Grundlagen der Leistungsmessung Mittel- oder Spitzenwert?

Die Analyse einiger Begriffe kann das Auswahlverfahren für das richtige Leistungsmessgerät erleichtern.
Die Analyse einiger Begriffe kann das Auswahlverfahren erleichtern.

Bei der Planung eines Testsystems ist es wichtig zu wissen, welche Art Messung durchgeführt werden soll, um die passende Ausrüstung zu wählen. In der Welt der Leistungsmessung kann es durch die verschiedenen Arten von Sensoren und deren unterschiedliche Messfunktionen leicht zu Verwirrungen kommen.

Viele Leistungsmesser oder Leistungssensoren verwenden die Begriffe „Durchschnittswert” oder „Spitzenwert“ in ihrer Bezeichnung. Diese beiden Begriffe sind jedoch nicht so intuitiv, wie sie es zu sein scheinen. Um die unterschiedlichen Mess¬arten tatsächlich zu verstehen, müssen wir etwas tiefer in die Materie eindringen. Die folgenden Begriffe können uns dabei helfen, den Unterschied zwischen Spitzenleistungssensoren und Durchschnittsleistungssensoren sowie ihre Funktionen zu verstehen:

  • Momentanleistung
  • Hüllkurvenleistung
  • Hüllkurvenspitzenleistung
  • Mittlere Burstleistung
  • Durchschnittsleistung

Das Beispiel eines pulsmodulierten Signals in Bild 1 soll diese Definitionen veranschaulichen.

Der erste Begriff, die Momentanleistung P(t), ist die tatsächliche Leistung des Signals zu einer beliebigen Zeit. Auf einem Messgerät würde dies aussehen wie eine Wiedergabe der Wellenform.

Die Erfassung der Momentanleistung erfordert eine Instrumentierung, die schnell genug reagieren kann, um die Änderungen des Signals zu erfassen. Die meisten Leistungsmesser und Sensoren sind dafür jedoch nicht schnell genug, weshalb ein Hochgeschwindigkeits-Digitizer oder ein digitales Speicheroszilloskop (DSO) erforderlich ist. In den meisten Fällen ist, wenn von einer Spitzenleistungsmessung die Rede ist, die Hüllkurvenspitzenleistung gemeint, nicht aber der Spitzenwert der Momentanleistung.

Die Hüllkurvenleistung Pe(t) beschreibt die Amplitudenänderung aufgrund der Modulation oder manchmal der Verzerrung. Es handelt sich um eine weitere Messung in Abhängigkeit von der Zeit. Die Hüllkurvenleistung ist eine Darstellung der mittleren Leistung über das Messintervall des Sensors zu einer beliebigen Zeit (Bild 2 zeigt ein weiteres Beispiel für die Beziehung zwischen Hüllkurvenleistung und Momentanleistung).

Die Hüllkurvenspitzenleistung PEP ist der höchste gemessene Leistungswert innerhalb der Hüllkurvenleistungsmesswerte. Die richtige Ermittlung der PEP erfordert, dass die Amplitudenänderung des modulierten Signals in einer Geschwindigkeit stattfindet, die innerhalb der Videobandbreite des Sensors liegt. Zu beachten ist, dass Leistungsmesser oftmals den Crestfaktor oder das Verhältnis von Spitzenleistung zu Durchschnittsleistung (Peak-to-Average Power Ratio, PAPR) ausgeben. In diesem Fall ist die Spitzenleistung tatsächlich die PEP, jedoch nicht die augenblickliche Spitzenleistung. Mehr zum Thema Videobandbreite und Crestfaktor folgt später. Die mittlere Burstleistung PBAvg ist schlichtweg die mittlere Leistung innerhalb des Burst. Die Erfassung dieser drei Werte erfordert einen Spitzenleistungssensor wie den Pulssensor MA2411A oder den Inline-Spitzenleistungs-USB-Sensor MA24105A von Anritsu.

Der letzte Wert in der Liste ist die Durchschnittsleistung Pavg (dargestellt mit Hilfe der violetten Linie in Bild 1). Hierbei handelt es sich um die Durchschnittsleistung, die über einen bestimmten Zeitraum hinweg gemessen wurde. Im Beispiel erfolgte die Messung im Zeitraum vom Beginn eines Burst zum nächsten (auch bekannt als Impulswiederholintervall oder PRI). Dies ist der Messwert, den Average-Power-Sensoren wie die universellen USB-Leistungssensoren MA24208A/18A von Anritsu ausgeben. Diese speziellen diodenbasierten Messköpfe werden zuweilen als True-RMS-Messköpfe bezeichnet, da sie so entworfen wurden, dass das gemessene Signal innerhalb des quadratischen Bereichs der Diode bleibt, wo der Gleichspannungsausgang des Sensors einen engen linearen Zusammenhang zum Quadrat der anliegenden HF-Spannung aufweist. Dadurch sind die Messköpfe in der Lage, die Durchschnittsleistung der meisten Signale einschließlich der modulierten Signale, Mehrtonsignale oder gepulsten Signale exakt zu messen. Für unmodulierte Signale (das heißt Dauerstrichsignale, auch CW-Signale genannt) können Messköpfe, wie die der Baureihen MA247xD und MA244xD von Anritsu, zur Bestimmung der Durchschnittsleistung in allen drei Arbeitsbereichen der Diode, also im linearen Bereich, Übergangsbereich und im quadratischen Bereich, betrieben werden.

Zu beachten ist, dass, obwohl der Durchschnittsleistungssensor nicht in der Lage ist, die Spitzenleistung der Modulation zu messen, dieser Messkopf in einigen Fällen zur Ermittlung bestimmter Merkmale des Burst genutzt werden kann. So lässt sich im Beispiel für das Impulssignal, das in Bild 1 verwendet wurde, die mittlere Burstleistung ermitteln, solange das Tastverhältnis des Signals bekannt ist. In diesem Fall ist PBAvg gleich der Pavg dividiert durch das Tastverhältnis, wobei das Tastverhältnis das Ergebnis aus Impulsbreite dividiert durch Impulswiederholungsintervall ist.