Empfangsqualität eines HF-Empfängers WiMAX-Modul erreicht –41 dBm Phasenrauschen

Für Standards wie WiMAX werden bei mobilen Empfängern integrierte Rauschleistungen von besser als –40 dBm gefordert. Für das WiMAX-HF-Modul MB86K23 hat Fujitsu eine PLL entwickelt, die im Integrationsbereich von 1 kHz bis 10 MHz ein Phasenrauschen von –41 dBm erreicht. Anhand der Struktur eines direkt umsetzenden Empfänger zeigt dieser Beitrag, welche Parameter die Empfangsqualität beeinflussen aber nicht durch die Rauschzahl des Empfängers erfasst werden.

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Die Beschreibung eines HF-Empfängers umfasst viele verschiedene Spezifikationsparameter, die einerseits die Qualität eines Blockes oder des gesamten HF-Systems verdeutlichen sollen. Um diese Fülle an Daten übersichtlicher zu machen, wird versucht die Güte der Sende-Empfangsstrecke mit möglichst wenigen Parametern zu beschreiben. Einer dieser Kennwerte ist die Rauschzahl (NF – Noise Figure).

Bei diesen vereinfachen von komplexen Zusammenhängen darf man aber nicht dem Versuch erliegen, zu sehr zu vereinfachen und die Daten und Berechnungen zu hinterfragen. Anhand der Struktur eines direkt umsetzenden Empfänger (DC Rx – Direct Conversion Receiver) soll verdeutlicht werden, wie Parameter die Empfangsqualität beeinflussen aber nicht durch die Rauschzahl des Empfängers erfasst werden.

Berechnung des Empfängerrauschen

Ein direkt umsetzender HF-Empfänger wird im wesentlichen durch folgende Komponenten aufgebaut: Antenne, HF-Filter passiv, rauscharmer Vorverstärker (LNA – Low Noise Amplifier), Mischer aktiv (I-Pfad), Phasenschieber, Mischer aktiv (Q-Pfad), NF-Filter aktiv (I-Pfad), LO-PLL (Local Oscillator Phase Lock Loop) und NF-Filter aktiv (Q-Pfad). Für den Fall das die Antenne passiv ist und somit keinen echten Gewinn bietet, berechnet sich die Rauschzahl des Empfangspfades nach der Friis-Gleichung durch – den Rauschfaktor:

Wobei F der Rauschfaktor und G der Gewinn ist. Umgerechnet in dB gilt als Rauschzahl:

NFges = 10 · log10 (Fges) (Gleichung 2)

Die Rauschzahl eines Blockes betrachtet nur das Rauschen das innerhalb dieses Blockes erzeugt wird und dem Signal auf addiert wird. Die gezeigte Berechnung erfasst nicht die Rauschquellen außerhalb des Signalpfades, die dem Signal zusätzlich hinzugefügt werden. Besonders für die Mischstufe gilt dieser Fall.

Zur Verdeutlichung sei das Beispiel eines diskreten Empfängeraufbau gewählt: selbstverständlich gibt der Hersteller eines diskreten Mischer das Rauschen seines Produktes an. Womit aber immer noch keine ausreichende Aussage bezüglich des Mischerausgangssignal gemacht werden kann.

Da diese Spezifaktionsdaten keine Aussagen über den LO (Lokaloszillator) machen können. Besonders wenn der LO als ein weiterer diskreter Baustein aufgebaut wird. Häufig werden diese LO durch eine PLL (Phase Lock Loop) samt VCO (Voltage Controled Oscillator) als Frequenz-Synthesizer gebildet. Hat der ausgewählte Synthesizer eine unzureichende Qualität, wird auch die Empfangsqualität leiden.

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