Noise Floor Extension: bei Signal- und Spektrumanalysatoren den Dynamikbereich vergrößern
Das Rauschen (fast) abschaffen
Mit spezieller Signalverarbeitung lässt sich das Grundrauschen eines Spektrum-/Signalanalysators verringern, was dann wieder zu höherem Dynamikbereich und damit zu noch aussagekräftigeren Messergebnissen führt. Hier Details zu dieser Methode.
Noise Floor Extension: bei Signal- und Spektrumanalysatoren den Dynamikbereich vergrößern
Mit spezieller Signalverarbeitung lässt sich das Grundrauschen eines Spektrum-/Signalanalysators verringern, was dann wieder zu höherem Dynamikbereich und damit zu noch aussagekräftigeren Messergebnissen führt. Hier Details zu dieser Methode.
Von Joe Gorin und Tomas Lange
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Ein wichtiger Parameter von Spektrumanalysatoren ist der Dynamikbereich, der seinerseits andere Kenngrößen wie Genauigkeit und Messgeschwindigkeit nennenswert beeinflussen kann. Zusätzlich spielt das Rauschen eine große Rolle, speziell das Grundrauschen des Spektrumanalysators. Wenn es gelingt, dieses Grundrauschen zu vermindern, vergrößert das den Dynamikbereich und damit die Qualität vieler Messungen. Zwar kann man durch geeignetes Hardware-Design und sorgfältige Auswahl der Bauteile das Grundrauschen reduzieren, diese Methode hat aber ihre Grenzen. Ein anderer Ansatz führt jedoch noch wesentlich weiter: Mit entsprechender Datenverarbeitung kann man das Grundrauschen eines Spektrumanalysators modellieren, von gemittelten Signalen subtrahieren und so den effektiven Rauschpegel verringern. Im neuen Spektrumanalysator PXA von Agilent wird diese Methode als NFE, „Noise Floor Extension“, bezeichnet.
Modellierung des Grundrauschens
Will man das Eigenrauschen des Analysators aus den Messsignalen herausrechnen, muss man es in einem ersten Schritt zunächst über den Betriebsbereich der Messungen genau charakterisieren. Dazu muss man ein Modell des Grundrauschens erstellen und das Modell dann mit den Messungen einzelner Typen von Analysatoren kombinieren, um deren Grundrauschen genau abschätzen zu können.
Zunächst hängt der Rauschpegel eines Spektrumanalysators von etlichen Parametern ab, namentlich von der Auflösungsbandbreite (RBW, Resolution Bandwidth), der Stellung des Eingangsabschwächers und der eingestellten Frequenz (einschließlich Abhängigkeit vom Frequenzvielfachen des Lokaloszillators, mit dem heruntergemischt wird) sowie dem Amplitudenkorrekturfaktor. Auch der Videodetektor und die Anzahl der Mittelungen beeinflussen das Rauschen und sind daher bei der Modellierung wichtig. Die beiden letztgenannten Parameter sprengen aber den Rahmen des vorliegenden Artikels, der sich deshalb auf die erstgenannten Parameter beschränkt, die zum Rauschen in einem Spektrumanalysator beitragen, und zwar in seinen Signalpfaden für das untere Band und das obere Band sowie im Vorverstärker.
Unteres Band: Passiver Überlagerungsempfang
Die niedrigsten Frequenzen (0 bis 3,6 GHz) werden mit einer Anordnung gemessen, wie sie in Bild 1 als Blockdiagramm dargestellt ist. Das durch den Spektrumanalysator hinzugefügte Rauschen bezogen auf die Eingangsbuchse ist offensichtlich proportional zur Eingangsabschwächung und wächst proportional mit der Rauschbandbreite des RBW-Filters. Im Rahmen dieses Artikels besonders interessant ist das Verhalten des Rauschens im Verhältnis zur Abstimmfrequenz.
Die Verstärkungsregelung GC(f) (Gain Compensation) im Bild 1 kompensiert den Frequenzgang der Funktionsblöcke vom Eingangsanschluss bis zum Ausgang der ersten Mischstufe. In einem gewobbelten Spektrumanalysator werden alle Frequenzen bei der gleichen Zwischenfrequenz gemessen, daher hat die Verstärkung hinter der Mischstufe weder einen Einfluss auf den Frequenzgang noch verursacht sie frequenzabhängiges Rauschen. Man kann deshalb diesen Abschnitt des Blockschaltbildes für alle Frequenzen im unteren Band so modellieren, als gäbe es lediglich zwei frequenzunabhängige Rauschquellen e1 und e2.
Die erste Rauschquelle (e1) stellt das Rauschen vor dem RBW-Filter (der letzten ZF) dar. Dieses Rauschen verändert sich mit der eingestellten Frequenz, aber die Verstärkungsregelung gleicht den Frequenzgang bei der Frequenzumsetzung aus und korrigiert damit auch das Verhalten des frequenzabhängigen Rauschens. Die zweite Rauschquelle (e2) entspricht dem Eingangsrauschen, das von der Abstimmfrequenz unabhängig ist.
Nach Erfahrungen bei Agilent Technologies sind die ermittelten Rauschmodelle genau genug, um mehr als 90 % der Rauschleistung zu modellieren, wodurch sich das effektive Hintergrundrauschen nach Kompensation und Mittelung typischerweise um mehr als 10 dB verringern lässt.
Noch etwas zum Vorverstärker: Wenn diese in Spektrumanalysatoren eingebaut sind, dann sollten sie im Idealfall einen ebenen Frequenzgang ihres Grundrauschens aufweisen – aber sie sind nicht ideal. Ein genaueres Modell zeigt, dass die Rauschleistung am Eingang linear mit der Frequenz ansteigt. Man kann das Grundrauschen bei verschiedenen Frequenzen messen (wie es bei der Verifikation der Spezifikationen auch gemacht wird) und es mittels linearer Regression auf ein Modell mit einer Gerade zurückführen.
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