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4-2023

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren Bild 3.1: (A) Konstellationsdiagramm einer QAM mit 16 Zuständen, (B) Phasenrauschen bewirkt, dass Zustände nicht genau bestimmt werden können im Rauschen des spektral stark verbreiterten stärkeren Signals. Hochwertige Messgeräte werden auch genutzt, um das Phasenrauschen einer externen Signalquelle zu bestimmen. Die einfachste Messmethode hierfür ist die Nutzung eines Spectrum- Analyzers. Solange dessen interner Oszillator ein deutlich geringeres Phasenrauschen als das zu messende Signal aufweist, ist eine Messung relativ problemlos. Andernfalls führen die oben beschriebenen Auswirkungen der Signalmischung dazu, dass die Messergebnisse durch das Phasenrauschen des internen Oszillators limitiert sind und somit verfälscht werden. Deshalb ist es notwendig, dass in Messgeräten der Spitzenklasse auch nur interne Referenzoszillatoren mit extrem geringem Phasenrauschen zu Einsatz kommen. Bild 4.1: Durch Vergleich der Frequenz und Phasenlage von mindestens drei Satellitensignalen eines GNSS-Systems kann die Position auf der Erdoberfläche bestimmt werden Anwendungsfeld Datenübertragung In der analogen drahtlosen Datenübertragung wurden in der Regel Modulationsverfahren wie die Amplitudenmodulation oder die Frequenz-/Phasenmodulation eingesetzt. Die heutige digitale Datenübertragung erfordert weitaus ausgereiftere und anspruchsvollere Modulationsverfahren, um über eine verfügbare Brandbreite möglichst viele Daten fehlerfrei parallel übertragen zu können. Diese Modulationsverfahren für die Übertragung von digitalen, zeitdiskreten Signalen nutzen eine Kombination aus Amplituden- und Phasenmodulation, wodurch sich die Datenübertragungsrate durch die Nutzung von hierbei zwei Freiheitsgraden erhöhen lässt. Beispiele hierfür wären die APSK (Amplitudenund Phasenmodulation) oder die QAM (Quadratur-Amplituden- Modulation). Am Beispiel von Bild 3.1 lässt sich in einem sog. Konstellationsdiagramm die Modulation von 16 verschiedenen Zuständen veranschaulichen, die jeweils durch ein eindeutiges Wertepaar aus Amplitude und einem Phasenwinkel relativ zum Koordinatenursprung beschrieben werden können. Hier verursacht Phasenrauschen eine Rotation des gesamten Konstellationsdiagramms, wobei höhere Werte des Phasenrauschens eine größere Rotation der Punkte verursachen. Dies ist in Bild 3.1 (B) durch ein Verwischen der exakten Zustände (rote Punkte) erkennbar. Wenn diese Drehung stark genug ist, kann ein Symbol mit einem anderen verwechselt werden, was zu Bitfehlern und somit einer höheren Bitfehlerrate führt. In gewissem Maße kann die rauschbedingte Fehleranfälligkeit durch ein besseres Design des Konstellationsdiagramms verringert werden. Ein anschauliches Beispiel wäre hierbei, dass die Zustände nicht auf einem orthogonalen Raster wie in Bild 3.1 aufgebaut sind, sondern auf konzentrischen Ringen liegen. Hierdurch wird eine maximale „Entfernung“ der Zustände untereinander erreicht. In allen Fällen kann aber die Bitfehlerrate durch den Einsatz von phasenstabilen Quarzoszillatoren bestmöglich reduziert werden, weshalb speziell in den Kernbereichen von digitalen Kommunikationsnetzen auf höchster Hierarchieebene Rubidium- oder Cäsium-Normale oder GNSS-gelockte OCXOs und in der zweiten Hierarchieebene OCXOs mit extrem geringem Phasenrauschen eingesetzt werden. Anwendungsfeld Navigation Zur Positionsbestimmung auf der Erde und in der Luft werden eine Vielzahl globaler Satellitennavigationssysteme verwendet. Die Positionsbestimmung beruht auf der Technik, dass die Signallaufzeit eines hochfrequenten Signals von den Satelliten zum entsprechenden Empfänger gemessen wird. In der Regel wird dabei das Signal von mindestens drei Satelliten verglichen, woraus über die Laufzeitdifferenzen die genaue horizontale Position berechnet werden kann. Geschwindigkeitsdaten werden aus der Frequenzverschiebung, welche durch den Doppler-Effekt des bewegten Satelliten relativ zum Empfänger verursacht wird, berechnet. 22 hf-praxis 4/2023

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