Grundlagen der Spektrumanalyse.pdf - Ing. H. Heuermann

Grundlagen der Spektrumanalyse
Leistungsmerkmale von Spektrumanalysatoren
5.3 Phasenrauschen (spektrale Reinheit)
Phasenrauschen ist ein Maß für die Kurzzeitstabilität von Oszillatoren, wie
sie auch im Spektrumanalysator zur Umsetzung des Eingangssignals auf
verschiedene Zwischenfrequenzen verwendet werden. Ursache für Phasenrauschen
sind Schwankungen von Phase bzw. Frequenz sowie Amplitude
eines Oszillator-Ausgangssignals, wobei letztere meist zu vernachlässigen
sind. Diese Schwankungen wirken wie eine Modulation.
Das Phasenrauschen wird in der Regel abhängig vom Trägerabstand
(Offset) als Einseitenband-Phasenrauschen bezogen auf den Trägerpegel
spezifiziert. Die spezifizierten Werte sind dabei als relative Rauschleistungspegel
innerhalb einer Bandbreite von 1 Hz angegeben. Die Einheit
ist dementsprechend dBc (1 Hz) oder dBc/Hz, wobei mit der Erweiterung c
der Bezug auf den Träger (Carrier) angedeutet wird. Da die Phasenrauschleistung
niedriger als der Trägerpegel ist, sind in Spezifikationen negative
Zahlenwerte zu erwarten.
Die Auswirkungen von Phasenrauschen sind in Bild 5-11 dargestellt.
Eine genügend hohe Auflösung vorausgesetzt, erwartet man bei einem
reinen Sinussignal im Frequenzbereich lediglich eine einzige Spektralline.
Tatsächlich aber ist das Spektrum eines durch einen realen Oszillator
erzeugten Signals deutlich breiter.
Das Signal jedes Oszillators weist Phasenrauschen mehr oder weniger ausgeprägt
auf. Durch entsprechende schaltungstechnische Vorkehrungen
kann es bis zu einem gewissen Grad lediglich minimiert, aber nie ganz beseitigt
werden. In modernen Spektrumanalysatoren sind die Lokaloszillatoren
als Synthesizer ausgeführt, d.h. die eigentlichen Oszillatoren sind
über Phasenregelkreise wie in [5-3] beschrieben an eine hochgenaue Referenz,
z.B. 10 MHz angebunden. Abhängig von der Regelbandbreite dieser
Anbindung wird die Charakteristik des Phasenrauschens beeinflußt. Es
können daher folgende Teilbereiche unterschieden werden (siehe auch
Bereiche 1, 2 und 3 in Bild 5-11):
• Nahe am Träger (Offset bis etwa 1 kHz)
In diesem Bereich entspricht das Phasenrauschen dem auf das Ausgangssignal
des Lokaloszillators bezogenen Phasenrauschen des Referenzsignals.
Aufgrund der Vervielfachung in der Regelschleife ist dieses
Phasenrauschen höher als das des Referenzoszillators.
L
• Bereich bis zur oberen Grenze der Regelbandbreite (ab etwa 1 kHz)
Innerhalb der Regelbandbreite entspricht das Phasenrauschen dem
Summenrauschen mehrerer Komponenten des Regelkreises, wie z.B. des
Teilers, des Phasendetektors und des vervielfachten Referenzsignals. Die
obere Grenze dieses Bereichs ist abhängig vom Spektrumanalysator bzw.
vielmehr von der Art des verwendeten Oszillators. Sie liegt etwa im Bereich
von 100 kHz bis 300 kHz.
• Bereich außerhalb der Regelbandbreite
Außerhalb der Regelbandbreite wird das Phasenrauschen praktisch ausschließlich
durch das Phasenrauschen des Oszillators im nicht-synchronisierten
Betrieb bestimmt. Es fällt in diesem Bereich mit 20 dB je Dekade
ab.
Phasenrauschen
der Referenz,
bezogen auf
Ausgangsfrequenz
f 0
(OCXO)
freilaufender
Oszillator (VCO)
VCO an OCXO angebunden:
schmale Regelbandbreite
mittlere Regelbandbreite
1 2
3
f 0
große Regelbandbreite
Bild 5-11 Phasenrauschen eines OCXO, eines VCO sowie eines an
den OCXO angebundenen VCO bei verschiedenen Regelbandbreiten
In Bild 5-11 ist das Phasenrauschen für verschiedene Regelbandbreiten
dargestellt. Interessant dabei ist der Vergleich des Phasenrauschens des
freilaufenden Oszillators mit dem Phasenrauschen bei Anbindung an die
Referenz mit verschiedenen Regelbandbreiten. Folgende Fälle sind dabei
zu unterscheiden:
f
120
121