Noise Floor Extension: bei Signal- und Spektrumanalysatoren den Dynamikbereich vergrößern
Das Rauschen (fast) abschaffen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Das Rauschen (fast) abschaffen
Oberes Frequenzband
Im oberen Frequenzbereich arbeitet ein Spektrumanalysator mit einer Mischstufe, die das Eingangssignal heruntermischt, gefolgt von einem durchstimmbaren Yttrium-Eisengranat-Filter (YIG, Yttrium Iron Garnet). Das Filter unterdrückt Spiegelfrequenzen des Eingangssignals, die durch den Mischvorgang entstehen. Der obere Frequenzbereich wird typischerweise in vier Frequenzbändern realisiert, die als Band 1 bis 4 bezeichnet werden. Man verwendet hierfür den Lokaloszillator auf der Grundwelle oder der doppelten Frequenz und mischt auf der Grundwelle oder der ersten Oberwelle. Es ergeben sich somit vier Kombinationen, mit denen man die vier Frequenzbänder jeweils optimal abdecken kann.
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An sich wäre die Unterteilung in Frequenzbänder für die Darstellung hier unwichtig, wenn es nicht zwei Arten von Vorverstärkung gäbe. Die erste ist eine Verstärkungsstufe zwischen dem YIG-Filter und den Mischstufen. Während das Rauschen eines Verstärkers auf Zwischenfrequenzebene von der Signalfrequenz unabhängig ist, arbeitet diese Verstärkungsstufe direkt auf der Signalfrequenz. Aus diesem Grund ist das eben dargestellte 2-Parameter-Modell, das im niedrigen Band gut funktioniert, nicht für das hohe Band geeignet. Außerdem gibt es so viele frequenzabhängige Dämpfungen, dass ein gegen die Frequenz linear kompensiertes Modell (das Vorverstärker-Modell) das Rauschen auch nicht angemessen modelliert.
Jedes der vier Unterbänder im hohen Band wird von einer Kombination des 2-Parameter-Modells des niedrigen Bandes und dem Vorverstärker-Modell (ebenfalls ein 2-Parameter-Modell) charakterisiert. Das kombinierte Modell arbeitet mit einer 4-Parameter-Regression, die für jedes Unterband separat ausgerechnet wird und eine gute Übereinstimmung mit den Daten liefert.
Die zweite Art Vorverstärkung ist eine optionale Verstärkerstufe vor dem YIG-Filter. Wie bei der anderen Verstärkerstufe im hohen Band wird diese mit einem 4-Parameter-Modell gut beschrieben, wiederum separat für jedes der vier Mischbänder gerechnet.
sehr hoher Güte, das Spiegelfrequenzen sehr stark unterdrückt. Es hat eine Dämpfung von 80 dB bei einem Frequenzabstand der doppelten Zwischenfrequenz (also 645 MHz). Durch seine hohe Güte weist es eine geringe Stabilität auf, wodurch in den höchsten Frequenzbereichen die Amplitudengenauigkeit um eine Größenordnung schlechter ist als im unteren Band. Obwohl die Instabilität des Filters ein Problem mit der Amplitudengenauigkeit verursacht, hat das zum Glück keinen direkten Einfluss auf die Genauigkeit des Rauschmodells.
Das Rauschen herausrechnen
Nachdem die Einzelbestandteile des Rauschens des Analysators bestimmt sind, werden nun die mathematischen Mittel erläutert, die man braucht, um das Rauschen herauszurechnen, um damit den größtmöglichen Dynamikbereich für die Messung des Eingangssignals zu erhalten.
Das Rauschen des Analysators addiert sich inkohärent zum Rauschen jeder anderen Signalform, aus der das Messsignal am Eingang des Analysators besteht. Im einfachsten Fall ist das Eingangssignal rauschähnlich; die Antwort des Analysators ist dann proportional zur Gesamtleistung. Mathematisch ausgedrückt:
Pobs S+N = Pobs N + PS
Die beobachtete Gesamtleistung („observed“) des Signals mit dem Analysatorrauschen (Pobs S+N) berechnet sich als Summe der Einzelleistungen des Analysatorrauschens (Pobs N) und des Eingangssignals (PS). Man kann die Leistung des Eingangssignals also durch schlichte Subtraktion errechnen:
PS = Pobs S+N – Pobs N
Trägt man PS auf einer Dezibel-Skala auf, erhält man eine Darstellung wie in Bild 2. Zuerst erkennt man, dass es keine gültige Lösung (in dB ausgedrückt) für PS gibt, wenn die beobachtete Summe von Signal und Analysatorrauschen unter der reinen Analysator-Rauschleistung liegt. Nach geltenden Regeln wird die berechnete Leistung dann negativ. Dies ist aber weder physikalisch sinnvoll noch in Dezibel darstellbar. (Dennoch kommt das aufgrund der Varianz bei den Rauschmessungen durchaus vor. Man kann das vermeiden, wenn man die errechnete PS so beschränkt, dass sie nie kleiner sein darf als 12 dB unter der gemessenen Summe.)
Die zweite Erkenntnis aus diesem Graphen ist, dass bei kleinen Signalpegeln PS die Steigung der Kurve sehr groß wird. Bei im Verhältnis zu Pobs N kleinen Werten von PS wird also jede Änderung des Messwerts mit einem großen Faktor vervielfacht. Dies ist eine grundsätzliche Einschränkung des Verfahrens „Noise Floor Extension, NFE“, auf die später noch eingegangen wird.
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