt 2 abgeleitet werden, indem der Parameter P_e als Variable und die Variable C/I als Parameter aufgetragen wird. Zweckmäßigerweise werden die Geraden aus den Meßdaten durch lineare Regression berechnet. Ein weiterer Vorteil der Berechnung der Geraden besteht darin, daß sehr leicht der Korrelationskoeffizient (Hinweis auf Linearität) zwischen log (BER) und der Variablen berechnet werden kann.

4. Aus Gleichung (1) geht unmittelbar hervor, daß P_e ∝ C/I, daher Ermittlung der Geraden log (BER) = f (C/I; P_e1) aus Abb. 1a und log (BER) = f (P_e; (C/I)₁) aus Abb. 1b mit den gleichen Steigungen bei gleicher Skalierung der Achsen (auf den Abzissen entspricht 1 dB in Abb. 1a 1 dBm in Abb. 1b.). Da die Geraden nach Abb. 1a und 1b i.allg. nicht exakt übereinstimmen, werden parallele Geraden zweckmäßigerweise durch Interpolation benachbarter Geraden berechnet.
5. Einsetzen der Werte P_e1 und C/I)₁ in Gleichung (1) und Berechnung von f.

Grundsätzlich ist zur Bestimmung von f ein Geradenpaar ausreichend. Zur Erhöhung der Meßkonfidenz ist eine Mittelung über mehrere berechnete Werte f(mit P_e1 und (C/I)₁, P_e2 und (C/I)₂ usw.) von Vorteil. Weiterhin kann die Meßgenauigkeit verbessert werden durch

- kleinere Abstände der Variablen und Parameter
- längere Meßzeit zur Bestimmung der BER bei Messungen mit dynamischen Änderungen der Signale (z. B. nach GSM-Standard).

Ein spezielles Zahlenbeispiel:
Bei einem GSM-Empfänger werden die approximierten Geradenstücke nach Abb. 2a und 2b gemessen bzw. interpoliert.
Die Geradenpaare

1. log (BER) = f (C/I; P_e = -105 dBm) und log (BER) = f (P_e; C/I = 10 dB)
2. log (BER) = f (C/I; P_e = -100,6dBm*) und log (BER) = f (P_e; C/I = 15 dB)
3. log (BER) = f (C/I; P_e = -90,5 dBm*) und log (BER) = f (P_e; C/I = 25 dB)
(* durch Interpolation)

verlaufen parallel.

Gemäß Gleichung (1) folgt mit B = 200 kHz (GSM-Standard) für das Rauschmaß:

f= P_e-C/I + 121 dBm (3)

Aus den hier beispielhaften drei Meßreihen ergeben sich für das Rauschmaß die Werte

1. f₁ = 5 dB
2. f₂ = 5,4 dB
3. f₃ = 5,5 dB
Mittelwert 5,3 dB.

Bei Messungen an GSM-Schaltkreisen gemäß Ausführungsbeispiel ist zu beachten, daß die Ergebnisse nur für ein vorgegebenes Szenario (im Ausführungsbeispiel: rural aerea mit Geschwindigkeit 50 km/h, RA50, nach GSM-Rec) Gültigkeit besitzen.

Claims

1 Verfahren zur Bestimmung des internen Rauschens digitaler Schaltkreise, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis durch ein definiertes Einganssignal angeregt wird, das mit einer einstellbar vorgegebenen externen Störung überlagert wird und das interne Rauschen durch Variation jeweils einer der Größen Eingangspegel bzw. externe Störung ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jede der Größen Eingangspegel bzw. externe Störung eine Meßabfolge durchgeführt wird, bei der die jeweilige Größe variiert und die jeweils andere Größe konstant gehalten wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Eingangssignal mindestens ein Hochfrequenzsignal verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bitfehlerrate der Signalübertragung als weitere Meßgröße erfaßt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es auf Schaltkreise eines digitalen Sende- und/oder Empfangssystems angewandt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein automatischer Meßablauf durchgeführt wird.