DE19901750B4

DE19901750B4 - Anordnung zum Messen des Phasenrauschens des Ausgangssignals eines Meßobjektes

Info

Publication number: DE19901750B4
Application number: DE19901750A
Authority: DE
Inventors: Alexander Roth
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 1999-01-18
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2019-01-19
Also published as: JP2000206165A; JP4629177B2; DE19901750A1; US6313619B1

Abstract

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 Überlagerungsstufen des Meßzweiges angeordneten Überlagerungsstufen (10, 18, 19; 7, 15, 16; 4, 12, 13) besteht und an seinem Eingang 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) mit gleichgroßem Pegel und gegenphasig hierzu addiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen des Phasenrauschens eines Meßobjektes mittels eines Spektrumanalysators laut Oberbegriff des Hauptanspruches.

Zum Messen des additiven Phasenrauschens von Bauelementen ist eine Meßkette bekannt, die aus drei parallelen Meßkanälen besteht, die von einer gemeinsamen Trägerfrequenz-Quelle gespeist sind (deutsche Patentschrift DE 690 06 257 ).

Zur Messung des Phasenrauschens von Signalquellen werden oftmals Spektrumanalysatoren benutzt. Dabei 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.

Zur Unterdrückung von Störfrequenzkomponenten in Informationssignalen ist es an sich bekannt, ein zur Störfrequenzkomponente gegenphasiges gleichgroßes Kompensationssignal zu erzeugen und durch Addition zum Informationssignal die Störfrequenzkomponente zu unterdrücken ( US 5,442,593 ). Gemäß der Erfindung wird in ähnlicher Weise 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 20z.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. Überden 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 Rauschmaß 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

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 Überlagerungsstufen des Meßzweiges angeordneten Überlagerungsstufen (10, 18, 19; 7, 15, 16; 4, 12, 13) besteht und an seinem Eingang 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) mit gleichgroßem Pegel und gegenphasig hierzu addiert wird.
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.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Eingangsoszillators (21) des Kompensationsgenerators in Abhängigkeit vom Ausgangspegel des Meßzweiges über einen Regelkreis (23, 24, 25) so geregelt ist, daß der Ausgangspegel des Meßzweiges einen vorgegebenen kleinen Wert aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsoszillator (21) des Kompensationsgenerators in der Frequenz einstellbar ist.