Herzlich Willkommen beim beam-Verlag in Marburg, dem Fachverlag für anspruchsvolle Elektronik-Literatur.


Wir freuen uns, Sie auf unserem ePaper-Kiosk begrüßen zu können.

Aufrufe
vor 9 Jahren

1-2013

  • Text
  • Bild
  • Rauschen
  • Serie
  • Wireless
  • Einsatz
  • Frequenzen
  • Software
  • Anwendungen
  • Microwave
  • Bauelemente
  • Mikrowellentechnik

Applikation Messung und

Applikation Messung und Reduzierung von Phasenrauschen Dieser Applikationsbericht beschreibt ein Messverfahren, bei dem das störenden Rauschen externer Rauschquellen gegenüber dem Rauschen des DUT (Device under Test, hier der Oszillator allein) ausgeblendet wird. Quelle: David Brandon, John Cavey: The Residual Phase Noise Measurement, Analog Devices Application Note AN- 0982 (gekürzt und vereinfacht) Bild 1: Aufbau der Anordnung zum Ausblenden externen Rauschens Ein Oszillator kann ja nicht isoliert betrieben werden, sondern benötigt Peripherie, wie eine Stromversorgung. Diese ist auch nicht ideal, wodurch sich das gesamte Rauschen gegenüber des DUT erhöht. Designer können die hier dargelegten Informationen nutzen, um Signalketten optimal zusammenzustellen. Der Vorteil der hier gezeigten Anordnung besteht darin, dass das Rauschen externer Quellen, wie der Stromversorgung oder des Taktgenerators, aus dem Messergebnis ausgeblendet werden kann. Man erhält das Rauschen des DUT selbst und sieht dann durch einfache Messungen, in welchem Maße das Gesamtrauschen größer ist als dieses. Diese einfachen Messungen betreffen ja immer das gesamte Rauschen. Es werden hier auch Messkurven (Phase Noise Measurement Plots) eines getakteten DUT gezeigt, um die Vorzüge der zu beschreibenden Messmethode herauszustellen. Weiter wird gezeigt, wie das Phasenrauschen des DUT selbst genutzt werden kann, um die anderen Rauschquellen besser zu identifizieren. Grundlagen Bild 1 zeigt den Messaufbau. Das Besondere daran ist, dass zwei identische DUT vorhanden sein müssen. Das Ausgangssignal von DUT 2 wird mit einem breitbandigen Phasenschieber um 90° gegenüber dem Ausgangssignal von DUT 1 verschoben. Wichtig ist, dass beide DUT an der selben Spannungsversorgung liegen. Ist die Mischverstärkung 1, so erhält man mit den Mischer-Eingangssignalen U1 = U2 nach dem Tiefpass (LPF) folgendes Ausgangssignal: Ua = U1 [(M2 - M1) cos (6,28 x f)] Dabei kennzeichnen M1 und M2 die Ausmaße der Phasenmodulation bzw. des Phasenrauschens, während f die Trägerfrequenz ist. Diese Gleichung zeigt, dass man das Phasenrauschen direkt aus der DUT gegenüber dem externen Rauschen isolieren kann. Wenn man davon ausgeht, dass beide DUT mit dem externen Rauschen des Taktgenerators und der Stromversorgung identisch umgehen, so ergibt sich Gleichheit von M1 und M2. Damit vereinfacht sich die Gleichung zu: Ua = (U1 + U2) cos (6,28 x f) In der Praxis wird die Gleichheit nicht vollständig erreicht. Man kann daher eine Abweichung definieren: dM = (M2 - M1) cos (6,28 x f) Bild 2: Das Rauschen eines DUT mit zwei verschiedenen Taktgeneratoren, einfach gemessen 38 hf-praxis 1/2013

Applikation Bild 3: Das Rauschen beider DUT mit den beiden Taktgeneratoren, gemessen lt. Bild 1 Somit gilt dann: Ua = (U1 + U2) x dM Da die Abweichung jedoch praktisch recht klein ist, wird man mit guter Genauigkeit das nicht korrelierte Rauschen beider DUT messen, während das von äußeren Quellen injizierte Rauschen außen vor bleibt. Für ein gutes Ergebnis sind also sehr niedrige Rasuchmaße der beiden Verstärker notwendig, da auch dieses Rauschen nicht korreliert ist. Das Ausgangssignal des Phasendetektors kann als Basisbandsignal aufgefasst werden, da es durch den Mischer demoduliert wurde. Das tatsächlich vorhandene DUT-Rauschen kann daraus errechnet werden. Hierzu benötigt man nur eine der identischen Eingangsspannungen und die Mischverstärkung V: Ua = 2 x V x U1 x dM Man zieht von der Anzeige des Spektrumanalysators 3 dB ab, um auf das Rauschen eines DUT zu schließen. Präsentiert durch den Spektrumanalysator wird dann das Phasenrauschen eines DUT im Verhältnis zur Signalstärke (Träger). Ergebnisse Misst man das Rauschen eines getakteten DUT absolut (ohne Ausblendung des externen Rauschens), so kann man nachweisen, dass verschiedene Taktgeneratoren eine sehr verschiedene Rauschbeeinträchtigung hervorrufen können. Man benötigt also verschiedene Taktgeneratoren und einen Oszillator, den man takten kann und der darum ein entsprechendes Frontend/Interface besitzt. Bild 2 stellt zwei absolute Messergebnisse mit zwei verschiedenen Taktgeneratoren dar. In 100 Hz Abstand vom Träger unterscheiden sich die Stärken des Phasen- bzw. Seitenbandrauschens um 40 dB. Dass die Ausblendung dieses externen Rauschens mit der beschriebenen Anordnung nahezu perfekt gelingt, beweist Bild 3. Hier wurde einmal mit Clock Source 1 (schwarze Linie) und einmal mit Clock Source 2 (rote Linie) gemessen. Die Ausblendung sowohl des niedrigen als auch des hohen externen Rauschens ist praktisch perfekt gelungen. Das Rauschen liegt etwa 12 dB unter dem geringen mit Clock Source 1 in Bild 2. Ähnlich wirksam ist das Verfahren beim externen Rauschen der Stromversorgung. In Bild 4 wurde mit der Schaltung nach Bild 1 gemessen, wobei allerdings einmal auch die beiden DUT verschiedene, aber im Aufbau identische Stromversorgungen erhielten. Mit diesen separaten Quellen ist das Rauschen, wie man sieht, höher. Auch dieses externe Rauschen ist ja dann nicht korreliert. Zusammenfassend kann man sagen, dass diese Anordnung für die Ausblendung externer Rauschquellen sehr gut funktioniert. Es ist praktisch fast unerheblich, ob die externen Quellen ein starkes oder nur schwaches Rauschen erzeugen. So wurde auch mit einer modernen Low- Noise-Stromversorgung getestet. Das Ergebnis ist kaum besser als in Bild 3. ◄ Bild 4: Das Rauschen beider DUT gemessen lt. Bild 1, wobei auch separate Stromversorgungen benutzt wurden hf-praxis 1/2013 39

hf-praxis

PC & Industrie

© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel