Grundlagen der Spektrumanalyse.pdf - Ing. H. Heuermann
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<strong>Grundlagen</strong> <strong>der</strong> <strong>Spektrumanalyse</strong><br />
Leistungsmerkmale von Spektrumanalysatoren<br />
5.3 Phasenrauschen (spektrale Reinheit)<br />
Phasenrauschen ist ein Maß für die Kurzzeitstabilität von Oszillatoren, wie<br />
sie auch im Spektrumanalysator zur Umsetzung des Eingangssignals auf<br />
verschiedene Zwischenfrequenzen verwendet werden. Ursache für Phasenrauschen<br />
sind Schwankungen von Phase bzw. Frequenz sowie Amplitude<br />
eines Oszillator-Ausgangssignals, wobei letztere meist zu vernachlässigen<br />
sind. Diese Schwankungen wirken wie eine Modulation.<br />
Das Phasenrauschen wird in <strong>der</strong> Regel abhängig vom Trägerabstand<br />
(Offset) als Einseitenband-Phasenrauschen bezogen auf den Trägerpegel<br />
spezifiziert. Die spezifizierten Werte sind dabei als relative Rauschleistungspegel<br />
innerhalb einer Bandbreite von 1 Hz angegeben. Die Einheit<br />
ist dementsprechend dBc (1 Hz) o<strong>der</strong> dBc/Hz, wobei mit <strong>der</strong> Erweiterung c<br />
<strong>der</strong> Bezug auf den Träger (Carrier) angedeutet wird. Da die Phasenrauschleistung<br />
niedriger als <strong>der</strong> Trägerpegel ist, sind in Spezifikationen negative<br />
Zahlenwerte zu erwarten.<br />
Die Auswirkungen von Phasenrauschen sind in Bild 5-11 dargestellt.<br />
Eine genügend hohe Auflösung vorausgesetzt, erwartet man bei einem<br />
reinen Sinussignal im Frequenzbereich lediglich eine einzige Spektralline.<br />
Tatsächlich aber ist das Spektrum eines durch einen realen Oszillator<br />
erzeugten Signals deutlich breiter.<br />
Das Signal jedes Oszillators weist Phasenrauschen mehr o<strong>der</strong> weniger ausgeprägt<br />
auf. Durch entsprechende schaltungstechnische Vorkehrungen<br />
kann es bis zu einem gewissen Grad lediglich minimiert, aber nie ganz beseitigt<br />
werden. In mo<strong>der</strong>nen Spektrumanalysatoren sind die Lokaloszillatoren<br />
als Synthesizer ausgeführt, d.h. die eigentlichen Oszillatoren sind<br />
über Phasenregelkreise wie in [5-3] beschrieben an eine hochgenaue Referenz,<br />
z.B. 10 MHz angebunden. Abhängig von <strong>der</strong> Regelbandbreite dieser<br />
Anbindung wird die Charakteristik des Phasenrauschens beeinflußt. Es<br />
können daher folgende Teilbereiche unterschieden werden (siehe auch<br />
Bereiche 1, 2 und 3 in Bild 5-11):<br />
• Nahe am Träger (Offset bis etwa 1 kHz)<br />
In diesem Bereich entspricht das Phasenrauschen dem auf das Ausgangssignal<br />
des Lokaloszillators bezogenen Phasenrauschen des Referenzsignals.<br />
Aufgrund <strong>der</strong> Vervielfachung in <strong>der</strong> Regelschleife ist dieses<br />
Phasenrauschen höher als das des Referenzoszillators.<br />
L<br />
• Bereich bis zur oberen Grenze <strong>der</strong> Regelbandbreite (ab etwa 1 kHz)<br />
Innerhalb <strong>der</strong> Regelbandbreite entspricht das Phasenrauschen dem<br />
Summenrauschen mehrerer Komponenten des Regelkreises, wie z.B. des<br />
Teilers, des Phasendetektors und des vervielfachten Referenzsignals. Die<br />
obere Grenze dieses Bereichs ist abhängig vom Spektrumanalysator bzw.<br />
vielmehr von <strong>der</strong> Art des verwendeten Oszillators. Sie liegt etwa im Bereich<br />
von 100 kHz bis 300 kHz.<br />
• Bereich außerhalb <strong>der</strong> Regelbandbreite<br />
Außerhalb <strong>der</strong> Regelbandbreite wird das Phasenrauschen praktisch ausschließlich<br />
durch das Phasenrauschen des Oszillators im nicht-synchronisierten<br />
Betrieb bestimmt. Es fällt in diesem Bereich mit 20 dB je Dekade<br />
ab.<br />
Phasenrauschen<br />
<strong>der</strong> Referenz,<br />
bezogen auf<br />
Ausgangsfrequenz<br />
f 0<br />
(OCXO)<br />
freilaufen<strong>der</strong><br />
Oszillator (VCO)<br />
VCO an OCXO angebunden:<br />
schmale Regelbandbreite<br />
mittlere Regelbandbreite<br />
1 2<br />
3<br />
f 0<br />
große Regelbandbreite<br />
Bild 5-11 Phasenrauschen eines OCXO, eines VCO sowie eines an<br />
den OCXO angebundenen VCO bei verschiedenen Regelbandbreiten<br />
In Bild 5-11 ist das Phasenrauschen für verschiedene Regelbandbreiten<br />
dargestellt. Interessant dabei ist <strong>der</strong> Vergleich des Phasenrauschens des<br />
freilaufenden Oszillators mit dem Phasenrauschen bei Anbindung an die<br />
Referenz mit verschiedenen Regelbandbreiten. Folgende Fälle sind dabei<br />
zu unterscheiden:<br />
f<br />
120<br />
121