Wechselwirkung von Messobjekt und Spektrumanalysator

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Das bandbreitenabhängige Eigenrauschen

Auch Intermodulationsprodukte zweiter Ordnung und Phasenrauschen beeinflussen den Dynamikbereich. Intermodulationsprodukte zweiter Ordnung werden in diesem Artikel nicht weiter betrachtet, da sie bei Frequenzen weitab vom Signal anfallen (f₁+ f₂ und f₂ - f₁) und daher für Verzerrungen im Übertragungsband und ACLR nicht relevant sind. Die lineare Addition sämtlicher Faktoren, die Verzerrungen verursachen, ergibt den tatsächlichen Dynamikbereich des Spektrumanalysators. Das Minimum dieser Kurve wird als optimaler Mischerpegel (Optimum Mixer Level) bezeichnet. An dieser Stelle erreicht der Spektrumanalysator den maximalen Dynamikbereich.

Mit Hilfe des Vorverstärkers und der Eichleitung lässt sich der Mischerpegel für ein vorgegebenes Eingangssignal auf diesen optimalen Wert einstellen. Bei realen Messungen muss das erhöhte Eigenrauschen aufgrund der Bandbreite des Eingangssignals berücksichtigt werden. Filtereinstellungen spielen für den ersten Mischer des Spektrumanalysators keine Rolle, da dieser immer die gesamte Signalbandbreite sieht und somit für den Mischer stets die gesamte Bandbreite relevant ist. Das bandbreitenabhängige Eigenrauschen bezogen auf den Mischerpegel ergibt sich wie folgt [1]:

Dabei ist B die Bandbreite des Signals in dB. Somit verkleinert sich der Dynamikbereich, und der optimale Mischerpegel verschiebt sich nach rechts. Das Bild 3 zeigt ein Beispiel mit B = 100 kHz (50 dB). Anhand einer Zweitonmessung können die Wechselwirkungen zwischen den Intermodulationsprodukten des Messobjekts und des Spektrumanalysators aufgezeigt werden. Im Beispiel werden die CW-Signale zweier Generatoren zusammengeführt und in das Messobjekt eingespeist. Die resultierenden Intermodulationsprodukte dritter Ordnung werden mit dem Spektrumanalysator gemessen. Zwei Signale mit den Frequenzen f₁ und f₂ im Abstand Δf mit gleicher Amplitude und unkorrelierter Phase werden dem Messobjekt zugeführt. Sie erzeugen Intermodulationsprodukte dritter Ordnung bei f₁ - Δf und f₂ + Δf. Mit PΔ wird die Höhe der Intermodulationsverzerrung angegeben. Das Bild 4 zeigt den Messaufbau in einem Blockdiagramm.

Im ersten Schritt werden ausschließlich die Intermodulationsprodukte des Spektrumanalysators betrachtet (Pfad 1 in Bild 3). Es befindet sich kein Messobjekt im Signalpfad. Alle vom Spektrumanalysator angezeigten Intermodulationsprodukte werden vom ersten Mischer des Analysators erzeugt. Um festzustellen, ob die angezeigten Intermodulationsprodukte vom Analysator stammen, kann die Eingangsdämpfung variiert werden. Dadurch ändert sich der Eingangspegel am ersten Mischer. Werden die Intermodulationsprodukte vom ersten Mischer des Spektrumanalysators erzeugt, so führt eine Erhöhung der Eingangsdämpfung zu einer Verringerung der Amplituden der Intermodulationsprodukte um den Faktor 2, da der Mischer dann in einem weitgehend linearen Bereich arbeitet.

Erhöhte Eingangsdämpfung und erhöhte Amplituden

Im nächsten Schritt wird ein Messobjekt (Breitband-Leistungsverstärker) in den Signalpfad geschaltet (Pfad 2 in Bild 3). Nun erzeugen sowohl das Messobjekt als auch der Spektrumanalysator Intermodulationsprodukte, die im Spektrumanalysator in eine Wechselwirkung treten. Der Eingangspegel am Spektrumanalysator bleibt gegenüber der vorherigen Messung unverändert. Anders als bei der vorherigen Messung führt bei diesem Messaufbau eine Erhöhung der Eingangsdämpfung auch zu einer Erhöhung der Amplituden der Intermodulationsprodukte.

Der Grund für dieses Verhalten liegt darin, dass die Phasen von Messobjekt und Spektrumanalysator einander entgegengesetzt sind und sich somit gegenseitig auslöschen. Wird nun die Eingangsdämpfung erhöht, so verringert sich der Beitrag des Spektrumanalysators zu den Intermodulationsprodukten und damit auch der Auslöschungseffekt. Wie stark sich dieser Effekt auswirkt, hängt von der Kombination aus Messobjekt und Spektrumanalysator sowie den spezifischen Phasenbeziehungen ihrer Intermodulationsprodukte zueinander ab. Verwendet man ein anderes Messobjekt oder einen anderen Spektrumanalysator, so kann sich durchaus wieder ein konstruktives Intermodulationsverhalten ergeben.

Was bei steigender Eingangsdämpfung passiert

Steigt die Eingangsdämpfung stetig an, verringert sich in beiden Fällen (mit und ohne Messobjekt) die vom Spektrumanalysator generierten Intermodulationsprodukte soweit, dass nur noch die vom Messobjekt erzeugten Intermodulationsprodukte übrigbleiben. Um korrekte Messergebnisse zu erhalten, ist ein Beitrag des Spektrumanalysators zu den Intermodulationsprodukten unbedingt zu vermeiden.

Der Phasenbezug zwischen den Intermodulationsprodukten des Messobjekts und des Spektrumanalysators ändert sich mit der Frequenz; somit ist auch der Auslöschungseffekt frequenzabhängig. Für den gleichen Messaufbau kann der Auslöschungseffekt daher unterschiedlich stark sein, je nach Frequenz. Die Auslöschung von Intermodulationsprodukten führt zu Messergebnissen, die besser sind als die tatsächlichen Intermodulationsverzerrungen des Messobjekts. Dagegen erhält man bei Intermodulationsprodukten, die konstruktiv miteinander agieren, zu schlechte Ergebnisse. Das gilt für die Charakterisierung des Intermodulationsverhaltens eines Messobjekts sowie für Messungen der ACLR und der Modulationsqualität. Der nächste Abschnitt behandelt beispielhaft den Einfluss von Intermodulationsverzerrungen auf eine EVM-Messung.

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