Grundlegendes Verständnis der Schlüssel-Spezifikationen von Spektrumanalysatoren: DANL, Phasenrauschen, TOI und RBW

1. Die Spezifikation, die zwei Wochen Debugging gekostet hat

Ein RF-Entwicklungsteam hat zwei Wochen damit verbracht, die dritte Oberwelle eines 2,4-GHz-Senders auf einem Pegel zu messen, den ihr Linkbudget voraussagte, sollte ungefähr -55 dBm betragen. Ihr Spektrumanalysator zeigte bei der erwarteten Frequenz nur Rauschen. Das Problem lag nicht am Sender. Die angezeigte mittlere Rauschpegelspezifikation des Analysators betrug -145 dBm/Hz, was das Team als Hinweis darauf nahm, dass sie jedes Signal oberhalb von ungefähr -145 dBm sehen könnten. Sie hatten die 10 dB Dämpfung durch die Eingangsentkopplung, die 3 dB Rauschzahl des internen Vorverstärkers und die Tatsache nicht berücksichtigt, dass die Oberwelle mehr als 2 GHz über dem optimalen Frequenzbereich des Analysators lag, in dem die Empfindlichkeit um weitere 6 dB abnahm. Der tatsächliche Rauschboden bei der Messfrequenz betrug ungefähr -126 dBm, und die -55 dBm-Oberwelle lag 71 dB darüber und war einwandfrei messbar, sobald das Team das Instrument richtig konfiguriert hatte.

Die Datenblätter von Spektrumanalysatoren sind voller Spezifikationen, die auf nicht immer offensichtliche Weise miteinander interagieren. Wenn man versteht, was jeder Parameter bedeutet, wie sie zueinander in Beziehung stehen und wie die Messkonfiguration die reale Leistung beeinflusst, verwandelt sich ein verwirrender Datenblatt in einen zuverlässigen Vorhersager dafür, was das Instrument messen kann und was nicht. Dieser Artikel erklärt die vier wichtigsten Spezifikationen von Spektrumanalysatoren: DANL, Phasenrauschen, TOI und RBW.

2. Angezeigter durchschnittlicher Rauschpegel: Der Empfindlichkeitsboden

DANL (Displayed Average Noise Level) oder angezeigter durchschnittlicher Rauschpegel ist der interne Rauschboden des Spektrumanalysators, ausgedrückt als Leistung pro Einheitsbandbreite, typischerweise dBm/Hz. Er definiert das schwächste Signal, das der Analysator erfassen kann, wenn keine externe Dämpfung angewendet wird und der Vorverstärker eingeschaltet ist, wenn verfügbar. Ein typischer Mittelklasse - Spektrumanalysator könnte einen DANL von etwa -155 dBm/Hz bei 1 GHz angeben, während ein Hochleistungsgerät -165 dBm/Hz oder besser erreicht.

Der entscheidende Sachverhalt über den DANL besteht darin, dass er mit der Auflösungsbandbreite skaliert. Die Rauschleistung, die der Analysator anzeigt, ist das integrierte Rauschen über den RBW - Filter. Ein RBW von 10 Hz integriert 10 Hz Rauschbandbreite, während ein RBW von 1 kHz 1.000 Hz integriert. Die Rauschleistung erhöht sich um 10 dB für jede Verzehnfachung der RBW. Ein Analysator mit einem DANL von -155 dBm/Hz zeigt einen Rauschboden von etwa -145 dBm bei einem RBW von 10 Hz, -135 dBm bei einem RBW von 100 Hz und -125 dBm bei einem RBW von 1 kHz.

Diese Abhängigkeit vom RBW bedeutet, dass der DANL allein nicht sagt, welche Signale Sie sehen können. Sie müssen auch die RBW berücksichtigen, die Sie für die Messung verwenden werden. Eine schmale RBW senkt den Rauschboden, erhöht aber die Sweep - Zeit. Eine breite RBW beschleunigt den Sweep, erhöht aber den Rauschboden. Das Zusammenspiel zwischen Empfindlichkeit und Geschwindigkeit ist grundlegend für den Betrieb eines Spektrumanalysators und kann kein DSP - Algorithmus beseitigen.

3. Externe Faktoren, die den Rauschpegel erhöhen

Mehrere Faktoren außerhalb des internen DANL (Dämpfungs- und Rauschpegelfestlegung) des Analysators bestimmen den tatsächlichen Rauschpegel. Die Eingangsdämpfung ist die häufigste Ursache. Jede 1 dB Eingangsdämpfung erhöht den Rauschpegel um 1 dB, da der Dämpfer das Signal vor dem ersten Verstärker reduziert, während das Eigenrauschen des Verstärkers konstant bleibt. Ein Analysator mit einem DANL von -155 dBm/Hz und 20 dB Eingangsdämpfung hat einen effektiven Rauschpegel von -135 dBm/Hz. Viele Ingenieure lassen die Standarddämpfung von 10 dB oder 20 dB unverändert, ohne die Einbußen an Empfindlichkeit zu beachten.

Der Vorverstärker, wenn verfügbar, verbessert den DANL, indem er die Rauschzahl des Systems verringert. Ein Vorverstärker mit 20 dB Verstärkung und einer Rauschzahl von 5 dB kann den DANL des Systems je nach der ursprünglichen Rauschzahl des Analysators um ungefähr 10 bis 15 dB verbessern. Der Nachteil ist die reduzierte Dynamikbereich, da der Vorverstärker auch starke Signale verstärkt, die den Mischer komprimieren oder Störsignale erzeugen können. Die meisten Spektrumanalysatoren schalten den Vorverstärker automatisch ein und aus, abhängig von der Einstellung der Referenzebene. Der Ingenieur sollte jedoch verstehen, was das Gerät tut und wann die automatische Auswahl außer Kraft gesetzt werden sollte.

Die Frequenz beeinflusst auch das DANL. Jeder Spektrumanalysator hat einen Frequenzbereich, für den seine Empfindlichkeit spezifiziert ist, und in der Regel einen breiteren Bereich, in dem er mit verminderter Empfindlichkeit arbeitet. Das DANL bei 6 GHz kann um 3 bis 6 dB schlechter sein als bei 1 GHz. Oberhalb von ungefähr 7 GHz bis 10 GHz schalten viele Analysatoren auf die Harmonischenmischung um, was die Empfindlichkeit um weitere 10 bis 15 dB verschlechtert. Wenn Ihre Messfrequenzen verschiedene Bänder umfassen, überprüfen Sie die DANL-Spezifikation für jedes Band, nicht nur die Gesamtzahl.

4. Phasenrauschen: Warum ein sauberer Lokaloszillator wichtig ist

Phasenrauschen ist die kurzfristige Frequenzinstabilität des internen Lokaloszillators des Spektrumanalysators. Es erscheint als Rauschseitenbänder um jedes angezeigte Signal und begrenzt die Fähigkeit des Analysators, ein schwaches Signal in der Nähe eines starken Signals zu messen. Die Spezifikation wird in der Regel als dBc/Hz bei einem bestimmten Offset vom Träger angegeben, wobei übliche Offsets 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz und 1 MHz sind.

Die folgende Tabelle zeigt typische Phasenrauschspezifikationen für verschiedene Instrumentenklassen bei einem 1-GHz-Träger mit einem 10-kHz-Offset.

Phasenrauschen spielt eine Rolle, wenn Sie ein kleines Signal in der Nähe eines großen Signals messen müssen. Bei einem Empfängertest kann das eigene Phasenrauschen des Analysators die Rauschzahl des Empfängers verdecken, wenn die Phasenrauschseitenbänder des lokalen Oszillators (LO) aus dem Eingangstestsignal höher sind als der tatsächliche Rauschboden des Empfängers. Bei einer Messung der Leistung benachbarter Kanäle für eine Mobilfunkbasisstation muss das Phasenrauschen des Analysators um mindestens 10 dB besser sein als die gemessene ACPR-Spezifikation. Andernfalls trägt der Analysator mehr Rauschen bei als das zu testende Gerät, und die Messung zeigt die Einschränkungen des Analysators anstelle der Leistung des Senders an.

5. Dritter Ordnung Intercept-Punkt: Die Verzerrungsgrenze

TOI, oder dritter Ordnung Intercept-Punkt, quantifiziert die Linearität des Analysators. Wenn zwei eng benachbarte Töne in ein nichtlineares Gerät eintreten, erzeugen sie Produkte der dritten Ordnung der Intermodulation bei Frequenzen von 2f1 minus f2 und 2f2 minus f1. In einem Spektrumanalysator stammen diese IM3-Produkte vom Mischer und vom Eingangsverstärker. TOI ist die extrapolierte Leistungsstufe, bei der die Produkte der dritten Ordnung den Grundtönen entsprechen würden, obwohl reale Geräte weit vor Erreichen dieses Punktes komprimieren.

Bei einem typischen Spektrumanalysator wird der TOI für den Eingangsmischer auf ungefähr +10 dBm bis +20 dBm angegeben. Dies bedeutet, dass bei zwei Tönen von jeweils -20 dBm die IM3-Produkte bei einem Gerät mit einem TOI von +10 dBm ungefähr 60 dB unterhalb der Töne erscheinen. Erhöhen Sie die Töne auf -10 dBm, und die IM3-Produkte steigen nur auf 40 dB unterhalb an.

Die praktische Auswirkung des TOI ist eine obere Grenze des dynamischen Bereichs. DANL definiert die untere Grenze dessen, was der Analysator messen kann, und TOI definiert die obere Grenze, bevor der Analysator eigene Signale erzeugt, die mit realen Signalen verwechselt werden können. Der dynamische Bereich zwischen DANL und TOI, wenn beide auf dieselbe Bandbreite normiert werden, beträgt bei einem hochwertigen Analysator typischerweise ungefähr 80 bis 95 dB. Wenn Sie unerwartete Signale auf dem Display sehen, die sich nicht ändern, wenn Sie den Eingang trennen, sehen Sie wahrscheinlich intern erzeugte Intermodulationsprodukte von Signalen, die den Mischer übersteuern.

6. Auflösungsbandbreite: Der Selektivitätsfilter

Die RBW ist die Bandbreite des letzten Zwischenfrequenzfilters in einem Sweep-Analysator oder die äquivalente Rauschbandbreite des FFT-Bins in einem Echtzeit-Analysator. Sie bestimmt die Fähigkeit des Analysators, zwei eng benachbarte Signale voneinander zu trennen. Zwei CW-Töne, die um 10 kHz getrennt sind, werden nur als zwei separate Peaks aufgelöst, wenn die RBW wesentlich schmaler als 10 kHz ist, typischerweise 3 kHz oder weniger für eine klare Trennung.

Die Selektivität oder der Formfaktor des RBW-Filters bestimmt, wie stark er abfällt. Er wird als Verhältnis der 60-dB-Bandbreite des Filters zu seiner 3-dB-Bandbreite angegeben. Ein Formfaktor von 5:1 bedeutet, dass der Filter bei 60 dB Dämpfung fünfmal breiter ist als bei 3 dB Dämpfung. Digitale Zwischenfrequenzfilter erreichen Formfaktoren von ungefähr 4:1 bis 5:1, während Analogfilter in älteren Geräten näher an 15:1 lagen. Ein besserer Formfaktor bedeutet, dass der Analysator Signale trennen kann, die sowohl in der Frequenz als auch in der Amplitude näher beieinander liegen.

Die Beziehung zwischen RBW, Sweepzeit und Span wird durch die Sweep-Gleichung bestimmt. Bei einer gegebenen Span und RBW ist die minimale Sweepzeit proportional zur Span geteilt durch das Quadrat der RBW. Wenn die RBW um den Faktor 10 verengt wird, erhöht sich die erforderliche Sweepzeit um den Faktor 100. Dies ist der Grund, warum Echtzeit-Analysatoren mit breiter Momentanbandbreite und FFT-Verarbeitung für Breitbandmessungen dramatisch schneller sein können: Sie verarbeiten die gesamte Span parallel anstatt sie sequentiell abzutasten.

7. Wie die Spezifikationen in der Praxis zusammenwirken

Keine einzelne Spezifikation bestimmt die Eignung eines Analysators für eine Messung. Die hier beschriebenen vier Parameter wirken zusammen, und der begrenzende Faktor hängt von der spezifischen Messung ab. Die folgende Tabelle veranschaulicht diese Wechselwirkung für drei häufige Messszenarien.

Vor einiger Zeit evaluierte ein RF-Testingenieur bei einem Vertragshersteller in Vietnam Spektrumanalysatoren für die Prüfung von 5,8-GHz-ISM-Band-Modulen auf einer Produktionslinie. Ihre Produktspezifikation erforderte die Messung von Störstrahlungen bei -50 dBm, während auf dem benachbarten Kanal ein +20 dBm-Träger vorhanden war. Dongguan Chenyi Electronics führte den Ingenieur durch die Berechnung: Der Analysator benötigte ein Phasenrauschen von besser als -110 dBc/Hz bei der Kanalabstand, um die LO-Rauschseitenbänder des +20 dBm-Trägers unter der -50 dBm-Messschwelle zu halten. Mehrere Analysatoren mit ausreichendem DANL erfüllten diese Anforderung nicht, da ihr Phasenrauschen nicht ausreichend war. Das empfohlene Gerät erfüllte beide Spezifikationen, und die Produktionslinie erreichte eine Verbesserung der Erstpassrate von ungefähr 4%, da die Messungen nun eher durch das Produkt als durch die Prüfequipment begrenzt waren.

8. Kritische Analyse einer Datenblattes

Hersteller präsentieren Spezifikationen auf eine Weise, die ihren Instrumenten zugute kommt. Die DANL wird oft bei 1 GHz mit 0 dB Dämpfung und dem Vorverstärker eingeschaltet, den günstigsten Bedingungen, angegeben. Das Phasenrauschen kann bei einem 1 GHz - Träger, wo die Leistung optimal ist, angegeben werden, nicht bei 6 GHz oder 20 GHz, wo es schlechter wird. Die TOI wird typischerweise am Mischer - Eingang mit minimaler Dämpfung angegeben, nicht über den gesamten Signalpfad einschließlich des Vorverstärkers.

Beim Vergleich von Instrumenten sollten Sie die Spezifikationen auf eine gemeinsame Bedingungssatz normieren. Was ist die DANL bei Ihrer Messfrequenz mit 10 dB Eingangsdämpfung? Was ist das Phasenrauschen bei einem Offset von 100 kHz anstelle von 10 kHz, wenn der Abstand zwischen benachbarten Kanälen 200 kHz beträgt? Was ist die TOI mit aktiviertem Vorverstärker, wenn Ihre Messungen den Vorverstärker für die erforderliche Empfindlichkeit benötigen? Die Antworten auf diese Fragen, nicht die auffälligen Zahlen auf der ersten Seite des Datenblattes, bestimmen, ob das Instrument für Ihre Anwendung geeignet ist.

Bei Dongguan Chenyi Electronics unterhalten wir eine Vergleichsdatenbank, die die Spezifikationen aller von uns vertriebenen Geräte normalisiert, damit Kunden die Leistung unter ihren spezifischen Messbedingungen direkt vergleichen können. Diese Vorgehensweise hat Käufern davon bewahrt, Geräte zu kaufen, die auf dem Datenblatt gut aussehen, aber in der Praxis die erforderlichen Messungen nicht durchführen können.

Ein weiteres Beispiel stammt von einer Ingenieurschule, die Spektrumanalysatoren für ein RF-Design-Labor im höheren Semesterkurs gekauft hat. Die Geräte wurden anhand des Frequenzbereichs und des DANL ausgewählt, aber das Phasenrauschen bei 10 kHz Offset lag bei ungefähr -88 dBc/Hz. Als die Studenten versuchten, das Phasenrauschen ihrer PLL-Designs zu messen, die Zielspezifikationen von ungefähr -95 dBc/Hz bei 10 kHz Offset hatten, dominierte das eigene Phasenrauschen des Analysators die Messung. Das Labor hat zwei der Geräte durch Geräte mit einem Phasenrauschen von ungefähr -105 dBc/Hz ersetzt, die über Chenyi Electronics bezogen wurden, und die verbleibenden älteren Geräte wurden in Laboren für Harmonischen- und Leistungsmessungen umgeschichtet, in denen Phasenrauschen keine entscheidende Rolle spielte.

9. Häufig gestellte Fragen

9.1 Wie weiß ich, ob der Rauschpegel meines Analysators meine Messung einschränkt?

Trennen Sie das Eingangssignal und beobachten Sie den angezeigten Rauschpegel mit Ihren geplanten Messparametern. Wenn der Rauschpegel innerhalb von 10 dB des Signalpegels liegt, den Sie messen müssen, trägt der Analysator erhebliche Unsicherheiten bei. Für eine zuverlässige Messung sollte das Signal mindestens 10 dB über dem Rauschpegel liegen, idealerweise 20 dB oder mehr. Wenn der Abstand zu gering ist, verringern Sie die RBW um einen Faktor von 10, um den Rauschpegel um ca. 10 dB zu verbessern. Verwenden Sie, wenn verfügbar, das Vorverstärker und minimieren Sie die Eingangsdämpfung.

9.2 Welche Spezifikation ist für die EMI-Vorkonformitätsprüfung am wichtigsten?

Der DANL ist die kritische Spezifikation für die EMI-Prüfung, da Sie nach niederfrequenten Emissionen über weite Frequenzbereiche suchen. Ein DANL von ca. -155 dBm/Hz oder besser bei 1 GHz in Kombination mit der Fähigkeit, bei schmalen RBWs bis hinunter zu 10 Hz oder weniger zu arbeiten, bietet die Empfindlichkeit, die erforderlich ist, um Emissionen bei typischen behördlichen Grenzwerten zu erfassen. Die Phasenrauschen ist für die genaue Amplitudenmessung von schmalbandigen Emissionen wichtig, und die Echtzeitbandbreite bestimmt Ihre Fähigkeit, intermittierende Emissionen zu erfassen.

9.3 Kann ich das Phasenrauschen meines Analysators durch externe Filterung verbessern?

Sie können das eigene LO-Phasenrauschen des Analysators nicht verbessern, aber Sie können das Eingangssignal filtern, um die Amplitude des starken Trägers zu reduzieren, der die Phasenrauschseitenbänder erzeugt, gegen die Sie kämpfen. Ein Kerbfilter bei der Trägerfrequenz, das vor dem Analysatoreingang platziert wird, reduziert die Trägerleistung um 20 bis 40 dB und reduziert entsprechend die Phasenrauschseitenbänder um den gleichen Betrag. Diese Technik ist Standard für Zwei-Ton- und benachbarte Kanalmessungen, bei denen ein Signal viel stärker als das andere ist.

9.4 Warum haben Echtzeitanalysatoren ein höheres DANL als Sweep-Analysatoren?

Der Breitband-ADC in einem Echtzeitanalysator digitalisiert die gesamte Echtzeitbandbreite gleichzeitig, sodass das Quantisierungsrauschen über diese volle Bandbreite verteilt ist. Ein Sweep-Analysator digitalisiert nur die schmale RBW-Bandbreite nach der Filterung, sodass das Rauschen pro Einheitsbandbreite geringer ist. Dies ist der grundlegende Kompromiss zwischen echtzeitfähiger lückenloser Verarbeitung und Sweep-Schmalbandempfindlichkeit. Für die meisten Anwendungen ist das DANL des RTSA immer noch ausreichend, und die Fähigkeit, transiente Signale zu erkennen, kompensiert den Unterschied im Rauschboden.