Köther, D. + Poppelreuter, W. + Berben, J.: Bestimmung des Phasenrauschens

<BODY> <H1>www.duv24.net : Köther, D. + Poppelreuter, W. + Berben, J.: Bestimmung des Phasenrauschens</H1> <P> <BR> [<A href="/">www.duv24.net</A>] [<A href="../index.html">back</A>] </P> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=TOP CLASS=detailBereichRedaktion>Bereich > Redaktion > <B><FONT color="#CC3300">Fachbeiträge</FONT></B></TD> <TD ALIGN=right VALIGN=bottom CLASS=detailDatum>06.03.2001</TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailFirma ID=topSpace>IMST GmbH:</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailTitel>Köther, D. + Poppelreuter, W. + Berben, J.: Bestimmung des Phasenrauschens</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailSubtitel>Methoden zur Messung des Phasenrauschens von VCOs</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailContent>Erschienen in TEST-KOMPENDIUM 2001, S. 120-122<BR>(pdf-Version in toolbox unter "details")<BR><BR>Vorwort<BR><BR>Das Phasenrauschen von VCOs bestimmt zu einem wesentlichen Teil die Übertragungseigenschaften von Kommunikationsanwendungen. Daher ist die Bestimmung dieser Größe ein wichtiger Aspekt schon bei der Entwicklung und auch später bei der Charakterisierung der gesamten Schaltung.<BR>Es gibt etliche Konzepte zur Messung des Phasenrauschens, die aber alle Vor- und Nachteile besitzen. Daher muss entsprechend der jeweiligen Aufgabenstellung das optimale Verfahren ausgewählt werden. In dem Beitrag werden zu diesem Zweck die Methoden verglichen, Messaufbauten gezeigt, sowie beispielhafte Ergebnisse diskutiert.<BR><BR>Einleitung<BR><BR>In fast allen modernen Kommunikationssystemen werden spannungsgesteuerte Oszillatoren (voltage controlled oscillators: VCO) sowohl im Sender als auch im Empfänger eingesetzt. Um eine hohe Ausnutzung der Frequenzbandbreite bzw. eine gute Empfindlichkeit zu erzielen, müssen die Phasenrauscheigenschaften der eingesetzten Oszillatoren dem Einsatzgebiet angemessen sein. Wegen der unterschiedlichen Anwendungen sind auch die Anforderungen sehr verschieden, was Frequenzbereich und Güte angeht. Daher muss bei der Charakterisierung von VCOs immer die Applikation bekannt sein, um das jeweils günstigste Verfahren auswählen zu können. Die verschiedenen Methoden werden in diesem Beitrag angeführt und die Unterschiede kurz erläutert.<BR>Phasenrauschmessplätze sind von verschiedenen Herstellern als Komplettsysteme kommerziell erhältlich. Da diese aber universell einsetzbar sein sollen, ist die Performance für viele Anwendungen, wie z.B. im Mobilfunk, nicht ausreichend. Entweder müssen spezielle Erweiterungen zugekauft werden oder eigene Modifikationen sind notwendig. Diese sind meist flexibler und können mit geringem Aufwand an neue Anforderungen angepasst werden. Dazu müssen aber die verschiedenen Methoden mit ihren Vor- und Nachteilen bekannt sein. Die wesentlichen Verfahren sind:<BR><BR>- Referenzoszillator<BR>- Heruntermischen mit um 90° verzögertem Signal<BR>- Messung dreier in etwa gleichwertiger Oszillatoren<BR><BR>Hauptteil<BR><BR>Referenzoszillator<BR>Die Benutzung eines Referenzoszillators ist die am meisten verbreiteteste Methode, die in fast allen Grundsystemen Anwendungen findet. Hierbei müssen die Frequenz des zu messenden Oszillators und die des Referenzoszillators übereinstimmen. Dazu muss gegebenenfalls ein PLL (Phase Lock Loop) eingesetzt werden, falls die Drift des Testobjekts zu stark ist. Die beiden Signale werden auf einen Mischer gegeben, sodass die IF genau bei 0 Hz liegt. Neben diesem Träger befindet sich das Phasenrauschspektrum als Summe der Anteile von Testobjekt und Referenzoszillator. Hier wird nun deutlich, dass dieses Verfahren nur eine Abschätzung der Phasenrauscheigenschaften nach oben erlaubt. Aus den Messdaten folgt, dass sowohl Testobjekt als auch Referenzoszillator besser sind als das gemessenen Phasenrauschspektrum. Welcher von beiden der Schlechtere ist, lässt sich auf Grund dieser Messung nicht entscheiden. Wenn hochwertige VCOs charakterisiert werden sollen, so muss ein Referenzoszillator benutzt werden, der für alle Ablagefrequenzen ein besseres Phasenrauschen besitzt als die Spezifikation für die Anwendung fordert bzw. für den Testoszillator angegeben ist. Sonst werden nur die Eigenschaften dieses Referenzoszillators und nicht des eigentlichen Testobjekts gemessen. Wenn in nur wenigen, festen Frequenzbändern gemessen wird, so ist eine solche Investition (Anschaffung extrem guter Referenzoszillatoren, meist Synthesizer) vertretbar. Anderenfalls sind die Kosten zu hoch. Eine alternative Lösung dieses Problems ist dann notwendig.<BR><BR>Heruntermischen mit um 90° verzögertem Signal<BR>Bei diesem Verfahren wird kein hochwertiger Referenzoszillator benötigt. Hier wird davon ausgegangen, dass das Phasenrauschen zu unterschiedlichen Zeitpunkten nicht miteinander korreliert ist. Dieses ist üblicherweise zutreffend, da thermisches Rauschen die Ursache ist. Somit entspricht diese Konfiguration einem System mit zwei unabhängigen Oszillatoren exakt gleicher Güte. Es wird ebenfalls auf DC heruntergemischt und das Spektrum ausgewertet.<BR>Als wichtiger Parameter, der die Empfindlichkeit dieser Messanordnung festlegt, ist hier die Verzögerungszeit von Bedeutung. Die Empfindlichkeit ist umso höher, je länger die Verzögerungszeit ist. Eine notwendige Bedingung ist, wie oben bereits angeführt, eine Phasenunterschied von (2n-1)*90°. Es sind also unendlich viele verschiedene Leitungslängen für diese Anwendung möglich. Dabei muss aber noch eine weitere Bedingung beachtet werden, die dem entgegensteht. Die Wellenlänge der maximalen Ablagefrequenz muss größer sein als die doppelte Leitungslänge. Dieses ist schon das absolute Maximum. Wenn nur linear approximiert wird, so kann nur bis zu etwa 1/60 Wellenlänge gemessen werden. Somit ergibt sich für jeden Ablagefrequenzbereich eine optimale Verzögerungsleitung. Für einen solchen Aufbau wird die Empfindlichkeit durch die Messgrenze des verwendeten frequenzselektiven Leistungsmessgeräts bestimmt.<BR><BR>Messung dreier etwa gleichwertiger Oszillatoren<BR>Diese Methode entspricht im Aufbau dem Messverfahren mit einem Referenzoszillator. Es werden alle Permutationen von zwei der drei Oszillatoren in Hinblick auf das Phasenrauschen gemessen. Durch eine geeignete Auswertung können die Eigenschaften aller drei verwendeten Oszillatoren bestimmt werden, sofern die Eigenschaften nicht zu sehr unterschiedlich sind (typisch sind Phasenrauschunterschied bis zu 10 dB zulässig). Im Gegensatz zur Referenzoszillatormethode kann man mit dieser Methode auch Objekte charakterisieren, die besser sind als die (beiden) zusätzlichen Oszillatoren. Die Schwierigkeit besteht aber manchmal darin, dass keine drei gleichwertigen Oszillatoren für die gleiche Frequenz vorhanden sind. Dann können auch andere Oszillatoren benutzt werden. Durch die Messungen werden ja auch deren Eigenschaften erfasst, sodass die Qualität der Messergebnisse gut abgeschätzt werden kann.<BR><BR>Weitere Hinweise<BR>Um die im Vorigen angeführten Messverfahren optimal anwenden zu können sind aber auch noch weitere Rahmenbedingungen zu beachten. Für Ablagefrequenzen oberhalb 100 kHz wird als frequenzselektives Leistungsmessgerät üblicherweise ein Spektrumanalysator eingesetzt. Damit dessen Eigenrauschen nicht die Messung begrenzt, müssen die Filterbandbreiten heruntergesetzt werden. Damit steigt gleichzeitig aber die Messdauer, was unweigerlich zu Problemen führt, wenn die Frequenzstabilität der verwendeten Oszillatoren nicht ausreichend ist. Ein PLL kann in diesem Fall Abhilfe schaffen.<BR>Für Ablagefrequenzen unter 100 kHz wird mittels FFT-Analysotor gemessen. Die Messung erfolgt also im Zeitbereich mit einer anschließenden Fourier-Transformation in den Spektralbereich. Da aber die niederfrequenten Anteile sehr groß sind (ideal ist ein Anstieg von 30 dB/Dekade) ist die Auflösung der A/D-Wandler für die oberen Frequenzen nicht ausreichend. Somit ist der Einsatz von geschalteten Filterbänken notwendig, um die erforderliche Dynamik über den gesamten Frequenzbereich zu gewährleisten. Einfügungsverluste dieser Filter müssen bei der Kalibrierung berücksichtigt werden.<BR>Bei der Methode mit nur einem Oszillator und 90° Phasenverschiebung ist die Einstellung von genau 90° Verzögerung für höhere Frequenzen meist nur mit einem einstellbaren Phasenschieber möglich. Insgesamt kann die Einfügedämpfung in den beiden Pfaden recht unterschiedlich sein. Gegebenenfalls müssen die Amplitudenunterschiede ausgeglichen werden. Ohnehin wird die Messgenauigkeit durch die Signalstärke begrenzt. Ist das Signal zu schwach, so ist der Abstand zum Rauschen zu gering, und ein zusätzlicher Verstärker ist notwendig. Dieser besitzt allerdings ebenfalls einen Beitrag zum Phasenrauschen, das sich dem des eigentlichen Messobjekts additiv überlagert. Meist ist dieses kein Problem. Andererseits kann das Signal des VCOs auch so stark sein, dass der Empfänger oder ein verwendeter Verstärker übersteuert wird. Die Verstärker in dem Phasenrauschmesssystem werden automatisch umgeschaltet, damit keine Übersteuerung der A/D-Wandler auftritt. Dieses erfolgt auch, wenn der DC-Anteil zu hoch wird. Da z.B. bis hinunter zu 1 Hz Ablagefrequenz gemessen wird, sind nämlich keine Blockkondensatoren möglich.<BR>Als Verzögerungsleitungen mit sehr starker Phasenänderung über der Frequenz können auch Resonatoren benutzt werden. Die Güte der Resonatoren bestimmt dann die maximale Ablagefrequenz, sodass auch hier für die unterschiedlichen Ablagefrequenzen verschiedene Resonatoren geschaltet werden müssen.<BR>Die Basis-Phasenrauschmesssysteme sind leider nur für recht niedrige Frequenzen ausgelegt. Häufig muss das Signal mit einem LO heruntergemischt werden. Dabei ist natürlich das Phasenrauschen des LO ein weiterer Störfaktor, der die Messgenauigkeit begrenzt. Es muss also ein hochwertiger LO benutzt werden. Diese Eigenschaften sollten entweder aus den Herstellerangaben oder aus Messungen bekannt sein.<BR><BR>Anwendungsbeispiele<BR>Das erste Beispiel zeigt einen VCO für den GSM1800-Bereich (Frequenz der VCOs bei 3,6 GHz!). Das Phasenrauschen des ersten verwendeten LOs (Wiltron) verdeckt teilweise die Eigenschaften des zu untersuchenden Testobjekts. Erst mit einem wesentlich besseren LO (SME03) lassen sich die wirklichen Charakteristika ermitteln. Als Vergleich sind auch die Phasenrauscheigenschaften bei verwendeten LO-Synthesizer bei 1 GHz dargestellt. Dadurch wird deutlich, dass auch für das Testobjekt der PLL des Wiltron-LOs zu sehen ist. Außerdem erkennt man die erforderlichen Messgenauigkeiten, wie z.B. -150 dBc/Hz bei 3 MHz Ablage.<BR>Im zweiten Beispiel wurde ein Oszillator bei 10 GHz charakterisiert. Hierbei wurde als Resonator ein Saphir in einem supraleitenden Gehäuse benutzt. Die Güte unter Last beträgt etwa 10-6. Da für diesen Frequenzbereich weder ein angemessen hochwertiger Referenzoszillator noch zwei weitere ähnliche Oszillatoren (Hochtemperatur-Supraleitung bei 67 K!) zur Verfügung standen und auch eine konventionelle Verzögerungsleitung zu ungenau ist, wurde hier der Resonator als Phasendiskriminator benutzt.<BR><BR>Zusammenfassung<BR><BR>Es wurde in diesem Beitrag gezeigt, welche verschiedenen Methoden zur Messung des Phasenrauschens benutzt werden können. Je nach Anwendung und technischer Ausstattung besitzen diese Verfahren Vor- und Nachteile. Anhand von Beispielen sind die Möglichkeiten und Grenzen aufgezeigt worden. Am IMST werden neben den angeführten Methoden noch weitere Verfeinerungen für spezielle Anwendungen im Kommunikationssektor implementiert werden, um die Messgenauigkeit noch weiter zu steigern, da zukünftige Systeme noch härtere Anforderungen stellen werden.<BR><BR></TD> </TR> <TR> <TD CLASS=detailQuelle> </TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=1 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top></TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=393 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=28 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=174 HEIGHT=1 ALT=""></TD> </TR> </TABLE> <P><I>Diese Seite wurde am 25.09.2004, 13:11 Uhr aktualisiert</I></P> </BODY>