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Automatisches Rauschmeßgerät für den Eigenbau 1

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Dieser zweiteilige Beitrag beschreibt ein automatisches Rauschmeßgerät, das schnelle Rauschabgleich-Arbeiten ermöglicht, und - wenn die Rauschquelle geeicht ist - Absolutmessungen der Rauschzahl erlaubt. Der Frequenzbereich der Meßanordnung wird durch die Rauschquelle bestimmt. Das Rauschmeßgerät selbst hat zur Auswertung einen 144-MHz-Eingang, kann aber auch für andere Bereiche (29 MHz, 10,7 MHz oder Niederfrequenz) eingerichtet werden. Die Rauschzahl liest man an einem Instrument unmittelbar in dB ab, wie das Foto des Musteraufbaus erkennen läßt (Bild 1).

Bild 1
Bild 1: Der Musteraufbau des Rauschmeßgeräts läßt die Frontplattenbeschriftung erkennen.

Im Gegensatz zu den gewohnten Prozeduren, wie der 3-dB-Methode oder der Y-FaktorMethode, die nur ein mühsames, langwieriges Optimieren zulassen, nimmt das hier beschriebene Gerät die Messungen in rascher Folge automatisch vor, so daß man den Erfolg von Verbesserungsversuchen unmittelbar sieht. Bei praktischen Einsätzen zeigte sich, daß ein solches Gerät vor allem bei passiven Mischern ein werivolles Hilfsmittel ist; aber auch bei Konvertern und Vorverstärkern mit teuren Eingangstransistoren wurde deutlich, daß sich die Kosten für ihren Einsatz erst nach einem Rauschabgleich rechtfertigen lassen. Um nun den Aufbau möglichst schnell zu beschreiben, werden die Grundlagen nur gestreift.

1. Meßtechnik

Die Rauschzahl ist ein Kennzeichen für die Übertragungsqualität eines Systems. Sie existiert aber nicht im gleichen Sinn wie Spannung, Strom oder Leistung. Dies hat zur Folge, daß sie nur indirekt gemessen werden kann. Die Meßtechnik hat sich nach der IEEE-Normung im Jahr 1957 im wesentlichen nicht mehr geändert.

Bei der Messung wird das Meßobjekt nacheinander von zwei bekannten Rauschpegeln angeregt und seine Ausgangsleistung festgestellt. Die Kenntnis dieser Pegel macht es möglich die Rauschzahl zu berechnen(1).

Der Begriff "Excessive Noise Ratio" (ENR-Wert) kennzeichnet die Rauschquelle, mit der das System erregt wird.

Eq 1

P1: verfügbare Ausgangsleistung der Quelle, wenn diese im Zustand 1 (passiv) ist
P2: verfügbare Ausgangsleistung der Quelle, wenn diese im Zustand 2 (aktiv) ist

Beide Leistungen sind mittlere Rauschleistungen und beziehen sich natürlich auf die Sandbreite B.

Falls P1 der Leistung entspricht, die ein Widerstand bei Zimmertemperatur abgibt (1 kT0), so läßt sich die Rauschzahl nach folgender Formel berechnen:

Eq 2

P1M: Ausgangsleistung des Meßobjekts bei Erregung mit P1 P2M: Ausgangsleistung des Meßobjekts bei Erregung mit P2

Die Meßtechnik, die sich aus dieser Formel ableiten läßt, wird bei fast allen automatischen Rauschmeßgeräten angewandt; Spitzengeräte erreichen damit Genauigkeiten von ± 0,2 dB.

1.1. Besonderheiten des beschriebenen Verfahrens

Bild 2 zeigt das Blockschaltbild des Geräts, Bild 3 den zeitlichen Ablauf der Messung. Die "Zeitsteuerung" schaltet die Rauschquelle im 50-ms-Takt um. Während der Zeit t, ist die Quelle passiv, während t2 aktiv. Die Ausgangsrauschleistungen des Meßobjekts werden weiterverstärkt und in den NF-Bereich konvertiert. So können die Rauschpegel über den Mittelwert des Betrags der Rauschspannungen erfaßt werden.

Eq 3, 4, 5

U1M: Mittelwert des Betrags der NF-Rauschspannung, wenn die Quelle im Zustand 1 ist
U2M: Mittelwert des Betrags der NF-Rauschspannung, wenn die Quelle im Zustand 2 ist

Bild 2
Bild 2: Blockschaltbild des automatischen Rauschmeßgeräts.

Bild 3
Bild 3: Zeitlicher Ablauf einer Messung.

Um zu verhindern, daß beim Umschalten der Rauschquelle entstehende Ein- und Ausschwingvorgänge das Meßergebnis beeinflussen, werden die "Mittelwerte" nur während t3 und t4 gebildet. Die Ausmittelung bewirken ein Tiefpaß und ein I-Regler.

Der Proportionalitätsfaktor "const" wird über den regelbaren Verstärker so festgelegt, daß U1M einen definierten Wert hat. Dann besteht bis auf einen Summanden (ENRlog) eine feste Beziehung zwischen U2M und Flog (Formel 5). Diese Beziehung berücksichtigt die Anzeige-Elektronik so, daß die Rauschzahl direkt angezeigt werden kann.

Die Genauigkeit des beschriebenen Geräts ist schwer durch eine einzige Zahl angebbar. Wesentlichen Einfluß darauf hat die Genauigkeit des Rauschgenerators. Bei den folgenden typischen Werten ist der maximale Fehler, verursacht durch die Stufen hinter dem Meßobjekt, kleiner als 0,4 dB:

ENRlog = 17,0 dB
Flog = 2,0 dB
V = 20,0 dB
V = Verstärkung des Meßobjekts

Eine ausführliche Fehlerdiskussion und Maßnahmen, welche die Meßgenauigkeit erhöhen, folgen in einem Anhang.

2. Übersicht über den Aufbau des Geräts

Das Meßgerät ist - wie in Bild 4 dargestellt - in sechs Baugruppen eingeteilt:

Bild 4
Bild 4: Die Baugruppen des Rauschmeßgeräts.

Die Bilder 5 und 6 zeigen das geöffnete Gerät von oben und unten. Die Baugruppen werden in den folgenden Abschnitten einzeln beschrieben.

Bild 5
Bild 5: Die steckbaren Platinen und die Netzversorgung.

Bild 6
Bild 6: Die abgeschirmten Baugruppen auf der Unterseite des Geräts.

3. Rauschgenerator

Der Rauschgenerator kann ähnlich wie in (2) aufgebaut sein. Er muß lediglich so erweitert werden, daß er zwischen P1 und P2 elektronisch umschaltbar ist (Bild 7).

Bild 7
Bild 7: Der Rauschgenerator wird mit einer (geschalteten) Spannung von mindestens 12 V betrieben.

Zweckmäßigerweise wird der Generator in ein separates Gehäuse eingebaut, so daß er direkt auf das Meßobjekt gesteckt werden kann. Dann entfallen Meßfehler durch Dämpfung und Reflexion in zusätzlichen Steckverbindungen und Kabeln.

Die Kenntnis des ENR-Werts ist wesentlich für Absolutmessungen. Er kann durch Vergleich mit geeichten Rauschquellen - z.B. von Instituten oder anderen OMs - ermittelt werden.

4. Emphangskonverter

Die Empfangsbaugruppe DK1OF 034 von Joachim Kestler(3) ist nach geringfügigen Änderungen für das Rauschmeßgerät gut zu verwenden. Bild 8 zeigt die geänderte Schaltung.

Bild 8
Bild 8: Als Empfangskonverter wird ein Teil der Schaltung DK1OF 034 benutzt.

4.1. Bandbreite

Um die charakteristischen Größen des Rauschens schnell und genau zu messen, ist eine möglichst große Meßbandbreite wünschenswert. Bei professionellen Anwendungen wird deshalb teilweise mit Meßbandbreiten von mehreren MHz gearbeitet. Falls in diesem Frequenzbereich Funkverkehr herrscht, ist man auf abgeschirmte Räume angewiesen. Da man auf den Amateurbändern vor Störungen nie sicher ist und abgeschirmte Meßkammern kaum zur Verfügung stehen, wurde hier eine HF-Bandbreite von nur 30 kHz gewählt.

Das Quarzfilter XF-107 B der Originalbeschreibung wird dazu durch den 30 kHz breiten Typ QF107/30 ersetzt. Wegen der anderen Impedanz des Filters müssen die Widerstände R1, R2 auf 2 kΩ erhöht werden, C1 und C2 sind durch 30-pF-Trimmer zu ersetzen.

4.2. Auskopplung

Zur Messung des Rauschens wird der FM-Demodulator CA3089 nicht gebraucht. Darum wird das 10,7-MHz-"Rauschsignal" nach L8 und dem 47-Ω-Widerstand ausgekoppelt.

4.3. Regelung

Die Verstärkung des Empfangsbausteins DK1OF 034 läßt sich durch die Regelspannung UR stark beeinflussen. Dennoch wird die Stufe RMG 03 für die Verstärkungsregelung herangezogen, um den Einsatz von anderen Empfangskonvertern einfach zu machen und um die höhere Rauschzahl bei herabgeregelter Verstärkung zu vermeiden. Darum wird UR über einen Spannungsteiler konstant vorgegeben.

Obwohl die Rauschzahl des Eingangstransistors mit 2 dB angegeben wird, war bei dem aufgebauten Konverter bei sorgfältigem Abgleich nur ein Wert von 4,5 dB zu erreichen.

5. Demodulator und Regelbarer Verstärker

Die Baugruppe Demodulator und Regler trägt die Bezeichnung RMG 03. Sie ist so konzipiert, daß sie auch mit anderen Empfangsbaugruppen betrieben werden kann. In Verbindung mit dem beschriebenen Empfangskonverter und einem 10,720-MHz-Oszillator wird das Rauschband (10,685-10,715 MHz) ähnlich wie bei der SSB-Demodulation in ein NF-Band (5 - 35 kHz) gemischt.

5.1. Schaltungsbeschreibung

Bild 9 zeigt den Schaltplan des Demodulators und des regelbaren Verstärkers. Der Mischer IE500 konvertiert das Rauschband in den NF-Bereich. Er ist am ZF-Ausgang mit zwei in Serie geschalteten 50-Ω-Anpaßfiltern abgeschlossen, die verhindern sollen, daß hochfrequente Signale in den anschließenden NF-Verstärker gelangen. Die erste Stufe des NF-Verstärkers ist ebenfalls so ausgelegt, daß sie einen 50-Ω-Abschluß darstellt. Da hier die Rauschspannung im ungünstigsten Fall in der Größenordnung von einigen µV liegt, ist bei der Spannungsversorgung und Arbeitspunkteinstellung einer großer Siebungsaufwand nötig. Darum wird eine zusätzliche Spannung von ca. 10 V stabilisiert. und zwei RC-Glieder werden in Reihe geschaltet.

Bild 9
Bild 9: Demodulator und regelbarer Verstärker RMG03.

Die untere Grenzfrequenz des Verstärkers ist auf 1 kHz festgelegt, um Meßfehler durch das 1/f-Rauschen der Transistoren klein zu halten. Der FET T2 wird als veränderlicher Widerstand eingesetzt und gestattet es, die Gesamtverstärkung um etwas 40 dB zu variieren.

5.2. Aufbauhinweise der Baugruppe RMG03

Für den Nachbau wurde eine Leiterplatte mit den Abmessungen 135 mm × 50 mm entworfen. Sie ist wie in Bild 10 gezeigt zu bestücken.

Bild 10
Bild 10: Die einseitig kaschierte Leiterplatte RMG03 ist 135 × 50 groß.

L301: Vogt Spulenbausatz D41-2165 13 Wdg. 0,3 mm Kupfer-Lack-Draht
L302: 120 µH Drossel
R302: 220 kΩ

Dieser Widerstand wird nach dem Rauschabgleich des Empfangskonverters verkleinert.

Die Platte paßt in ein Standard-Weißblechgehäuse und ist mit Abschirmwänden, wie im Schaltplan eingezeichnet und in Bild 11 gezeigt, zu versehen.

Bild 11
Bild 11: Die Aufnahme zeigt den Empfangskonverter (oben) und die Baugruppe RMG03 (unten).

5.3. Inbetriebnahme und Abgleich

Zur Inbetriebnahme benötigt man ein Voltmeter (ca. 10 kΩ/V), einen Oszillographen und einen Tongenerator (notfalls 10-kHz-Rechteckgenerator mit einstellbarem Spannungsteiler).

Der Eingang URegel ist mit einer negativen variablen Spannung zu beschalten (z.B. über 100-kΩ-Poti zwischen Masse und -15 V). Nach dem Anlegen der Betriebsspannung überprüft man die intern stabilisierte Spannung (10,6 V). Der Widerstand R1 ist so einzustellen, daß an TP1 eine Spannung von -5,8 V liegt. Wegen der großen Zeitkonstante der Siebung für den Arbeitspunkt kann der Abgleich nur langsam vorgenommen werden. Aus demselben Grund dauert es nach dem Einschalten einige Sekunden bis die Stufe arbeitet. Der Tongenerator wird über einen 1-MΩ-Widerstand an TP2 angeschlossen und auf etwa 10 kHz eingestellt. Das Voltmeter wird bei URegel angeschlossen. URegel wird mit ca. -10 V vorgegeben. Dann stellt man die Ausgangsspannung des Tongenerators so ein, daß UNF noch nicht verzerrt wird. Die Verstärkung zwischen TP2 und UNF sollte etwa 105 sein. Bei langsamer Reduzierung von URegel nimmt die Verstärkung zunächst kaum, dann plötzlich ab (Bild 12). Diese Spannung URegel G merke man sich. Sie wird für den Abgleich des Reglers gebraucht. Die Verstärkung sollte mit der Vorspannung um etwa 40 dB verändert werden können.

Bild 12
Bild 12: Abhängigkeit der Verstärkung von der Regelspannung.

6. Oszillatoren

Zur Ansteuerung des Empfangskonverters wird ein Träger bei 133,400 MHz mit 0 dBm benötigt. Mit einer Oszillator-Vervielfacherschaltung, wie auf der Baugruppe DJ7VY 002 von Michael Martin(4), läßt sich das nach wenigen Änderungen erreichen:

Q: 66,700 MHz
L7: 7 Wdg. (sonst wie vorher)
L9: 5 Wdg. (sonst wie vorher)

Das Signal wird nach F4 ausgekoppelt.

Der RMG03-Mischer wird mit einem 10,720-MHz-7-dBm-Signal betrieben. Hierfür kann die Schaltung von Friedrich Krug, DJ3RV, verwendet werden(5). Die Bauelemente zur Oszillatorumschaltung entfallen natürlich.

In Teil 2 folgen: Das Steuer- und Regelteil RMG02 Anzeige-Elektronik und ReferenzspannungsErzeugung RMG01.

Literatur zu Teil 1

  1. Pastori, William E. Figuring Noise Figure, December 1979 Issue of Quality. 1979 Hitchcock Publishing Company
  2. Ulbricht, Michael, DB2GM: Ein Rauschgenerator für VHF und UHF, UKW-Berichte 21 (1981) Heft 3, Seite 148-153
  3. Kestler, Joachim, DK1OF: FM-Transceiver für das 2-m-Band Teil 1: Der Empfänger, UKW-Berichte 18 (1978) Heft 3, Seite 167-176
  4. Martin, Michael, DJ7VY: Modernes Eingangsteil für 2-m-Empfänger mit großem Dynamikbereich und geringen Intermodulationsverzerrungen, UKW-Berichte 18 (1978) Heft 2, Seite 116-127
  5. Krug, Friedrich, DJ3RV: Vielseitig einsetzbares ZF-Teil für 2-m-Empfänger und Nachsetzer Teil 3: Geregelter ZF-Verstärker, Notch-Filter, Demodulatoren, BFO, NF-Verst., UKW-Berichte 22 (1982) Heft 1, Seite 44-61

Teil 1 - Teil 2

Martin Dohlus.