Grundlagen der Spektrumanalyse.pdf - Ing. H. Heuermann

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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
Grundlagen der Spektrumanalyse Leistungsmerkmale von Spektrumanalysatoren A • Große Regelbandbreite Die Schleifenverstärkung des Regelkreises ist so groß, daß das Rauschen des Oszillators auf das Referenzrauschen abgesenkt wird. Weitab vom Träger wird aufgrund der Phasendrehung durch die Filterung das Phasenrauschen jedoch angehoben. • Mittlere Regelbandbreite Die Schleifenverstärkung reicht nicht aus, um nahe am Träger das Referenzrauschen zu erreichen. Die Anhebung des Phasenrauschens weitab vom Träger ist allerdings geringer als bei einer großen Regelbandbreite. • Schmale Regelbandbreite Das Phasenrauschen weitab vom Träger wird gegenüber dem freilaufenden Oszillator nicht verschlechtert. Nahe am Träger ist es jedoch verglichen mit mittlerer und großer Regelbandbreite deutlich höher. Um das Phasenrauschen für die jeweilige Anwendung zu optimieren, ist die Regelbandbreite daher gegebenenfalls variabel zu halten. Eingangssignal A ZF-Signal Durch reziprokes Mischen wird das Phasenrauschen der Lokaloszillatoren eines Spektrumanalysators in den umsetzenden Stufen auf das Eingangssignal übertragen (siehe Bild 5-12). Das bedeutet, daß selbst bei einem idealen, sinusförmigen Eingangssignal das dargestellte Spektrum lediglich die Summe des Phasenrauschens aller Lokaloszillatoren widerspiegelt. Weist auch das Eingangssignal Phasenrauschen auf (was in der Praxis immer der Fall ist), so entspricht die am Spektrumanalysator angezeigte Meßkurve der Summe des Phasenrauschens von Eingangssignal und Lokaloszillatoren. Das Phasenrauschen wird unabhängig vom Pegel des Eingangssignals immer bezogen auf dessen Träger abgebildet. Dies bedeutet wiederum, daß bei Phasenrauschmessungen an Eingangssignalen (siehe Kapitel 6.1, Phasenrauschmessung) der Dynamikbereich für trägernahe Messungen nicht durch Erhöhen des Eingangssignalpegels maximiert werden kann – ganz im Gegensatz zum Einfluß des thermischen Rauschens. Das Phasenrauschen des Spektrumanalysators markiert daher besonders bei trägernahen Messungen die Grenze des Meßbereichs. Neben dieser Einschränkung wird durch das Phasenrauschen auch die Auflösung bzw. der Dynamikbereich des Analysators begrenzt. Signale mit geringem Abstand zum Träger eines Signals mit deutlich höherem Pegel können unter Umständen nicht mehr erkannt werden (siehe Signal bei f e,2 in Bild 5-12). Eingang ZF LO f e,1 f e,2 f f ZF A f Beispiel: Am Eingang eines Spektrumanalysators liegt ein Sinussignal mit einem Pegel von –10 dBm an. In einem Trägerabstand von 100 kHz soll das Phasenrauschen des Spektrumanalysators –100 dBc (1 Hz) betragen. Welchen Pegel muß ein zweites Signal ebenfalls im Abstand von 100 kHz haben, so daß es bei einer Auflösebandbreite von 1 kHz noch erkannt werden kann (die Auflösebandbreite soll in diesem Beispiel der Rauschbandbreite des Filters entsprechen)? f LO LO Signal Bild 5-12 Übertragung des internen Phasenrauschens auf das Eingangssignal durch reziprokes Mischen. f Lösung: Aufgrund der Auflösebandbreite von 1 kHz führt das Phasenrauschen zu einer Rauschanzeige L R von L R = –100 dBc (1 Hz) + 10 · lg ( ) 1 kHz 1 Hz = –70 dBc (1 kHz) 122 123
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Christoph Rauscher (Volker Janssen,
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Inhalt Inhalt 5.10.2 Berechnung der
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