Nie groß genug Signal-Rausch-Abstand von A/D-Umsetzern

Funkempfänger mit verringerter HF-Eingansstufe ermöglichen eine hohe Reichweite.
Funkempfänger mit verringertem Eigenrauschen ermöglichen den Empfang schwacher Signale und somit eine hohe Reichweite.

Funkempfänger sollen schwache Signale empfangen können, um eine hohe Reichweite zu ermöglichen. Sie dürfen aber nicht von starken ­Signalen auf benachbarten Kanälen gestört werden. Hier sind A/D-Umsetzer mit niedrigem Rauschen gefordert, um Intermodulationen in der HF-Eingangsstufe zu verringern.

Zu den wichtigsten Größen bei Funksystemen gehört das Eigenrauschen bzw. die Rauschzahl des Empfängers. Dieser Parameter entscheidet darüber, wie gering die Signalstärke sein darf, damit ein schwaches Eingangssignal vom Empfänger gerade noch erfolgreich extrahiert werden kann. Wenn das Rauschen des Empfängers innerhalb der demodulierten Bandbreite größer ist als das empfangene Signal, ist eine Demodulation nicht mehr möglich. 

Um das schwache Nutzsignal aus dem Eigenrauschen des Empfängers „herauszuheben“ (Bild 1), muss entweder die Sendeleistung erhöht oder das Eigenrauschen des Empfängers reduziert werden. In vielen Anwendungen, darunter auch Radarsysteme oder Mobiltelefone, sind Sender und Empfänger vollständig voneinander getrennt. Als einzige Möglichkeit zum Erhöhen der Empfänger-Empfindlichkeit bleibt also das Verbessern der Rauschzahl.

Bei Radarsystemen führt eine höhere Empfänger-Empfindlichkeit dazu, dass Ziele besser detektiert und identifiziert werden können. In Empfängern für elektronische Aufklärungssysteme verbessert sich bei höherer Empfindlichkeit die Fähigkeit, die gegnerische Kommunikation in der Gegenwart starker Störsender mitzuhören. Auf dem Gebiet der Funkkommunikation bewirkt eine höhere Empfindlichkeit, dass die Reichweite von Basisstationen größer wird.

Wie verbessert man die Rauschzahl eines Empfängers?

Ein schneller A/D-Umsetzer (ADU) weist in der Regel die größte Rauschzahl aller Bauelemente der Empfänger-Signalkette auf. Sein Beitrag zur Rauschzahl des Empfängers lässt sich deutlich verringern, indem mit rauscharmen Vorverstärkern (LNA: Low-Noise Amplifier) vorab für eine zusätzliche Verstärkung – bei niedriger Rauschzahl – gesorgt wird. In der Gegenwart starker Störsender, die sich nicht ausfiltern lassen, kommt diese Methode allerdings nicht in Frage. Hier muss im Gegenteil die Verstärkung der Signalkette herabgesetzt werden, damit der Eingang des ADU nicht in die Sättigung gerät. Die einzige Möglichkeit, die Rauschzahl eines Empfängers wirklich zu verbessern, ist deshalb die Verringerung des Eigenrauschens (Bild 2). Hierzu greift man auf einen A/D-Umsetzer mit größerem Signal-Rausch-Abstand (SNR: Signal-to-Noise Ratio) zurück.

Die Rauschzahl F eines ADU ist im Prinzip die Differenz zwischen der spektralen Rauschleistungsdichte P~ bzw. dem Eigenrauschen eines ADU in dBm/Hz und der absoluten thermischen Rauschzahl kT in dBm/Hz, normiert auf eine Bandbreite von 1 Hz. Die Berechnung kann nach Gleichung 1 erfolgen:

 

 

 

 

 

 

 

Darin sind PVoll die Leistung bei Vollaussteuerung, AB der Aussteuerbereich des ADU, k die Boltzmann-Konstante, T die Temperatur in Kelvin und B die Bandbreite.

Mit Hilfe dieser Formeln lässt sich die äquivalente Rauschzahl für zwei moderne ADUs berechnen (Tabelle), den ADS42JB69 (16 bit, 250 MS/s) und den ADS54J60 (16 bit, 1 GS/s). Beim SNR bei Vollaussteuerung handelt es sich um den SNR bei niedrigen Frequenzen in der Gegenwart eines vollständig aussteuernden Eingangssignals, z.B. eines Störsignals. Das Eigenrauschen wird häufig als NSD dargestellt. Das Rauschen in der gesamten Nyquist-Zone wird auf eine Bandbreite von 1 Hz normiert (Tabelle). Der SNR des ADS42JB69 ist um nahezu 3 dB besser, jedoch ist die Nyquist-Zone des ADS54J60 auch dreimal so groß. Seine spektrale Rauschleistungsdichte bei Vollaussteuerung ist deshalb um 3,1 dB besser und liegt nahe an –160 dB/Hz, was für einen schnellen Pipeline-ADU ein sehr guter Wert ist. Zusammen mit dem geringfügig kleineren Aussteuerungsbereich am Eingang ist die Rauschzahl des ADS54J60 somit um 3,5 dB besser als die des ADS42JB69.

Parameter ADS42JB69 ADS54J60 
Abtastrate bei Vollaussteuerung [GHz]0,251
Auflösung [bit]1616
Eingangsspannung bei Vollaussteuerung [VSS]21,9
SNR bei Vollaussteuerung [dB]7471,1
Eingangsimpedanz [Ω]200200
Berechnete Rauschzahl [dB]2319,5
Spektrale Rauschdichte bei Vollaussteuerung [dB/Hz]–155–158,1
Vergleich der Rauschzahl und der spektralen Rauschdichte zweier ADUs mit jeweils 16 bit Auflösung, aber unterschiedlicher Abtastraten – 250 MHz und 1 GHz. Der ADU mit höherer Abstastrate ist rund 3 dB besser. (Quelle: TI)