DE19901750A1 - Anordnung zum Messen des Phasenrauschens eines Meßobjekts - Google Patents
Anordnung zum Messen des Phasenrauschens eines MeßobjektsInfo
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Abstract
Zum Messen des Phasenrauschens des Ausgangssignals eines Meßobjektes mittels eines Spektrumanalysators, dessen Meßzweig aus mehreren aufeinanderfolgenden Überlagerungsstufen besteht, ist ein Kompensationsgenerator vorgesehen, der aus mehreren aufeinanderfolgenden und in umgekehrter Reihenfolge wie die Überlagerungsstufen des Meßzweiges angeordneten Überlagerungsstufen besteht und einen der letzten Zwischenfrequenz des Meßzweiges entsprechenden Eingangsoszillator aufweist; das Ausgangssignal dieses Kompensationsgenerators wird in einer dem Eingang des Meßzweiges vorgeschaltelten Addierstufe zum Ausgangssignal des Meßobjektes etwa mit gleichgroßen Pegel und etwa gegenphasig hierzu addiert.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen des Phasenrauschens eines
Meßobjektes laut Oberbegriff des Hauptanspruches.
Bei der Phasenrauschmessung von Signalen eines Meßobjektes mittels eines
Spektrumanalysators addiert sich das Phasenrauschen der Überlagerungsoszillatoren des
Spektrumanalysators zum Phasenrauschen des Meßobjektes. Es können deshalb nur
Meßobjekte korrekt vermessen werden, die mindestens 5 dB schlechter im
Rauschabstand sind als der Spektrumanalysator. (Ulrich Rohde "Microwave and
Wireless Synthesizers", Kapitel 2.8.2)
Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es bekannt, zwei identische Meßobjekte
aufzubauen und diese in einem Mischer auf 0 Hz abzumischen. (Ulrich Rohde, Kapitel
2.8.5) Bei diesem Verfahren verschwindet der eigentliche Träger des Meßobjektes und
es werden nur noch die Rauschseitenbänder gemessen, das Phasenrauschen des
Spektrumanalysators selbst geht nicht mit ein. Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens
ist, daß zwei identische Meßobjekte vorhanden sein müssen.
Es ist auch bekannt, zur Unterdrückung des Trägers spezielle sogenannte Notchfilter zu
verwenden, die jedoch hohe Güte besitzen müssen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine im Aufbau einfache Anordnung zu schaffen, mit
welcher das Phasenrauschen mittels eines Spektrumanalysators auch von Meßobjekten
gemessen werden kann, die verglichen mit den Rauscheigenschaften des
Spektrumanalysators relativ gute Rauscheigenschaften besitzen.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Anordnung laut Oberbegriff des
Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung wird durch die Addition des Ausgangssignals des Meßobjektes
mit dem Ausgangssignal des nach Art eines Tracking-Generators aufgebauten
Kompensationsgenerators der Träger des Meßobjektes bis zu einem vorbestimmten
geringen Trägerrest stark unterdrückt, ohne daß hierbei das Seitenbandrauschen
beeinflußt wird. Damit kann mit einem relativ schlechten Spektrumanalysator auch ein
bezüglich Rauschen guter Oszillator exakt vermessen werden. Die Erzeugung des
Ausgangssignals des Kompensationsgenerators erfolgt dabei auf sehr einfache und
preiswerte Weise, wie dies für sogenannte Tracking-Generatoren bekannt ist. Das zur
Unterdrückung des Trägers benutzte gleichgroße, aber gegenphasige
Kompensationssignal, liefert selbst keinen Beitrag zum Phasenrauschen, es wird nur das
Phasenrauschen des zusätzlichen Eingangsoszillators des Kompensationsgenerators
wirksam. Dieser Eingangsoszillator kann aber wegen der niedrigen Frequenz ohne
großen Aufwand sehr rauscharm aufgebaut werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer schematischen Zeichnung an einem
Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Die Figur zeigt das Prinzipschaltbild eines üblichen Spektrumanalysators mit dreifacher
Frequenzumsetzung im Meßzweig. Nach dem Eingang 1 des Meßzweiges folgt ein
Tiefpaßfilter 2 und der erste Mischer 3, der das Eingangssignal mittels eines ersten in
der Frequenz einstellbaren Überlagerungsoszillators 4 in die erste Zwischenfrequenz
umsetzt. Diese 1. ZF wird über ein Zwischenfrequenzbandfilter 5 dem zweiten Mischer
6 zugeführt und dort durch einen zweiten Überlagerungsoszillator 7 mit konstanter
Frequenz in eine zweite Zwischenfrequenz umgesetzt. Die 2. ZF wird nach
Durchlaufen eines weiteren Zwischenfrequenzfilters 8 dem dritten Mischer 9 zugeführt,
in welchem das zweite Zwischenfrequenzsignal mittels eines dritten
Überlagerungsoszillators 10 fester Frequenz in die Ausgangs-Zwischenfrequenz ZF
umgesetzt wird. Diese wird in einem dritten Zwischenfrequenzbandfilter 11 gefiltert
und einem Analog/Digitalwandler 12 zugeführt, das digitalisierte Ausgangssignal wird
in einem Prozessor 20 ausgewertet. Das über den A/D-Wandler abgetastete digitale
vierte Ausgangssignal des Meßzweiges wird im Prozessor 20 z. B. mit einem FFT-
Algorithmus bezüglich Frequenz und Pegel ausgewertet. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel mit den in der Figur angegebenen Frequenzwerten beträgt die
Ausgangs-ZF 20 MHz.
Parallel zu diesem eigentlichen Meßzweig des Spektrumanalysators ist nach Art eines
bekannten Tracking-Generators ein Kompensationsgenerator aufgebaut, der aus den in
umgekehrter Reihenfolge hintereinander angeordneten Mischern 19, 16 und 13 mit
zwischengeschalteten Zwischenfrequenzfiltern 18, 15 und 12 besteht. Die Mischer
werden wieder über die gleichen Überlagerungsoszillatoren 10, 7 und 4 des
Meßzweiges gespeist. Am Eingang dieses Kompensationsgenerators ist ein
Eingangsoszillator 21 vorgesehen, der über ein Pegelstellglied 22 mit dem ersten
Mischer 19 verbunden ist. Der Oszillator 21 ist mit relativ geringem Aufwand sehr
rauscharm aufgebaut. Seine Ausgangsfrequenz ist im Normalfall gleich der Ausgangs-
ZF des Meßzweiges, im Beispiel also 20 MHz. Das Stellglied 22 ist über den Prozessor
20 einstellbar. Die Frequenz bzw. Phase des Eingangsoszillators 21 wird über einen
integrierenden Regelkreis 23 in Abhängigkeit vom Ausgangspegel der Ausgangs-ZF
geregelt. Der Pegel der Ausgangs-ZF wird über eine Diode 24 gleichgerichtet und mit
einem über dem Prozessor 20 vorgegebenen Pegelwert, der über einen Digital/Analog-
Wandler 25 umgesetzt wird, auf einen vorgegebenen Wert geregelt, wie dies
nachfolgend näher erklärt wird.
Das Ausgangssignal des Kompensationsgenerators am Ausgang 26 wird einer
Addierstufe 27 zugeführt und zwar zusammen mit dem bezüglich Phasenrauschen zu
messenden Ausgangssignal eines Meßobjektes 28, das Summensignal am Ausgang des
Addierers 27 wird dem Eingang 1 des Meßzweiges zugeführt.
Im Kompensationsgenerator wird bei dem gezeigten Aufbau die 20 MHz-
Ausgangsfrequenz des Eingangsoszillators 21 nacheinander mit allen
Überlagerungsoszillatoren gemischt und damit ein Ausgangssignal erzeugt, das der
momentan eingestellten Empfangsfrequenz des Meßzweiges, also der Ausgangsfrequenz
des Meßobjektes 28 entspricht. Der Pegel wird über das Stellglied 22 so eingestellt, daß
er mit dem Pegel des Meßsignales des Meßobjektes 28 übereinstimmt. Die Filter im
Kompensationsgeneratorzweig sorgen dafür, daß nur ein Signal erzeugt wird und
unerwünschte Spiegelfrequenzen ausgefiltert werden.
Das Ausgangssignal der Diode 24 ist ein Maß für die Phasenverschiebung zwischen der
Frequenz des Kompensationsgenerators und der Ausgangsfrequenz des Meßobjektes 28.
Über den Integratorregelkreis 23 wird die Frequenz bzw. Phase des Eingangsoszillators
21 so geregelt, daß der Pegel der Ausgangs-ZF mit dem durch den D/A-Wandler 25
vorgegebenen Pegelwert übereinstimmt. Diese Regelung funktioniert nur bis zu einer
gewissen Pegelgröße, bei zu großer Pegelunterdrückung stünde kein Ausgangs-ZF-
Signal mehr zur Regelung zur Verfügung. Für eine Messung reicht im allgemeinen eine
Unterdrückung des Trägers im Meßzweig von ca. 20 bis 30 dB aus. Es genügt also,
über dem Prozessor 20 und dem D/A-Wandler 25 einen Pegel von ca. -30dB
vorzugeben. Die Unterdrückung hängt natürlich auch von der Amplitudengleichheit der
beiden im Addierer 27 addierten Signale ab, dazu ist es erforderlich, über das Stellglied
22 den Pegel des Kompensationsgenerators möglichst genau einzustellen.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird also dem zu messenden Signal des
Meßobjektes 28, auf dessen Frequenz der Meßzweig des Spektrumanalysators
eingestellt ist, das Kompensationssignal des Kompensationsgenerators mit gleichem
Pegel und gegenphasig zugeführt, über die gegenseitige Phasenverschiebung zwischen
den beiden Signalen kann der Träger stark gedämpft werden und das Summensignal
enthält nur noch einen kleinen Trägerrest und das Seitenbandrauschen des Meßobjektes.
Der Kompensationsgenerator liefert kein Seitenbandrauschen, da er zum Meßzweig des
Spektrumanalysators korreliert rauscht. Wegen des kleinen Pegels des Trägerrestes
liefern die Überlagerungsoszillatoren des Spektrumanalysators ebenfalls keinen
nennenswerten Beitrag zu dem auf die Ausgangs-ZF abgemischten Signal. Es wird im
wesentlichen nur das Phasenrauschen des Eingangssignals auf die Ausgangs-ZF
abgemischt und kann dort als Rauschleistungsdichte gemessen werden. Voraussetzung
ist nur noch das genügend kleine Rauschmali des Spektrumanalysators, nicht mehr die
mögliche Anzeigedynamik. Die eigentliche Messung erfolgt in bekannter Weise am
schnellsten mit Hilfe einer FFT. Der Phasenrauschabstand ergibt sich aus dem Abstand
zwischen dem Pegel des Eingangssignals ohne Kompensation, der bei abgeschaltetem
Kompensationsgenerator gemessen wird, und der Rauschleistungsdichte, die mit einer
empfindlicheren Einstellung und mit unterdrücktem Träger gemessen wird.
In manchen Fällen wird die Messung des Phasenrauschens in einem größeren Abstand
vom Träger gewünscht, beispielsweise in einem Abstand von ± 5 MHz. Dies ist einfach
dadurch möglich, daß die Ausgangsfrequenz des Kompensationsgenerators gegenüber
der Ausgangsfrequenz des Meßobjektes 28 entsprechend verschoben wird. Dies kann
durch entsprechende Verstellung des Eingangsoszillators 21 des
Kompensationsgenerators erfolgen. Wenn dieser beispielsweise auf 30 MHz eingestellt
wird und der eigentliche Spektrumanalysator auf eine Eingangsfrequenz eingestellt
wird, die um 10 MHz tiefer liegt als das zu messende Ausgangssignal des Meßobjektes
28, so wird das Phasenrauschen in dem erwähnten seitlichen Abstand vom Träger
durchgeführt. Wichtig ist nur, daß die Diode 24 breitbandig genug ist, um das Signal
dann bei 30 MHz zu messen.
Claims (4)
1. Anordnung zum Messen des Phasenrauschens des Ausgangssignals eines
Meßobjektes (28) mittels eines Spektrumanalysators, dessen Meßzweig aus mehreren
aufeinanderfolgenden Überlagerungsstufen jeweils mit einem Mischer (3, 6, 9), einem
Überlagerungsoszillator (4, 7, 10) und einem Zwischenfrequenzfilter (5, 8, 11) besteht,
gekennzeichnet durch
einen Kompensationsgenerator, der aus mehreren aufeinanderfolgenden und in
umgekehrter Reihenfolge wie die Uberlagerungsstufen des Meßzweiges angeordneten
Überlagerungsstufen (10, 18, 19; 7, 15, 16; 4, 12, 13) besteht und einen der letzten
Zwischenfrequenz des Meßzweiges entsprechenden Eingangsoszillator (21) aufweist,
und dessen Ausgangssignal in einer dem Eingang (1) des Meßzweiges vorgeschalteten
Addierstufe (27) dem Ausgangssignal, des Meßobjektes (28) etwa mit gleichgroßem
Pegel und etwa gegenphasig hierzu addiert wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Pegel des der Addierstufe (27) zugeführten Ausgangssignals des
Kompensationsgenerators über ein Stellglied (22) in Abhängigkeit vom Ausgangspegel
des Meßzweiges auf gleichgroßen Pegel wie der Pegel des Ausgangssignals des
Meßobjektes (28) eingestellt wird.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz des Eingangsoszillators (21) des Kompensationsgenerators in
Abhängigkeit vom Ausgangspegel des Meßzweiges so geregelt ist, daß der
Ausgangspegel des Meßzweiges einen vorgegebenen kleinen Wert aufweist (Regelkreis
23, 24, 25).
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Eingangsoszillator (21) des Kompensationsgenerators in der Frequenz
einstellbar ist.
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