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1-2016

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik Optimierung

Messtechnik Optimierung von IP3- und ACPR-Messungen Dieser Beitrag liefert, am Beispiel des PXIe- 5668R von NI, viele praktische Hinweise, wie man beim Einsatz von Vektor- Signal-Analysatoren die bestmöglichen Messergebnisse erzielen kann. Überblick Durch den wachsenden Einsatz drahtloser Kommunikation steigt auch die Komplexität der Geräte und der drahtlosen Protokolle, was eine hohe Linearität der verwendeten HF-Komponenten und Systeme erforderlich macht. Die eingesetzten drahtlosen Geräte benötigen Testsysteme großer Leistungsfähigkeit, um ihre Linearität charakterisieren zu können. Das Linearitätsverhalten, besonders der Intercept- Punkt 3. Ordnung (IP3), ist ein charakterisierendes Merkmal moderner drahtloser Systeme geworden, da es die Leistungseffizienz, die Kanaldichte, die Signalabdeckung und das Nachbarkanalverhältnis (ACPR) beeinflusst. Der IP3-Punkt ist ein errechneter Zahlenwert, der dazu verwendet wird, die Linearität von Komponenten, einschließlich Leistungsverstärkern, Mischern, Schaltern ADCs und DACs und anderen zu beschreiben. Die dazu erforderliche Messung wird mit einem Zweiton-Stimulussignal durchgeführt und erfordert den Vergleich der Leistung von zwei Grundtönen mit der Leistung Unter Verwendung der Applikationsschrift „Optimizing IP3 and ACPR Measurements www.ni.com/rf-academy National Instruments Bild 1: Intermodulationsprodukte, die durch ein nichtlineares DUT verursacht wurden der Verzerrungsprodukte dritter Ordnung. ACPR, auch bekannt als ACLR (Adjacent Channel Leakage Ratio), ist ein wichtiges Maß für Komponenten, die für den Einsatz in drahtlosen Standards wie UMTS oder 3GPP LTE entworfen werden. Diese Messung beschreibt das Verhältnis der Leistung in einem modulierten Signal mit der Leistung, die in einen benachbarten Kanal eingestrahlt wurde. Um dasACPR zu messen, muss man das Prüfobjekt (DUT) mit einem modulierten Stimulus versorgen, oder – falls es sich um einen DAC handelt, intern ein moduliertes Signal im DUT selbst erzeugen. Theorie der Intermodulationsverzerrung Intermodulationsverzerrung beschreibt die Linearität einer Einheit, wenn sie mit einem Multitonstimulus angeregt wird. Eine ideale Komponente, wie z.B. ein Leistungsverstärker (PA), sollte eine niedrige Rauschzahl haben und linear arbeiten, so dass er die ankommenden Signale nicht verzerrt. Ein leicht nichtlineares System hat eine Beziehung zwischen Aus- und Eingangsspannung, die am besten durch Gleichung 1 beschrieben werden kann. Beim Betrieb im linearen Bereich des DUTs folgt die Ausgangsspannung weitgehend dieser Potenzreihe: (1) Betrachten Sie das Verhalten der Zweiton-Intermodulation dritter Ordnung. Wenn zwei kontinuierliche Signale (CW) an den Eingang des DUT angelegt werden, wird die Spannung durch Gleichung 2 repräsentiert. Die beiden Töne haben die unterschiedlichen Kreisfrequenzen ω1 und ω2. (2) Wenn man den Ausdruck für die Eingangsspannung in (1) einsetzt, wird die Beziehung zwischen Ein- und Ausgangssignal deutlicher. Aus der Potenzreihe kann mal leicht ersehen, dass ein CW-Signal am Eingang verzerrte Ausgangssignale bei 2ω1, 3ω1 usw. erzeugt. Jede Harmonische hat Amplituden, die zu vin2, vin3 usw. proportional sind. Die Ausgangsspannung wird dargestellt durch: (3) Das DUT erzeugt aufgrund der Intermodulation viele Töne (ein Ton mischt sich mit dem anderen) wie Bild 1 zeigt. Die Intermodulationstöne, die am meisten Sorge bereiten, sind die Töne dritter Ordnung bei 2ωl – ω2 und 2ω2 – ω1 wie Bild 2 zeigt. Diese Verzerrungsprodukte sind frequenzmäßig zu nahe, um wirksam ausgefiltert werden zu können. Wenn das IP3-Verhalten untersucht wird, werden die Bild 2: Zweiton-Intermodulationsverzerrungen dritter Ordnung 8 hf-praxis 1/2016

Messtechnik Bild 4: IP3-Messkonfiguration; unerwünschte Übertragungen entstehen durch schlechte Isolation der Quelle Bild 3: Ausgangsleistung und Verzerrungen dritter Ordnung in Abhängigkeit von der Eingangsleistung Leistungen der Grundtöne auf den gleichen Pegel eingestellt. Aus Bild 2 kann man ableiten, dass eine 1-dB-Erhöhung des Grundtonpegels zu 3 dB Anstieg der Verzerrungsprodukte 3. Ordnung führt. Wie eine logarithmische Darstellung der Ausgangs- in Abhängigkeit von der Eingangsleistung deutlich zeigt, wächst die Leistung der Grundtöne mit einer Steigung von 1, die IM-Verzerrungsprodukte hingegen wachsen mit der Steigung 3 (Bild 3). Bild 5: Verzerrung, die durch mangelhafte Quellenentkopplung verursacht wurde. Bei einem bestimmten, theoretischen Leistungspegel schneiden sich die Kennlinien der Grundleistung und der Verzerrungsleistung. Dieser Punkt wird als der Schnittpunkt dritter Ordnung bezeichnet (IP3 oder TOI = Third Order Intercept). Der Schnittpunkt ist jedoch rein fiktiv. Er lässt sich nur mathematisch ermitteln und wird als Leistungskennzahl in der Industrie verwendet. In der Praxis nämlich geht ein Gerät bereits tief in den Bereich der Verstärkungskompression, bevor die Eingangsleistung den IP3-Pegel erreicht. Darüber hinaus bricht das einfache Modell der Potenzreihe (1) bei höheren Pegeln zusammen. In der Praxis wird zur Berechnung des IP3 die empirische Formel in Gleichung 4 verwendet, wo PIMD3 die Leistung der Intermodulationsverzerrungen dritter Ordnung ist. (4) Der IP3 kann als IP3in oder IP3 out ausgedrückt werden. Mischer z.B. verwenden IP3 in , Verstärker IP3 out . Die Entscheidung, entweder den Ein- oder den Ausgangs-IP3 anzugeben unterliegt im wesentlichen Marketing-Überlegungen und Industrie-Standards. Das Verhältnis zwischen IP3 out und IP3 in hängt von der Verstärkung des DUT ab. Zu den üblichen Konventionen gehört es, dass die Linearität einer Komponente mit hoher Verstärkung durch ihren Ausgangs-IP3 spezifiziert wird, die einer passiven Komponente, wie z.B. einem Mischer, dagegen durch ihren Input-IP3. Das Optimieren von IP3-Messungen Obwohl IP3-Messungen komplexe Instrumentierungs-Konfigurationen erfordern, kann man die Genauigkeit dieser Messungen durch einige einfache, erprobte Regeln sicherstellen. Wird der IP3 gemessen, muss man dafür sorgen, dass die Verzerrungsprodukte sowohl beider Quellen als auch des Signalanalysegeräts bedeutend kleiner als die vom DUT selbst erzeugten Verzerrungsprodukte sind. Je niedriger der inhärente IP3 der tatsächlichen Messkonfiguration ist, um so genauer sind die ermittelten IP3-Werte. Man muss daher sorgfältig darauf achten, eine Signalquelle mit niedrigen Verzerrungen zu verwenden, und die VSA-Einstellungen wie Referenzpegel, Auflösungsbandbreite und Dämpfung zu optimieren. Wie Bild 4 zeigt, erfordert die IP3-Messung zwei RF-Signalgeneratoren und einen Leistungscombiner, um einen Zweitonstimulus hoher Qualität zu erzeugen. Die Entkopplung zur Quelle ist manchmal kritisch für die Durchführung einer genauen IP3-Messung. Wenn man einen Leistungs-Combiner verwendet, muss man auf ausreichende Quellenentkopplung achten, weil sonst Energie aus einer Quelle in die andere Quelle geraten kann, wie Bild 5 zeigt. Diese ausgekoppelte Ton erzeugt AM- Seitenbänder auf der Differenzfrequenz, die auf die gleiche Frequenz fällt wie die Verzerrungsprodukte der Messung. Ein Möglichkeit zur Verbesserung der Entkopplung besteht Bild 6: Diagramm des Dynamikbereichs des PXIe-5668 VSA hf-praxis 1/2016 9

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