Labormesstechnik
Oszilloskop-Bandbreite steigern - aber wie?
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Frequenzverschachtelte Kanäle - Kombination mit Abwärtsmischern
Abwärtsmischer werden seit rund einem Jahrhundert in Funkempfängern und anderen Hochfrequenzanwendungen verwendet. Das Konzept ist einfach: Beim Mischen von zwei Frequenzen erhält man die Summe und die Differenz der beiden Frequenzen (Überlagerung). Wird das Verhältnis der beiden Frequenzen (z.B. mit einem lokalen Oszillator) geschickt gewählt, dann lässt sich die Differenzfrequenz in einen Bereich (normalerweise tiefer) verlagern, in dem sich besser arbeiten lässt.
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Abwärtsmischer werden auch bei Oszilloskopen schon seit sehr langer Zeit verwendet (Bild 5). Der Abwärtsmischer war anfangs eine externe Einheit; die Integration sowie die Kalibrierung dieser Komponente lagen in der Verantwortung des Anwenders. Irgendwann wurde der Abwärtsmischer dann in das Instrument integriert. Wird bei einem Oszilloskopkanal die Frequenz des lokalen Oszillators auf die Mitte der analogen Frontend-Bandbreite gelegt, dann kann die obere Hälfte des Durchlassbereichs mit einem ADC und die untere Hälfte mit einem anderen ADC erfasst werden. Das Zusammensetzen des erfassten Signals aus der oberen und unteren Spektralhälfte übernimmt in den heutigen digitalen Echtzeit-Oszilloskopen ein DSP.
LeCroy war das erste Unternehmen, das diesen Ansatz unter der Bezeichnung „Digital Bandwidth Interleaving“ (DBI) in ein digitales Oszilloskop inte-grierte. Vor kurzem folgte Agilent mit „RealEdge“-Kanälen. Der entscheidende Vorteil für den Oszilloskop-Entwickler ist, dass jeder ADC nur die halbe Abtastrate benötigt, die gleich oder größer der Gesamtbandbreite sein muss. Jedoch sind bei diesem Design-Ansatz auch gewisse Herausforderungen zu lösen.
Sobald die Aufzeichnung abgeschlossen ist und die Daten im Signalspeicher sind, muss das obere Band mit Hilfe von digitalen Signalverarbeitungstechniken (DSP) zurück in seinen originalen Frequenzbereich gebracht werden. Das Zusammenfügen der beiden spektralen „Hälften“ und die Rekonstruktion des Signals sind kompliziert. Weil auch die Pfade nicht identisch sind, müssen diese Differenzen mittels Kalibrierung kompensiert werden, was der DSP übernimmt. Weiterhin ist es aufgrund der für die zwei spektralen Hälften verwendeten steilen Bandpassfilter problematisch, die genaue Mitte des Spektrums zu ermitteln. In diesem Bereich kann es deshalb zu Nichtlinearitäten im Frequenzverlauf oder zu Verschiebungen bei der Phasenlinearität kommen (weiteres Datenmaterial hierzu unter [1]).
Doch zurück zur Betrachtung des Rauschens (Bild 6). Es ist sehr interessant, was beim Frequenz-Interleaving-Verfahren mit dem Kanalrauschen geschieht. Wie zuvor erwähnt, wird die spektrale Leistungsdichte (PSD) gleichmäßig über die Nyquist-Bandbreite (die Hälfte der Abtastrate) eines Aufzeichnungskanals verteilt.
Weil jeder ADC die Hälfte des gesamten Frequenzbereichs erfasst, gibt es keine Möglichkeit zur Reduzierung des Rauschens, wenn anstatt des Zeit-Interleaving- ein Frequenz-Interleaving-Verfahren eingesetzt wird (bei konstanter Bandbreite).
Ganz im Gegenteil: Beim Frequenz-Interleaving nimmt das Rauschen zu. Bild 7a zeigt die Rauschleistung eines Standardkanals beim Agilent DSAX95004Q bei 33 GHz Bandbreite, Bild 7b bei einem „RealEdge“-Kanal ebenfalls bei 33 GHz. Der „RealEdge“-Kanal weist etwa 32 % mehr Rauschen auf als der Standardkanal.
- Oszilloskop-Bandbreite steigern - aber wie?
- Frequenzverschachtelte Kanäle - Kombination mit Abwärtsmischern
- Asynchronous Time Interleaving - das etwas andere Abwärtsmischer-Verfahren
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