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 5 Jahren

9-2018

  • Text
  • Komponenten
  • Technik
  • Radio
  • Filter
  • Oszillatoren
  • Quarze
  • Emv
  • Wireless
  • Bauelemente
  • Messtechnik
  • Analyzer
  • Bandbreite
  • Signale
  • Frequency
Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik Höhere

Messtechnik Höhere Analyzer-Empfindlichkeit durch optimierte Einstellungen liches Signal würde sogar 3 dB höher erscheinen. Der Rauschflur eines Spectrum Analyzers besteht aus zwei Komponenten: der Noise Figure des Spectrum Analyzers NFSA und der thermischen Rauschenergie. Die Amplitude der thermischen Rauschenergie ist abhängig vom Produkt dreier Parameters, kTB, mit: k = Boltzmann-Konstante (1,38 x 10 -23 J/K) T = Temperatur in Kelvin B = (Rausch-)Bandbreite Das ist dann der Wert der thermischen Rauschenergie, bezogen auf den mit 50 Ohm terminierten Eingang des Analyzers. In den meisten Fällen normalisiert man auf 1 Hz Bandbreite und Zimmertemperatur. ausgedrückt in dBm, also 10 log (kTB), erhält man dann -174 dBm/Hz. Hieraus ist der DANL in 1 Hz RBW errechenbar: DANL = -174 dBm/Hz + NF Analyzer - 2,51 dB (1) Dabei gilt: NF Analyzer = DANL + 174 dBm/Hz + 2,51 dB (2) Anmerkung: In Fällen, wo der echte Effektivwert (Root Mean Square, RMS) Grundlage des Averagings in der DANL-Spezifikation ist, können die 2,51 dB bei der Berechnung entfallen. Beispielsweise entspricht ein DANL von -151 dBm/Hz einem NF Analyzer von 25.5 dB. Die verschiedenen möglichen Messaufbauten mit einem HF- oder Mikrowellen-Spectrum- Analyzer können einen Einfluss auf den Rauschflur des Messgeräts und auf die Mindestgröße des zu messenden Signals ausüben. Quelle: Bob Nelson: Optimize Settings For Improved Analyzer Sensitivity übersetzt von FS Dieser Beitrag nennt die Einstellungen, welche hier zu beachten sind und macht Vorschläge zur Korrektur des Rauscheinflusses. Spektrumanalysatoren werden oft dazu benutzt, kleine Signale zu messen. Dabei kann es sich um bekannte Signale handeln, die man näher charakterisieren will, oder um unbekannte Signale, die man finden möchte. In jedem Fall ist die Kenntnis der Empfindlichkeit des Messgeräts von hoher Bedeutung. Bestimmte Spectrum-Analyzer- Einstellungen sind erforderlich, um schwache Signale optimal zu erfassen. Empfindlichkeit als DANL oder NF Die Empfindlichkeit eines Spectrum Analyzers wird in seinen Spezifikationen angegeben, üblicherweise in Form des angezeigten mittleren Rauschpegels (Displayed Average Noise Level, DANL) oder des Rauschmaßes (Noise Figure, NF). Der DANL ist die Amplitude des Rauschflurs des Analyzers über einen gegebenen Frequenzbereich bei 50-Ohm-Abschluss des Eingangs. Diese Kennzeichnung erfolgt normalerweise in dBm/Hz. In den meisten Fällen gibt es keine Mittelwertbildung (Averaging) auf einer logarithmischen Skale. Ein solches Averaging würde eine Reduktion beim Rauschflur um 2,51 dB bedeuten. Diese Reduktion ist ein essentieller Unterschied zwischen DANL und NF. Beispielsweise sollte es möglich sein, bei -151 dBm/Hz DANL in 1 Hz Auflösebandbreite (Resolution Bandwidth, RBW) den Rauschflur des Annalyzers auch auf diesen Level herunterzudrücken, indem die dazugehörigen Einstellungen lt. Spezifikation vorgenommen werden. Es sollte beachtet werden, dass ein Sinusträger (Continuous-Wave, CW) mit gleicher Amplitude wie der Analyzer-Rauschflur 2,1 dB über dem Rauschflur erscheint infolge der Summierung von Rauschen und CW-Signal. Ein rauschähn- Einstellungen, welche die Empfindlichkeit beeinflussen Ein sorgfältig kalibrierter Spectrum Analyzer, dessen Display genau das zeigt, was am Eingang anliegt oder auf diesen bezogen werden kann (Rauschen), bedeutet eine Einsverstärkung und die Darstellung der Signale direkt mit ihren aktuellen Amplituden. Wenn also ein 0-dBm-Signal in 22 hf-praxis 9/2018 HF-Praxis 9-2018.indd 22 23.07.2018 08:45:00

Messtechnik Bild 2: Die Front des N9030A PXA Signal Analyzer, welcher den Frequenzbereich von 3 Hz bis 50 GHz abdeckt den Eingang geht, dann sollte das gemessene/angezeigte Signal ebenfalls 0 dBm plus oder minus der möglichen Toleranz des Analyzers sein. Anders ist das natürlich, wenn man den Analyzer so einstellt, dass er dämpft oder verstärkt. Dämpfung in seinem Eingang kann durch eine entsprechende Verstärkung in seiner ZF-Stufe ausgeglichen werden, um den Anzeigeverhältnissen ohne Dämpfung und bei Einsverstärkung nahezukommen. Dabei kommt es jedoch zu einem Anstieg des Rauschflurs, sichtbar am Display, obwohl das Signal/Rausch-Verhältnis des zugeführten Signals vor dem Analyzer erhalten blieb. In den Formeln (1) und (2) kann eine RBW größer als 1 Hz durch Hinzuaddieren von 10 log (RBW/1 Hz) kompensiert werden. Mit folgender einfachen Formel ist es möglich, den Rauschflur (Noise Floor) des Analyzers in Abhängigkeit von verschiedenen Einstellungen von Dämpfung (Attenuation, A) und RBW zu bestimmen: Noise Floor = DANL + A + 10 log (RBW) (3) Ein interner oder externer Vorverstärker kann genutzt werden, um den Noise Floor der gesamten Messanordnung zu verbessern. Dazu muss er aber weniger rauschen als der Analyzer ohne Vorverstärkung. Typischerweise gibt es eine zweite DANL-Spezifikation für den Fall des Zuschaltens des internen Vorverstärkers. Auch dabei gelten die Gleichungen (1) bis (3). Falls ein externer Vorverstärker genutzt wird, lässt sich das neue Rauschmaß (und darüber der neue DANL) finden, indem die Formel für das Gesamtrauschen NF gesamt auf Basis der Vorverstärker-Verstärkung (Gain Preamplifier, G Preamp ) und der beiden Rauschmaße angewendet wird: NF gesamt = NF Preamp + [(NF Analyzer - 1)/(G Preamp )] (4) Man arbeitet zunächst mit Faktoren, die man aus den entsprechenden dB-Angaben gewinnt, und wandelt dann das Ergebnis in dB. Etwa mit einem 20-dB-Vorverstärker mit einem Rauschmaß von 5 dB und einem Rauschmaß des Analyzers von 25,5 dB wäre zu rechnen: NF gesamt = 10 log [3,16 + (355/100)] = 8,27 dB (5) Gleichung (1) kann genutzt werden, um den neuen DANL mit dem externen Vorverstärker zu bestimmen, indem man dort einfach statt NF Analyzer NF gesamt einsetzt. Der Vorverstärker hat in dem Beispiel den DANL signifikant reduziert, nämlich von -151 dBm/Hz auf -168 dBm/Hz. Ein externer (und auch interner) Vorverstärker wirkt natürlich auch nachteilig, denn er bringt seine eigenen nichtlinearen Verzerrungen ein, sodass eventuell der Dynamikbereich insgesamt (nicht nur logischerweise nach oben) eingeschränkt wird. Allerdings benötigt man beim alleinigen Messen großer Signale den Vorverstärker nicht, da dann das Eigenrauschen der Messanordnung kaum stören wird. Daher ist ein interner Vorverstärker recht beliebt, da er einfach zuund abgeschaltet werden kann bei sonst unverändertem Messaufbau. Dies gilt besonders für automatisierte Testumgebungen. Hier angekommen, wollen wir festhalten, dass wir die Empfindlichkeit eines Messaufbaus mit einem Spectrum Analyzer durch Modifikationen an der RBW, der Attenuation und der Vorverstärkung (Preamplifier Gain/Noise) verändern bzw. verbessern können. Die meisten modernen Spectrum Analyzers offerieren Methoden zur Messung des Rauschflurs des Analyzers und zur späteren Korrektur des Messergebnisses mithilfe dieses Messwerts. Ein solches Vorgehen ist aber auch durch eigenes schrittweises Herangehen möglich. Wie korrigiert man den Rauscheinfluss? Wenn an einem Testobjekt (Device Under Test, DUT) mit einem Spectrum Analyzer gemessen wird, so erscheinen die Ergebnisse auf dem Bildschirm als Kombination des vom DUT kommenden Signal und Rauschen, dem kTB-Rauschen und dem elektronischen Rauschen des Analyzers, etwa spezifiziert in Form des Rauschmaßes NFAnalyzer. Entfernt man das DUT-Signal und somit das von der DUT kommende Rauschen und schließt den Analyzer-Eingang mit 50 Ohm ab, so ist das neue Spektrum eine Kombination von Analyzer-kTB- und elektronischem Rauschen. Diese Kombination zeigt sich auf dem Screen als Noise Floor. Noise Correction ist ein Prozess, bei dem der Noise Floor des Spectrum Analyzers gemessen wird unter Anwendung einer wohlüberlegten Mittelung (Averaging). Dieses Ergebnis wird dann in einem File namens Correction Trace gespeichert. Nun legt man das DUT-Signal an den Spectrum Analyzer und misst erneut. Dieses Resultat kommt dann in ein File namens Measurement Trace. Die Korrektur erfolgt nun durch Subtraktion des Correction Traces vom Measurement Trace. Dieses Rechenergebnis wird dann als Resultant Trace auf dem Bildschirm dargestellt. Das Resultant Trace ist als das Spektrum des DUT-Signal einschließlich seines Rauschens: Resultant Trace = Measured Trace - Correction Trace = (DUT-Signal + kTB + NF Analyzer ) - (kTB + NF Analyzer ) = DUT-Signal (6) Es sei darauf hingewiesen, dass alle Werte von dBm (logarithmisch) in mW (linear) konvertiert werden müssen, bevor die Subtraktion ausgeführt wird, obwohl die resultierende Anzeige (Trace) in dBm angezeigt wird. Dieser Prozess erleichtert den Blick auf Low-Level-Signale, deren Amplituden nun mit höherer Genauigkeit gemessen werden, da der störende Einfluss des Spektrumanalysators herausgerechnet wurde. Das Aufmacherbild verdeutlicht eine relativ einfache Methode zur Durchführung von Noise Correction mit ein wenig Mathe- hf-praxis 9/2018 23 HF-Praxis 9-2018.indd 23 23.07.2018 08:45:01

hf-praxis

PC & Industrie

© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel