Dynamische Rauschmaßmessungen

Der R&S®FSWP Phasenrauschmessplatz ist ein High-End-Gerät, das zur exakten Analyse der Rauschleistung von Schlüsselkomponenten in Radar- und Kommunikationssystemen entwickelt wurde. Mit Phasenrauschmessungen kann das Großsignal-Rauschmaß eines Geräts unter wirklichkeitsgetreuen Betriebsbedingungen hergeleitet werden.

Ihre Anforderung

Rauschmaßmessungen werden häufig dazu verwendet, um die Performance z. B. von Verstärkern, Frequenzwandlern und anderen Geräten im Signalweg zu charakterisieren. Das Rauschmaß (gemessen oder spezifiziert für ein Gerät) ist ein Schlüsselparameter, der von Systementwicklern als Teil der Berechnungen zur Leistungsübertragungsbilanz für Uplink- und Downlink-Übertragungssysteme verwendet wird.

Das traditionelle Verfahren zur Bestimmung des Rauschmaßes nutzt die gängige Y-Faktor-Methode (zu Einzelheiten siehe Application Note 1MA178: The Y Factor Technique for Noise Figure Measurements). Diese Messung wird üblicherweise mit einem Spektrumanalysator und einer Rauschquelle durchgeführt. Mit ihr wird das additive Rauschen gemessen, das von einem Gerät während der Stimulation mit einer breitbandigen, kalibrierten Rauschquelle erzeugt wird.

Die während dieser Messung produzierten Leistungspegel werden als Kleinsignal beschrieben. Deshalb erzeugen sie Ergebnisse für das Rauschmaß, die nicht direkt im Zusammenhang mit den Betriebsbedingungen stehen. Diese Rahmenbedingungen für das Gerät hängen unmittelbar mit der Eingangsleistung des Geräts zusammen.

Verstärker in Sendern werden normalerweise nicht in ihrem Kleinsignalzustand verwendet. Das Kleinsignal-Rauschmaß ist für Empfänger weit wichtiger. Die typischen Betriebsbedingungen eines Verstärkers, der in einem Sender einer Mobilfunk-Basisstation oder sogar eines Radars eingesetzt wird, werden häufig in einem speziellen Betriebsbereich gehalten, um die Linearität und den Wirkungsgrad zu maximieren. Dieser Bereich schwankt oftmals um den 1-dB-Kompressionspunkt des Geräts.

Die Y-Faktor-Methode kann zu Rauschmaßergebnissen führen, die nicht repräsentativ für das Gerät unter realistischen Betriebsbedingungen sind.

Messtechnische Lösung

Das Phasenrauschen eines Geräts hängt eng mit dessen Rauschmaß zusammen. Komponenten, die zum Rauschen eines Verstärkers beitragen, können allgemein als das 1/f-Funkelrauschen zusammen mit dessen Breitbandrauschen, das oberhalb der Funkelgrenze liegt, festgelegt werden. Unter der Annahme, dass ein Rauschmaß im Wesentlichen ein Anzeichen für das Breitbandrauschen eines Geräts ist, ist es sinnvoll, eine Breitband-Phasenrauschmessung zu verwenden, um das Rauschmaß für ein Gerät zu berechnen. Mit dem R&S®FSWP Phasenrauschmessplatz ist es möglich, die Ansteuerpegel am Messobjekt zu variieren, um eindeutig das additive bzw. das Eigenphasenrauschen und die Rauschleistung eines Geräts unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu verstehen.

Das Rauschmaß lässt sich aus dem Phasenrauschergebnis mit folgender Formel berechnen:

NF = L(f) – Nth + Pin

Dabei gilt Folgendes:

L(f) = Phasenrauschen gemessen bei spezifischem Offset in dBm/Hz

Nth = thermisches Phasenrauschen (–177 dBm (1 Hz))

Pin = kalibrierter Signalpegel, der am Messobjekt angelegt wird

Beispiel

Das Kleinsignal-Rauschmaß eines Verstärkers wurde mit der Y-Faktor-Methode mit 1,9 dB bei 1900 MHz gemessen. Nun wird das Phasenrauschverfahren angewandt, um das Rauschmaß des Verstärkers über einen veränderlichen Eingangspegel zu berechnen.

Ansteuerpegel des Messobjekts in dBmPhasenrauschen in dBm (1 Hz)Rauschzahl in dB
–30 –145,45 1,55
–20 –155,14 1,86
–10 –163,36 3,64
0 –165,31 11,69
10 –157,45 29,55

Fazit

Wie man leicht sieht, wird das Phasenrauschen und das Rauschmaß, das aus dem gleichen Ergebnis berechnet wird, deutlich schlechter, sobald das Messobjekt nahe oder jenseits dessen 1-dB-Kompressionspunkt (0 dBm Ansteuerpegel) angesteuert wird. Dieses Beispiel zeigt, dass das Großsignal-Rauschmaß, das aus Phasenrauschmessungen hergeleitet wird, unter wirklichkeitsgetreuen Betriebsbedingungen eine zuverlässigere Methode für die Berechnung der Leistungsübertragungsbilanz eines Übertragungssystems ist.

Additives Phasenrauschen eines Geräts mit veränderlichem Ansteuerpegel
Additives Phasenrauschen eines Geräts mit veränderlichem Ansteuerpegel

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