Wechselwirkung von Messobjekt und Spektrumanalysator

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Wie sich ein Spektrumanalysator auf das System auswirkt

Bei der Messung der Produkte einer Intermodulation mit einem Spektrumanalysator können Effekte ähnlich wie bei kaskadierten aktiven Komponenten auftreten. Der Grund liegt darin, dass Spektrumanalysatoren nichtlineare Elemente wie Eingangsmischer oder Vorverstärker enthalten und daher eigene Intermodulationsprodukte erzeugen. Solche Intermodulationsprodukte können ähnlich große Amplituden aufweisen wie die vom Messobjekt erzeugten Intermodulationsprodukte.

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Abhängig vom Phasenbezug der Intermodulationsprodukte von Messobjekt und Spektrumanalysator zueinander kann die gesamte gemessene Intermodulationsverzerrung größer (gleichphasige Intermodulationsprodukte) oder kleiner (gegenphasige Intermodulationsprodukte) sein als die tatsächliche IMD des Messobjekts. Beides führt zu einer Verfälschung des Messergebnisses und sollte vermieden werden.

Bei Spektrumanalysatoren ist dem HF-Eingang eine mechanische Eichleitung nachgeschaltet. Diese dient zur Pegelanpassung am Eingang nichtlinearer Komponenten des Analysators wie dem ersten Mischer (Bild 1).

Durch entsprechende Einstellung des Eingangspegels am ersten Mischer lassen sich Intermodulationsverzerrungen vermeiden. Auch wenn ein Vorverstärker verwendet wird, erzeugt der Eingangsmischer normalerweise den Hauptanteil der Intermodulationsverzerrung. Jedoch können alle Halbleiterkomponenten, die der Eichleitung nachgeschaltet sind, zur Intermodulationsverzerrung beitragen. Abhängig vom Pegel des Messsignals schränken verschiedene Faktoren den Dynamikbereich eines Spektrumanalysators ein:

Eigenrauschen P_N des Spektrumanalysators bei niedrigeren Pegeln

Kompression des Eingangsmischers bei hohen Pegeln

Phasenrauschen bei Signalen mit kleinem Pegel nahe an einem Träger mit hohem Pegel

Was beim Messen von Mehrton-Signalen zu beachten ist

Werden Mehrton-Signale mit einem Spektrumanalysator gemessen, können außerdem Intermodulationsprodukte den Dynamikbereich einschränken. Besonders zu beachten sind hierbei die Intermodulationsprodukte dritter Ordnung, da sie die dominierende Komponente für die IM-Verzerrung darstellen.

Ergänzendes zum Thema

Rohde & Schwarz auf dem Anwenderforum Oszilloskope

Thema: Digitales Schaltungsdesign mit einem Oszilloskop

Embedded Designs finden sich in einer Vielzahl von Geräten verschiedenster Anwendungsbereiche. Beispiele reichen von Mobiltelefonen und MP3-Spielern bis hin zur Airbag-Regelung in Kraftfahrzeugen, Geräten der Medizintechnik oder industrielle Steueranlagen.

Entwickler von Embedded Designs stehen vor der Herausforderung, unterschiedliche elektronische Funktionsblöcke und deren Interaktion zu analysieren. Neben der Prozessoreinheit bestehen Embedded Designs aus unterschiedlichen analogen und digitalen Komponenten. Die spezielle Anforderung bei der Entwicklung und Debugging ist die zeitkorrelierte Untersuchung von sowohl analoge Signalen von Komponenten, wie z.B. A/D-Wandler oder Spannungsversorgung, als auch digitale Signale von seriellen oder parallelen Datenbusse.

Moderne Mixed-Signal-Oszilloskope stellen neben den analogen Kanälen zusätzlich auch digitale Kanäle zur Verfügung, um digitaler Zustände und Protokolldetails zu analysieren. Das versetzt den Benutzer in die Lage, mit nur einem universellen Messgerät die Schaltungen im Detail zu analysieren.

In dieser Präsentation wird anhand eines Anwendungsbeispiels die Funktionsweise und der Funktionsumfang des Mixed-Signal-Oszilloskops R&S RTE von Rohde & Schwarz dargestellt. Mehr Informationen zum Anwenderforum Oszilloskope gibt es hier.

Datenblätter für Spektrumanalysatoren spezifizieren die Zweiton-Intermodulationsverzerrung als sogenannten Third-Order Intercept (TOI; deutsch: Interceptpunkt dritter Ordnung, IP3), gemessen mit einem Zweiträger-CW-Signal. TOI ist der theoretische Pegel, bei dem Intermodulationsprodukte dritter Ordnung mit derselben Amplitude wie die anliegenden CW-Signale erzeugt würden. Er kann wie folgt berechnet werden [1]:

Dabei ist TOI der Interceptpunkt dritter Ordnung in dBm, P_in der Pegel jedes der beiden Eingangssignale in dBm und PΔ die Amplitude der Intermodulationsprodukte bezogen auf Pin (Bild 2). Da aktive Komponenten in Kompression gehen, sobald sie im nichtlinearen Bereich arbeiten, kann der (theoretische) TOI-Pegel bei einer realen Messung nicht erreicht werden (am Ausgang eines Verstärkers). Er stellt jedoch eine aussagefähige Kenngröße (Figure of Merit) für die Berechnung des intermodulationsfreien Dynamikbereichs PΔdar:

PΔ=2(TOI - P_in) (Formel 2)

Die Amplitude P_IM3 der Intermodulationsprodukte dritter Ordnung ist folglich:

Ein weiterer Faktor, der den Dynamikbereich einschränkt, insbesondere bei niedrigen Eingangspegeln, ist das Eigenrauschen des Spektrumanalysators. Datenblätter spezifizieren diese Größe als Eigenrauschanzeige (DANL). Kombiniert man alle Störgrößen, so ergibt sich das sogenannte Dynamic Range Chart (Dynamikbereichsdiagramm). Bei niedrigen Eingangspegeln schränkt das Eigenrauschen den Dynamikbereich ein. Bei höheren Pegeln wird diese Einschränkung wesentlich durch Intermodulationsprodukte dritter Ordnung bestimmt.

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Intermodulationen in der Kommunikationsmesstechnik

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