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So messen Sie das Phasenrauschen mit einem Spektrumanalysator

So messen Sie das Phasenrauschen mit einem Spektrumanalysator

Die heutigen Spektrumanalysatoren bieten ein sehr effektives Mittel zum einfachen und genauen Testen von Phasenrauschen und können viel einfacher und genauer sein als die Verwendung von Ansätzen mit anderen Formen elektronischer Testinstrumente.

Diese elektronischen Testinstrumente werden häufig mit Routinen entwickelt, die in die Software integriert sind, um das Testen noch einfacher zu machen. Im Vergleich zu anderen Methoden, bei denen verschiedene Arten von Testgeräten verwendet werden, bietet der Spektrumanalysator nicht nur eine bequemere Methode zur Erfassung der Phasenrauschmessungen, sondern ist normalerweise auch genauer.

Phasenrauschen gewinnt bei vielen HF-Geräten als Parameter zunehmend an Bedeutung, da eine schlechte Phasenrauschleistung nicht nur zu erhöhten Datenfehlern führen kann, sondern auch Benutzer auf anderen Kanälen stören kann.

Dementsprechend sind während der Entwurfsphase Phasenrauschmessungen für eine Vielzahl verschiedener Arten von elektronischen Geräten erforderlich. Es kann auf Gegenstände von Mobiltelefonen, Knoten / Einheiten, die für das Internet der Dinge verwendet werden, IoT, Kurzstrecken-Funk, Funkkommunikationsgeräte und eine große Anzahl anderer Gegenstände angewendet werden.

Aufgrund der Vielzahl von Elementen, für die möglicherweise Phasenrauschmessungen erforderlich sind, ist ein bequemer Weg erforderlich, um dies zu erreichen, und der Spektrumanalysator ist ein ideales Testinstrument, um diesen Bedarf zu decken.

Was ist Phasenrauschen?

Phasenrauschen resultiert aus den kurzfristigen Phasenschwankungen, die bei jedem Signal auftreten. Dies ist als Phasenjitter bekannt und wird direkt im Bogenmaß gemessen.

Der Phasenjitter manifestiert sich auf einem Signal als Seitenbänder, die sich auf beiden Seiten des Hauptsignals ausbreiten. Dies ist als Einzelseitenband-Phasenrauschen bekannt, und wenn es auf diese Weise betrachtet wird, ist es einfacher zu visualisieren und auch zu messen.

Phasenrauschen ist aus mehreren Gründen wichtig:

  • Beeinträchtigt die Leistung der Datenübertragung: Die meisten Datenübertragungen, wie sie für die Mobilfunkkommunikation, Wi-Fi und viele andere Anwendungen verwendet werden, verwenden Modulationsformen, die die Phase als Teil oder die gesamte Modulationstechnik verwenden. Jedes Phasenrauschen verringert den Abstand zwischen den verschiedenen Zuständen und wirkt sich auf die Signalbereiche und die daraus resultierenden Bitfehlerraten aus. Dies bedeutet, dass es wichtig ist, für alle lokalen Oszillatoren eine gute Phasenrauschleistung zu haben.
  • Nachbarkanalstörungen: Das Phasenrauschen breitet sich auf beiden Seiten des Hauptsignals aus und kann in nahegelegene Kanäle fallen und andere Benutzer stören. Infolgedessen müssen Störemissionen, einschließlich Phasenrauschen, unter bestimmten Grenzwerten gehalten werden, um sicherzustellen, dass Interferenzen kein Problem darstellen.

Das Phasenrauschen wird als Rauschleistung in einer gegebenen Bandbreite gemessen. Der Standard ist eine 1-Hz-Bandbreite. Obwohl die Messung in einer größeren Bandbreite durchgeführt werden kann, kann sie leicht in den Wert für eine 1-Hz-Bandbreite umgewandelt werden.

Darüber hinaus hängt der Wert des Rauschens mit dem Trägerpegel zusammen. Eine bestimmte Anzahl von Dezibel auf dem Träger. Die Standardabkürzung, die dies anzeigt, ist dBc.

Schließlich muss der Versatz vom Träger angegeben werden, da sich der Rauschpegel ändert, wenn der Versatz vom Träger geändert wird.

Dies ist eine typische Spezifikation, die in Dezibel auf dem Träger in einer Bandbreite von 1 Hz bei einem gegebenen Frequenzversatz angegeben wird, d. H. dBc / Hz bei einem Versatz von xx kHz.

Hinweis zum Phasenrauschen:

Phasenrauschen besteht aus kleinen zufälligen Störungen in der Phase des Signals, d. H. Phasenjitter. Diese Störungen sind effektiv Phasenmodulation und als Ergebnis werden Rauschseitenbänder erzeugt. Diese breiten sich auf beiden Seiten des Hauptsignals aus und können auf einem Spektrumanalysator als Einzelseitenband-Phasenrauschen aufgezeichnet werden.

Lesen Sie mehr über Phasenrauschen.

Voraussetzungen für die Messung des Phasenrauschens

Die Hauptanforderung für jede Phasenrauschmessung unter Verwendung eines Spektrumanalysators besteht darin, dass die Drift im Vergleich zur Abtastrate gering sein muss. Wenn die Oszillatordrift zu hoch ist, werden die Messergebnisse ungültig.

Dies bedeutet, dass diese Technik ideal zum Messen der Phasenrauschpegel von Frequenzsynthesizern ist, da diese an eine stabile Referenz gebunden sind und die Driftpegel sehr niedrig sind.

Viele freilaufende Oszillatoren sind nicht stabil genug, um diese Technik anzuwenden. Oft müssten sie auf irgendeine Weise an eine Referenz gebunden sein, und dies würde die Phasenrauschcharakteristik von mindestens einem Teil des Spektrums verändern.

Darüber hinaus muss die Phasenrauschleistung des Spektrumanalysators besser sein als die des Prüflings, da sonst der Test die Phasenrauschcharakteristik des Spektrumanalysators misst.

Dies ist zwar nicht unbedingt erforderlich, hilft jedoch, wenn der Spektrumanalysator über eine integrierte Routine zur Messung des Phasenrauschens verfügt. Viele moderne Testinstrumente haben diese Routinen eingebaut und können eine große Hilfe sein.

So messen Sie das Phasenrauschen mit einem Spektrumanalysator

Obwohl es viele Möglichkeiten gibt, Phasenrauschen zu messen, ist die Verwendung eines Spektrumanalysators am einfachsten.

Im Wesentlichen ist der Analysator über ein geeignetes Dämpfungsglied an den Ausgang des zu testenden Geräts angeschlossen, das zur Reduzierung der Leistung des Analysators erforderlich ist (wenn die Ausgangsleistung des zu testenden Geräts hoch ist).

In einigen Fällen kann es erforderlich sein, die Oszillatorstandards des Analysators und der zu testenden Einheit zusammen zu verriegeln. Auf diese Weise tritt keine Signaldrift auf, die bei Messungen in der Nähe problematisch sein könnte.

Der Analysator ist dann so eingestellt, dass er den Signalpegel vom Träger aus misst - häufig kann dies vom Träger bis zu einer Frequenz von 1 MHz oder möglicherweise mehr erfolgen. Idealerweise bis zu einem Punkt, an dem der Lärm das Grundrauschen erreicht hat.

Die Bandbreite des Analysators muss so eingestellt werden, dass ein gutes Gleichgewicht zwischen der Auflösung des Scans und der Zeit erreicht wird, die für den Scan benötigt wird. Der Rauschpegel kann dann in den in einer 1-Hz-Bandbreite gefundenen umgewandelt werden.


Filter- und Detektoreigenschaften des Analysators

Die Filter- und Detektoreigenschaften des Spektrumanalysators wirken sich auf die Ergebnisse der Phasenrauschmessung aus.

Eines der Hauptprobleme ist die Bandbreite des im Spektrumanalysator verwendeten Filters. Analysatoren besitzen keine 1-Hz-Filter, und selbst wenn sie Messungen mit einem 1-Hz-Bandbreitenfilter durchführen würden, würde dies viel zu lange dauern. Dementsprechend werden breitere Filter verwendet und der Rauschpegel wird auf die Pegel eingestellt, die gefunden würden, wenn ein 1-Hz-Bandbreitenfilter verwendet worden wäre.

Es ist möglich, eine einfache Formel zu verwenden, um die Filterbandbreite anzupassen:

L.1Hz=L.Filter-10Log10(BW1)

Wo:
L.1Hz = Pegel in 1 Hz Bandbreite, d. h. normalisiert auf 1 Hz, typischerweise in dBm
L.filt = Pegel in der Filterbandbreite, typischerweise in dBm
BW = Bandbreite des Messfilters in Hz

Da die Filterform keine vollständig rechteckige Form ist und einen endlichen Abfall aufweist, wirkt sich dies auf die Transformation aus, um das Rauschen in einer Bandbreite von 1 Hz zu erzeugen. In der Regel muss ein bekannter Faktor für den verwendeten Filter berücksichtigt werden, um eine korrekte Transformation sicherzustellen.

Der Detektortyp hat ebenfalls einen Einfluss. Wenn anstelle eines RMS-Detektors ein Abtastdetektor verwendet wird und die Spur über eine schmale Bandbreite oder mehrere Messungen gemittelt wird, wird festgestellt, dass das Rauschen untergewichtet ist.

Anpassungen für diese und andere Faktoren werden normalerweise im Spektrumanalysator berücksichtigt, und häufig ist in den Softwarefunktionen eine spezielle Einrichtung zur Messung des Phasenrauschens enthalten.

Vorsichtsmaßnahmen zur Messung des Phasenrauschens

Bei der Messung des Phasenrauschens mit einem Spektrumanalysator sind einige wichtige Vorsichtsmaßnahmen zu beachten

  • Stellen Sie sicher, dass keine externen Geräusche aufgenommen werden können: Der Spektrumanalysator misst das Einzelseitenband-Phasenrauschen, und daher wird jedes vorhandene Amplitudenrauschen dazu beitragen, was das Ergebnis verschlechtert. Stellen Sie sicher, dass keine externen Geräusche vom Analysegerät aufgenommen werden können:
    • Verwenden Sie abgeschirmte Kabel: Verwenden Sie für alle Signalverbindungen abgeschirmte Kabel
    • Von Lärmquellen fernhalten: Stellen Sie sicher, dass sich das Testsystem einschließlich des zu testenden Geräts nicht in der Nähe von Störquellen befindet. Da die gemessenen Signalpegel für einige Frequenzen sehr niedrig sind, kann bereits eine geringe Aufnahme zu fehlerhaften Ergebnissen führen
    • Abgeschirmter Raum? Wenn ein RF-abgeschirmter Raum verfügbar ist, kann dieser möglicherweise zur Durchführung des Tests verwendet werden, um sicherzustellen, dass keine Interferenzen erfasst werden.
  • Lassen Sie das zu testende Gerät an der richtigen Stromquelle laufen: Eine Stromversorgung kann das Rauschverhalten der HF-Schaltung erheblich verändern. Stellen Sie sicher, dass das Netzteil für das Gerät verwendet wird oder mindestens eines mit demselben Leistungsniveau. Schaltnetzteile erzeugen häufig mehr Rauschen als analoge lineare Netzteile, daher sollte dies beachtet werden.
  • Stellen Sie sicher, dass die Leistung des Analysators geeignet ist: Es gibt zwei Hauptprobleme; nämlich das Phasenrauschen des Spektrumanalysators selbst und die Dynamikbereichsleistung:
    • Phasenrauschleistung des Spektrumanalysators: Bei Signalen mit sehr geringem Phasenrauschen ist es möglich, dass sich das zu testende Gerät der Leistung des Analysators nähert. In diesem Fall addiert sich das Phasenrauschen des Oszillators im Analysator zu dem des zu testenden Signals und verzerrt das Ergebnis. Um dies zu verhindern, stellen Sie sicher, dass die Phasenrauschleistung des Analysators mindestens 10 dB besser ist als die des zu testenden Geräts.
    • Dynamikbereich des Spektrumanalysators: Die Dynamikbereichsleistung des Spektrumanalysators muss ebenfalls ausreichend sein. Der Analysator muss in der Lage sein, sowohl den Trägerpegel als auch die sehr niedrigen Rauschpegel zu berücksichtigen, die weiter außerhalb des Trägers liegen. Es ist leicht zu überprüfen, ob das thermische Rauschen ein Problem darstellt. Die Spur des Phasenrauschens der Signalquelle kann aufgenommen und gespeichert werden. Mit genau den gleichen Einstellungen, jedoch ohne Signal, kann die Messung wiederholt werden. Wenn bei dem interessierenden Versatz ein deutlicher Unterschied zwischen den beiden besteht, wird die Messung durch das thermische Rauschen des Analysators nicht übermäßig beeinflusst.

Durch die Verwendung dieser und anderer geeigneter Vorsichtsmaßnahmen wird sichergestellt, dass bei Verwendung eines Spektrumanalysators zur Messung des Phasenrauschens einige sehr gute Ergebnisse erzielt werden können.

Spektrumanalysatoren sind ideale Testinstrumente für Phasenrauschmessungen. Da viele moderne Hochleistungsanalysatoren bereits Routinen für die Durchführung dieser Tests in jedem HF-Design oder Testszenario enthalten, sind die Messungen nicht nur einfach durchzuführen, sondern auch zuverlässig.

Angesichts der Strapazen bei der Durchführung von Phasenrauschmessungen sind es hauptsächlich die Top-End-Testinstrumente, die diese Messungen durchführen und die Routinen einbauen können. Dennoch ist es möglich, mit Vorsicht andere Spektrumanalysatoren am unteren Ende zu verwenden, um Schätzungen vorzunehmen das Phasenrauschverhalten von Schaltkreisen, Modi und Systemen, sofern die Einschränkungen des Tests verstanden werden.

Schau das Video: 0x2D Was ist ein Spektrumanalyzer? Vergleich Oszilloskop, Bedienung, Signalanalyse (November 2020).