DE69006257T2 - Messkette zur Bestimmung der Charakteristik des zusätzlichen Phasenrauschens einer Komponente in der Nähe einer Trägerfrequenz. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Meßkette zur Messung der Charakteristik des additiven Phasenrauschens eines Bauelements in der Nähe einer Trägerfrequenz.
• Das additive Phasenrauschen (in Gegensatz zum Phasenrauschen der Quelle, das die Erfindung nicht betrifft) ist das Phasenrauschen oder im Englischen jitter, das von einem gegebenen Bauelement eines Schaltkreises hinzugefügt wird.
• Die Erfindung ermöglicht vorteilhafterweise die Messung des Phasenrauschens, das von einem Frequenzteiler erzeugt wird. Ein Frequenzteiler ist ein typisches Bauteil, für das das Phasenrauschen eine kritische Größe bildet. Diese Anwendung hat jedoch keinen einschränkenden Charakter, und die Erfindung kann auch die Kennwerte jedes anderen Bauteils messen, das ein Phasenrauschen additiver Natur erzeugt (Frequenzvervielfacher, Verstärker, aktives Filter usw.).
• Die bisher hierfür verwendete Meßmethode besteht darin, mit Hilfe eines gemeinsamen Generators eine vorbestimmte Frequenz zu erzeugen, die gemeinsam und in Quadratur zwei identische Kanäle mit je einem Exemplar des zu charakterisierenden Bauelements speist. Die am Ausgang dieser Bauelemente in jedem der Kanäle erhaltenen Signale werden an die Eingänge eines Mischers gegeben, der die beiden Signale kombiniert und am Ausgang ein Signal liefert, das von den Augenblickswerten der Phasenabstände zwischen den beiden Kanälen abhängt. Das Ausgangssignal des Mischers, das dann einem Detektor und einem Verstärker zugeführt wird, liefert so eine Angabe über das additive Phasenrauschen des zu charakterisierenden Bauelements, während das Quellen-Phasenrauschen des Generators auf beiden Kanälen identisch vorliegt und durch die Mischung eliminiert wird.
• Die Grenzen dieser Methode, die auf dem Prinzip der einfachen Phasendetektion beruht, sind durch die Tatsache begründet, daß man am Ausgang des Mischers nicht nur ein Signal erhält, das für das additive Phasenrauschen repräsentativ ist, das von dem zu charakterisierenden Bauelement stammt, sondern auch ein additives Rauschen, das vom Mischer (und seinen zugeordneten Detektor- und Verstärkerkreisen) und durch äußere Störungen hinzugefügt wird.
• Es ist aber sehr schwierig, das eigene additive Phasenrauschen des Mischers zu quantifizieren, das nicht konstant ist und insbesondere abhängig vom Pegel des an seine Eingänge angelegten Signals variiert.
• Was im übrigen die äußeren Störungen angeht, so sind die nach dem obigen Prinzip hergestellten Meßketten äußerst empfindlich gegen Strahlungen und Vibrationen, da der Frequenzbereich, in dem man das Phasenrauschen charakterisieren will, in einem engen Frequenzband um eine gegebene Mittenfrequenz liegt (hier Trägerfrequenz genannt), und zwar typisch in einem Bereich von 5 bis 10 kHz um diese Trägerfrequenz herum. Da diese niedrigen Frequenzen einer hohen Amplitude von industriellen Störquellen entsprechen, die aus der Umgebung einwirken, insbesondere Strahlungen und Vibrationen (die Störsignale in den Kreis durch Mikrophonwirkung einspeisen), ist es notwendig, äußerst wirksame Abschirmungen und vibrationssichere Halterungen vorzusehen und die Charakterisierung des Bauelements in einer Meßkabine mit geringem äußerem Störniveau durchzuführen. Dies vergrößert erheblich die Kosten des Geräts und begrenzt die Anwendungsmöglichkeiten.
• So wird in der Praxis für zu charakterisierende Bauteile hoher Qualität, was das Phasenrauschen angeht, das Eigenphasenrauschen des Baulements durch das vom Mischer und den äußeren Störungen hinzugefügte Phasenrauschen überdeckt. Es ist dann sehr schwierig, das gewünschte Meßsignal aus diesen vermengten Interferenzen zu extrahieren.
• Die Erfindung hat zum Ziel, die Gesamtheit der obigen Nachteile zu beheben und schlägt eine Meßkette für das additive Phasenrauschen eines Baulements vor, die einen sehr niedrigen Rausch-Grundpegel besitzt. Aufgrund ihres Aufbaus kann die Meßkette den Einfluß sowohl der äußeren Störungen als auch des additiven Phasenrauschens aus den anderen Bauelementen der Kette eliminieren und bietet so eine erheblich bessere Meßdynamik als die bekannten Meßketten.
• Die Druckschrift IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-16, No 9, September 1968, Seiten 761 bis 766 beschreibt ein Meßsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Die Meßkette zur Messung der Charakteristik des additiven Phasenrauschens eines Bauelements in der Nähe einer Trägerfrequenz gemäß der Erfindung enthält
• - einen mittleren Kanal und zwei seitenkanälen, wobei der mittlere Kanal ein Exemplar des zu charakterisierenden Bauelements enthält,
• - eine Quelle eines Signals mit der Trägerfrequenz, wobei diese Quelle eine gemeinsame Quelle ist, die in gleicher Weise den mittleren und die Seitenkanäle speist,
• - Mittel, um die Phase des Signals der Seitenkanäle bezüglich der des mittleren Kanals zu verschieben.
• Diese Meßkette ist dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschiebermittel das Signal der Seitenkanäle bezüglich des Signals des mittleren Kanals in Quadratur setzen und daß die Meßkette weiter aufweist:
• - in jedem der beiden Seitenkanäle ein Exemplar des zu charakterisierenden Bauelements,
• - zwei Phasendetektorkreise, die je das Signal des mittleren Kanals mit dem Signal eines der Seitenkanäle kombinieren und am Ausgang ein Signal liefern, das von den Augenblickswerten des Phasenabstands zwischen den an die Eingänge angelegten Signalen abhängt,
• - und Mittel, um die Ausgangssignale der beiden Detektorkreise miteinander zu korrelieren, wobei das Ergebnis dieser Interkorrelation die Charakteristik des für das zu charakterisierende Bauelement typischen additiven Phasenrauschens zu bestimmen vermag, die aus dem additiven Phasenrauschen extrahiert wird, das von den anderen Bauelementen der Kette und von den von außen induzierten Störungen zusätzlich hinzugefügt wird.
• Nachfolgend werden einige vorteilhafte Merkmale angegeben:
• - Die Mittel, die das Signal der Seitenkanäle bezüglich des Signals des mittleren Kanals in Quadratur setzen, weisen zwei justierbare Quadraturphasenschieber auf, die je in einem der Seitenkanäle in Reihe mit dem Bauelement liegen. In diesem Fall liegt der in Reihe mit dem zu charakterisierenden Bauelement liegende justierbare Quadraturphasenschieber auf der Seite der höheren Frequenzen, falls das Bauelement die Frequenz verändert.
• - Außerdem liegt in jedem der Seitenkanäle oder im mittleren Kanal ein Sperrfilter, das auf die Trägerfrequenz zentriert ist und dessen Bandbreite so festgelegt ist, daß am Ausgang der Phasendetektorkreise die Interspektralprodukte des Rauschens aufgrund der von dem Bauelement erzeugten kombinierten Spektrallinien ausgesperrt werden.
• - Jeder Seitenkanal und/oder der mittlere Kanal enthält ein variables Dämpfungsglied, mit dem die relativen Pegel der an die Eingänge der Phasendetektorkreise angelegten Signale aneinander angepaßt werden können.
• - Die Phasendetektorkreise enthalten je eine Mischstufe und einen Verstärkerkreis sowie einen Integrator am Ausgang dieser Mischstufe.
• - Weiter sind Mittel vorgesehen, um die Fouriertransformierte des Interkorrelationsergebnisses zu erstellen, so daß die spektrale Leistungsdichte des Phasenrauschens des zu charakterisierenden Bauelements bestimmt werden kann.
• Nachfolgend wird anhand der beiliegenden Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
• Figur 1 zeigt schematisch das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Meßkette.
• Figur 2 zeigt eine Charakteristik, die am Schaltkreis gemäß Figur 1 aufgenommen wird und die spektrale Dichte des Grundrauschens abhängig vom Abstand zur Trägerfrequenz angibt.
• In Figur 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 das zu charakterisierende Bauelement, von dem drei Exemplare (die als identisch angenommen werden) in drei gemeinsam von einer Quelle 2 gespeisten Kanälen liegen, wobei die Quelle ein Trägerfrequenzsignal (beispielsweise einer Frequenz f0 = 3 GHz, um die herum das Bauelement charakterisiert werden soll) über einen Leistungsteiler (im englischen power splitter) mit drei Kanälen liefert, so daß ein dynamischer synchronisierter Betrieb der drei Kanäle bei der gewünschten Trägerfrequenz möglich ist. Die seitlichen Kanäle enthalten je einen justierbaren Phasenschieber π/2, der das Signal jedes der seitlichen Kanäle bezüglich des Signals im mittleren Kanal um eine Viertelperiode in der Phase verschieben kann (gemäß einer Variante kann man auch einen einzigen Phasenschieber verwenden, der im zentralen Kanal liegt, aber in diesem Fall wäre es nicht möglich, die genaue Quadratur jedes der seitlichen Kanäle getrennt einzustellen).
• Es sei hier erwähnt, daß für den Fall, daß das zu charakterisierende Bauelement 1 einen Frequenzwechsel durchführen soll, der Phasenschieber 4 vorzugsweise auf seiten der höheren Frequenzen liegt, was es erlaubt, eine Leitung geringerer Abmessungen zu verwenden. Wenn das Bauelement 1 ein Frequenzteiler ist, dann liegt der Phasenschieber 4 also vor diesem, während umgekehrt der Phasenschieber 4 hinter dem Bauelement liegt, wenn letzteres ein Frequenzvervielfacher ist.
• Das Ausgangssignal des mittleren Kanals wird mit dem Ausgangssignal jedes der seitlichen Kanäle in einem Phasendetektorkreis 5 kombiniert, der an seinen Eingängen die entsprechenden Signale empfängt, wobei das Signal des mittleren Kanals identisch auf die beiden Phasendetektoren 5 über einen Leistungsteiler 6 mit zwei Kanälen verteilt wird. Dämpfungsglieder 7, die am Ausgang der verschiedenen Kanäle liegen, erlauben die Justierung der Eingangspegel der Phasendetektoren 5, so daß sie genau gleiche Pegel an den beiden Eingängen jedes der Mischer aufweisen. Dies erlaubt es, die Quadratur durch Nulldetektion am Ausgang des Kreises 5 genau zu justieren.
• Die Ausgänge X(t) und Y(t) der Phasendetektoren 5 sind mit einer Erfassungs- und Verarbeitungseinheit 8 verbunden (beispielsweise einem Mikrorechner, der eingangsseitig einen Analog-Digital-Wandler enthält), der (beispielsweise auf 12 Bits) die Daten während einer ausreichend langen Beobachtungszeit tastet und speichert, damit die auf die verschiedenen Tastproben angewandten Operationen ein signifikatives Ergebnis (im Sinn der Regeln der digitalen Signalverarbeitung) liefern; die erhaltenen Ergebnisse werden bei 9 angezeigt.
• Jeder der Phasendetektorkreise 5 enthält einen Mischer 10, der als abgeglichener doppelter Diodenmischer klassischer Bauart ausgebildet ist und leistungsmäßig mit den verwendeten Signalen kompatibel ist (das Eigenrauschen dieses Mischers ist im Gegensatz zu den bekannten Schaltungen ohne Bedeutung für die Wahl des Mischers, da, wie weiter unten erläutert, dieses Eigenrauschen durch die in der Einheit 8 durchgeführte Verarbeitung eliminiert wird).
• Am Ausgang der Mischstufe 10 erhält man ein Signal, das für den Phasenabstand zwischen dem Signal des mittleren Kanals und dem des entsprechenden Seitenkanals repräsentativ ist, und zwar in Form einer Gleichspannung, die diesem Phasenabstand proportional ist und zu der das additive Rauschen der Elemente der Kette hinzugefügt ist (im wesentlichen das Rauschen des zu charakterisierenden Bauelements 1 und das Rauschen der Mischstufe 10). Legt man die Pegel mit Hilfe der Dämpfungsglieder 7 geeignet fest, dann ist die Gleichspannung am Ausgang der Mischstufe Null (genaue Quadratur) und das einzige Signal, das ausgegeben wird, ist das Signal des Phasenrauschens.
• Dieses Signal des Phasenrauschens, das einen sehr niedrigen Pegel hat (typisch etwa einige Mikrovolt bei einer Impedanz von 50 Ohm) wird verstärkt und integriert von einer Einheit, die ein Tiefpaßfilter 11 und einen Verstärker 12 enthält, so daß sich am Ausgang ein Signal X(t) oder Y(t) ergibt, das pegelmäßig (einige Volt) und impedanzmäßig (hohe Impedanz) mit dem Analog-Digital-Wandler der Erfassungseinheit 8 kompatibel ist. Das Tiefpaßfilter 11 entfernt die Mischkomponenten höherer Ordnung, deren Frequenz oberhalb der Trägerfrequenz f0 liegt.
• Vorzugsweise ist weiter in jedem der seitlichen Kanäle ein Filter 13 vorgesehen, das auf die Trägerfrequenz abgestimmt ist und dessen Selektivität so gewählt ist, daß die Effekte der Nichtlinearität aufgrund der Mischungsprodukte verringert werden. Gewisse zu charakterisierende Bauelemente 1 (wie z.B. insbesondere Frequenzteiler) erzeugen nämlich am Ausgang relativ hochpegelige Harmonische des Trägerfrequenzsignals, das an seinen Eingang gelangt; die harmonischen Spektrallinien unterliegen natürlich demselben Phasenrauschen wie die Hauptspektrallinie, an der man interessiert ist.
• Da die Mischstufen 10 als Frequenzvervielfacher wirken, liefern sie Produkte von allen Störspektrallinien und somit alle Spektren, die mit diesen Störspektrallinien verknüpft sind. Ohne besondere Vorkehrungen würde die von der Meßkette angegebene Rauschcharakteristik diese Anomalie berücksichtigen, wodurch in gleichem Maß das globale Grundrauschen der Meßkette verschlechtert würde.
• Dafür ist das Filter 13 vorgesehen, das am Ausgang des Bauelements alle vom Bauelement 1 erzeugten Störspektrallinien mit Ausnahme der Hauptspektrallinie entsprechend der Grundträgerfrequenz f0 eliminieren kann. In dem besonderen Fall eines Frequenzteilers durch vier und einer Trägerfrequenz von 3 GHz kann man also ein Filter verwenden, das nur eine Bandbreite von 750 MHz um die Trägerfrequenz herum durchläßt.
• Es sei bemerkt, daß es nicht notwendig ist, ein solches Filter im zentralen Kanal vorzusehen, da dieses Filter die Aufgabe hat, die Interspektralprodukte zu beseitigen; es reicht aus, die Störspektrallinien eines der beiden Faktoren dieses Produkts zu eliminieren, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.
• Es ist günstig, das Filter 13 als passives Filter auszuführen, um kein eigenes additives Phasenrauschen einzuführen, das eine zusätzliche Störung erzeugen könnte.
• Nun wird die Signalverarbeitung beschrieben, die in der Erfassungs- und Verarbeitungseinheit 8 erfolgt.
• Es wird davon ausgegangen, daß das von dem zu charakterisierenden Bauelement eingeführte additive Phasenrauschen ein Rauschen ohne grundsätzliche Besonderheit ist, d.h. daß es hinsichtlich der Natur der Rauschquellen die klassischen Annahmen der stationären, unabhängigen und Gauss'schen Spektralverteilung erfüllt.
• Geht man davon aus, daß eine genaue Quadratur vorliegt, dann erhält man Signale X(t) und Y(t) der folgenden Form (da die Phasenfluktuationen sehr gering sind, wird mit sin gleichgesetzt):
• X(t) = Kx[ '(t)- (t)]+bx(t), und
• Y(t) = Ky[ '(t)- ''(t)]+by(t).
• Hierbei ist (t), '(t) und ''(t) das additive Phasenrauschen (Zufallsvariable), das von den Bauelementen 1 des ersten Seitenkanals bzw. des mittleren Kanals, bzw. des zweiten Seitenkanals eingeführt wird, während Kx und Ky Konstanten sind, die mit dem Verstärkungsgrad der Mischstufe 10 und des Verstärker-Integrierkreises 11, 12 verknüpft sind, und bx(t) und by(t) das additive Phasenrauschen (ebenfalls zufällig variabel) der Detektororgane (Mischstufe und Verstärker) jedes Kanals sind.
• Das Eigenphasenrauschen bx(t) und by(t) bildete im Stand der Technik eine Fehlerquelle, die durch die vorliegende Erfindung beseitigt werden kann, wodurch sich eine Verbesserung der Meßdynamik des Systems ergibt.
• Nun wird gezeigt, wie in einer Erfassungs- und Verarbeitungseinheit 8 durch Interkorrelation dieser beiden Signale X(t) und Y(t) die spektrale Leistungsdichte des Phasenrauschens extrahiert werden kann, die dem Bauelement 1 im mittleren Kanal eigen ist.
• Wenn man nämlich die Interkorrelationsfunktion Rxy der beiden Signale x(t) und Y(t) gemäß der mathematischen Wahrscheinlichkeitsalgebra ausdrückt, dann erhält man:
• Rxy(τ) = E{X(t)Y(t-τ},
• also:
• Rxy(τ) = KxKyE{ '(t)- '(t-τ}.
• Aufgrund der oben aufgestellten Hypothese der Unabhängigkeit der zugeordneten Ereignisse in den anderen Operationstermen und unter der Voraussetzung, daß Kx = Ky = K gilt, wobei K ein bekannter Wert ist (da die Mischstufen und ihre zugeordneten Schaltkreise geeicht sind), ergibt sich:
• Rxy(τ) = K²C[ '(t)].
• Das bedeutet bis auf einen Faktor die Autokorrelationsfunktion der Zufallsvariablen '(t). Die Fouriertransformierte dieser Autokorrelationsfunktion (im zeitlichen Sinn) ergibt die spektrale Dichte (im Frequenzsinn) der Leistung des Phasenrauschens, die die im allgemeinen gesuchte Charakteristik ist.
• Mit anderen Worten verschwindet alles, was auf den äußeren Kanälen korreliert ist (insbesondere das additive Phasenrauschen, das von der Mischstufe 10 stammt), und man erhält als Verarbeitungsergebnis die Autokorrelation des additiven Phasenrauschens, das in dem mittleren Kanal entsteht, d.h. das additive Phasenrauschen allein des Baulements 1.
• So ergibt sich eine erhebliche Verbesserung der Dynamik im Vergleich zu den bekannten Systemen: Der theoretisch erreichbare Gewinn liegt in der Größenordnung von 20 dB. Es ist festzuhalten, daß eine einfache Meßkette, die keine besonderen Vorkehrungen bezüglich des Schutzes gegen Strahlungen und Vibrationen trifft, bereits einen Gewinn von mehr als 6 dB im Vergleich zu einer bekannten Meßkette erbringt, die gegen Strahlungen und Vibrationen sehr gut geschützt ist, d.h. deren Kosten deutlich höher sind.
• Figur 2 zeigt das Grundrauschen des Systems (d.h. das Rauschen, das sich ergibt, wenn man die zu charakterisierenden Bauelemente kurzschließt). Dieses Grundrauschen wird durch die spektrale Dichte SΔ (f) abhängig vom Frequenzabstand f bezüglich der Trägerfrequenz dargestellt, die hier eine Frequenz von 3 GHz ist.
• Man sieht, daß sich ein Mindestgrundrauschen in der Größenordnung von -178 dBc/Hz ergibt, was geringer als das thermische Rauschen ist, und ein Nenngrundrauschen bei 1000 Hz von -166 dBc/Hz.

Claims (7)

1. Meßkette zur Messung der Charakteristik des additiven Phasenrauschens eines Bauelements (1) in der Nähe einer Trägerfrequenz (f0),

- mit einem mittleren Kanal und zwei Seitenkanälen, wobei der mittlere Kanal ein Exemplar des zu charakterisierenden Bauelements (1) enthält,

- mit einer Quelle (2) eines Signals mit der Trägerfrequenz (f0), wobei diese Quelle eine gemeinsame Quelle ist, die in gleicher Weise den mittleren und die Seitenkanäle speist,

- mit Mitteln (4), um die Phase des Signals der Seitenkanäle bezüglich der des mittleren Kanals zu verschieben, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschiebermittel (4) das Signal der Seitenkanäle bezüglich des Signals des mittleren Kanals in Quadratur setzen und daß die Meßkette weiter aufweist:

- in jedem der beiden Seitenkanäle ein Exemplar des zu charakterisierenden Bauelements (1),

- zwei Phasendetektorkreise (5), die je das Signal des mittleren Kanals mit dem Signal eines der Seitenkanäle kombinieren und am Ausgang ein Signal (X(t); Y(t)) liefern, das von den Augenblickswerten des Phasenabstands ( '(t)- (t); '(t)- ''(t)) zwischen den an die Eingänge angelegten Signalen abhängt,

- und Mittel (8), um die Ausgangssignale der beiden Detektorkreise (5) miteinander zu korrelieren, wobei das Ergebnis dieser Interkorrelation die Charakteristik des für das zu charakterisierende Bauelement (1) typischen additiven Phasenrauschens zu bestimmen vermag, die aus dem additiven Phasenrauschen extrahiert wird, das von den anderen Bauelementen der Kette und von den von außen induzierten Störungen hinzugefügt wird.

2. Meßkette nach Anspruch 1, in der die Mittel, die das Signal der Seitenkanäle bezüglich des Signals des mittleren Kanals in Quadratur setzen, zwei justierbare Quadraturphasenschieber (4) enthalten, die je in einem der Seitenkanäle in Reihe mit dem Bauelement liegen.

3. Meßkette nach Anspruch 2, in der der in Reihe mit dem zu charakterisierenden Bauelement (1) liegende justierbare Quadraturphasenschieber (4) auf der Seite der höheren Frequenzen liegt, falls das Bauelement die Frequenz verändert.

4. Meßkette nach Anspruch 1, bei der außerdem in jedem der Seitenkanäle oder im mittleren Kanal ein Sperrfilter (13) liegt, das auf die Trägerfrequenz (f0) zentriert ist und dessen Bandbreite so festgelegt ist, daß am Ausgang der Phasendetektorkreise (5) die Interspektralprodukte des Rauschens aufgrund der von dem Bauelement erzeugten kombinierten Spektrallinien ausgesperrt werden.

5. Meßkette nach Anspruch 1, in der jeder Seitenkanal und/oder der mittlere Kanal ein variables Dämpfungsglied (7) enthält, mit dem die Pegel der an die Eingänge der Phasendetektorkreise angelegten Signale relativ aneinander angepaßt werden können.

6. Meßkette nach Anspruch 1, in der die Phasendetektorkreise (5) je eine Mischstufe (10) und einen Verstärkerkreis (12) sowie einen Integrator (11) am Ausgang dieser Mischstufe enthalten.

7. Meßkette nach Anspruch 1, in der weiter Mittel (8) vorgesehen sind, um die Fouriertransformierte des Interkorrelationsergebnisses zu erstellen, so daß die spektrale Leistungsdichte des Phasenrauschens des zu charakterisierenden Bauelements (1) bestimmt werden kann.