Grundlagen der Spektrumanalyse.pdf - Ing. H. Heuermann

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Grundlagen der Spektrumanalyse Praktische Realisierung eines Analysators max. L Eingangspegel Aussteuergrenze (Referenzpegel) q HF,1 g ZF,1 q HF,2 L g mix,1 ZF,2 Mischerpegel L mix,2 Dynamikbereich Eigenrauschen Eingang 1. Mischer Logarithmierer/ Hüllkurvendetektor/ A-D-Wandler Bild 4-32 Begrenzung des Dynamikbereichs durch Eigenrauschen in Abhängigkeit vom Mischerpegel Um den gesamten Dynamikbereich des Logarithmierers bzw. Hüllkurvendetektors (bei analogen ZF-Filtern) oder des A-D-Wandlers (bei digitalen ZF- Filtern) nutzen zu können, wird der Signalpegel mit Hilfe des ZF-Verstärkers in der letzten ZF-Ebene entsprechend angepasst. Die Verstärkung ist so zu wählen, daß Signale, die den Referenzpegel erreichen, zur Vollaussteuerung des Logarithmierers, Hüllkurvendetektors (bei linearer Pegeldarstellung) bzw. A-D-Wandlers (bei digitalen ZF-Filtern) führen. Die ZF-Verstärkung wird daher indirekt über den Referenzpegel eingestellt, wobei eine Abhängigkeit von der gewählten Eichleitungseinstellung besteht. Bei gleichem Referenzpegel ist die ZF-Verstärkung mit zunehmender HF- Dämpfung, also abnehmendem Mischerpegel, zu erhöhen (vgl. g ZF,1 und g ZF,2 in Bild 4-32). Überschreitet der Pegel eines darzustellenden Eingangssignals den Referenzpegel, so kann dies zur Übersteuerung führen. Die ZF-Verstärkung muß dann durch Erhöhen des Referenzpegels verringert werden. Kopplung von Referenzpegel und HF-Dämpfung In modernen Spektrumanalysatoren kann die HF-Dämpfung an die Referenzpegeleinstellung gekoppelt werden. Kopplungskriterium ist der maximale Mischerpegel, der durch ein Eingangssignal, dessen Pegel dem Referenzpegel entspricht, erreicht wird. Der bei Vollaussteuerung erreichte Mischerpegel ergibt sich daher aus der Differenz zwischen Referenzpegel und HF-Dämpfung. Es gilt: L mix = L in,max – a HF = L Ref – a HF (Gl. 4-18) mit L mix Pegel am Eingang des ersten Mischers bei Vollaussteuerung, in dBm L in,max Eingangspegel, der zur Vollaussteuerung führt, in dBm L Ref Referenzpegel, in dBm a HF über Eichleitung eingestellte HF-Dämpfung (RF Att), in dB Wie gezeigt wurde, ist bei der Wahl des Mischerpegels ein Kompromiß zwischen niedriger Rauschanzeige und niedrigen Verzerrungsproduktion zu suchen. Um den Mischerpegel für bestimmte Anwendungen zu optimieren, bieten manche Analysatoren daher dem Benutzer die Möglichkeit, den bei Vorgabe des Referenzpegels einzustellenden Mischerpegel frei zu wählen. Oft stehen bereits vordefinierte Kopplungsgrade zur Verfügung: • Niedrige Rauschanzeige (Low Noise) Je niedriger die HF-Dämpfung, desto weniger wird der Signal-Rausch-Abstand vor dem ersten Mischer verringert. Für eine niedrige Rauschanzeige ist daher ein hoher Mischerpegel notwendig (vgl. auch Kapitel 5.1, Eigenrauschen). • Niedrige Verzerrungsprodukte (Low Distortion) Die in einem Spektrumanalysator aufgrund seiner Nichtlinearitäten entstehenden Verzerrungsprodukte sind um so niedriger, je niedriger der Mischerpegel ist. Die HF-Dämpfung ist in diesem Modus daher höher (vgl. auch Kapitel 5.2, Nichtlinearitäten). Als Beispiel sind in Tabelle 4-2 typische Einstellungen von HF-Dämpfung und ZF-Verstärkung bei vorgegebenem Referenzpegel für die verschiedenen Modi dargestellt. Man erkennt, daß in diesem Beispiel auch bei sehr niedrigen Referenzpegeln immer eine HF-Dämpfung von mindestens 10 dB eingestellt wird. Der erste Mischer wird dadurch zum einen geschützt, zum anderen wird eine bessere Eingangsanpassung und damit eine höhere Pegelgenauigkeit bei Absolutpegelmessungen erreicht (siehe auch 88 89
Grundlagen der Spektrumanalyse Praktische Realisierung eines Analysators Kapitel 5.10.1, Fehlerbeiträge). Die HF-Dämpfung kann in diesem Beispiel maximal auf 70 dB gestellt werden, die ZF-Verstärkung maximal auf 50 dB. Mischer- –40 dBm –30 dBm –20 dBm pegel (Low Distortion) (normal) (Low Noise) Referenz- HF-Däm- ZF-Ver- HF-Däm- ZF-Ver- HF-Däm- ZF-Verpegel pfung stärkung pfung stärkung pfung stärkung +30 dBm 70 dB 30 dB 60 dB 20 dB 50 dB 10 dB +20 dBm 60 dB 30 dB 50 dB 20 dB 40 dB 10 dB +10 dBm 50 dB 30 dB 40 dB 20 dB 30 dB 10 dB 0 dBm 40 dB 30 dB 30 dB 20 dB 20 dB 10 dB –10 dBm 30 dB 30 dB 20 dB 20 dB 10 dB 10 dB –20 dBm 20 dB 30 dB 10 dB 20 dB 10 dB 20 dB –30 dBm 10 dB 30 dB 10 dB 30 dB 10 dB 30 dB –40 dBm 10 dB 40 dB 10 dB 40 dB 10 dB 40 dB –50 dBm 10 dB 50 dB 10 dB 50 dB 10 dB 50 dB –60 dBm 10 dB 50 dB 10 dB 50 dB 10 dB 50 dB –70 dBm 10 dB 50 dB 10 dB 50 dB 10 dB 50 dB –80 dBm 10 dB 50 dB 10 dB 50 dB 10 dB 50 dB –90 dBm 10 dB 50 dB 10 dB 50 dB 10 dB 50 dB –100 dBm 10 dB 50 dB 10 dB 50 dB 10 dB 50 dB Tabelle 4-2 Beispiel für die Einstellung von HF-Dämpfung und ZF-Verstärkung bei vorgegebenem Referenzpegel (ZF-Verstärkung max. 50 dB, HF-Dämpfung max. 70 dB) 4.6.3 Aussteuerung Erster Mischer Zur Abdeckung des unteren Frequenzbereichs (bei dem hier beschriebenen Analysator bis 3 GHz) wird in HF-Eingangsteilen üblicherweise das Prinzip der hohen ersten Zwischenfrequenz angewendet. Sofern der Spektrumanalysator über keine schmalbandige Vorselektion vor dem ersten Mischer verfügt, können Signale im gesamten Eingangsfrequenzbereich (hier bis 3 GHz) unabhängig vom darzustellenden Frequenzbereich an den ersten Mischer gelangen. Dieser kann daher auch durch Signale, die weit außerhalb des dargestellten Spans liegen, übersteuert werden. Die dadurch entstehenden Verzerrungsprodukte (z. B. Harmonische höherer Ordnung) können bei entsprechender Wahl des darzustellenden Frequenzbereichs durchaus im angezeigten Spektrum störend in Erscheinung treten (siehe Bild 4-33 und Bild 4-34). Eingangssignal A f e = 1 GHz f A f e RF 2f e Harmonische des Eingangssignal, die im 1. Mischer entstehen 3f e ZF f ZF = f LO –f e 1. LO f LO =3,4…6,6 GHz f A A f ZF = 3476,4 MHz f=f LO –2f e f f=f LO –3f e f=f LO –f e angezeigtes Spektrum Sweep Bei Verwendung eines Spektrumanalysators ist stets darauf zu achten, daß dieser nicht durch Eingangssignale mit zu hohem Pegel übersteuert wird. Übersteuerung kann dabei an mehreren Stellen des Signalpfads auftreten. Um dies zu vermeiden, sind sowohl HF-Dämpfung als auch Referenzpegel (also ZF-Verstärkung) richtig einzustellen. Im folgenden werden die kritischen Komponenten sowie die zu beachtenden Punkte beschrieben. Bild 4-33 Abbildung von Harmonischen höherer Ordnung des Eingangssignals, die im ersten Mischer entstehen f 90 91
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