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PLL-Oszillatoren mit Verzögerungsleitung 4

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Seitenbandrauschen

6. Meßung des Seitenband-Rauschabstandes

Wenn man die SBN-Werte des Kurzwellen-VFOs nach (3) sowie die Daten des Braun SE-401 (Bild 3 in (1)) betrachtet, so könnte der Eindruck entstehen, die Rauscheigenschaften von PLL-VLOszillatoren wären prinzipiell nur von mittelmäßiger Qualität. Dem ist jedoch nicht so; vielmehr sind die Eigenschaften der Schwingstufe selbst von ausschlaggebender Bedeutung und diesbezüglich stellen die beiden oben zitierten Vertreter dieser Gattung nicht gerade Glanzlichter dar. Bei dem in (3) beschriebenen VFO dürfte im wesentlichen die relativ feste Ankopplung der Abstimmdioden an den Schwingkreis schuld sein, was jedoch wegen des breiten geforderten Abstimmbereiches (± 10 %) prinzipiell nicht zu umgehen ist.

Wie sich Rauschseitenbänder des Oszillators auf die Eigenschaften eines Empfängers auswirken, hat DJ7VY in (1) ausführlich dargelegt. Hier wollen wir uns zunächst etwas mit der Meßtechnik beschäftigen, anschließend werden die an einem Musteraufbau des 2-m-Oszillators DK1OF 046/047 bestimmten Rauschwerte präsentiert.

6.1. Meßtechnik

Um es gleich vorwegzunehmen: Ein "normaler" Spektrumsanalysator (Preisklasse um 80.000 DM) nutzt hier ziemlich wenig, denn der darin enthaltene Oszillator rauscht wegen seines großen Abstimmbereiches um Größenordnungen mehr als das Meßobjekt, außerdem wäre der üblicherweise gebotene Dynamikbereich von bestenfalls 80 dB zu gering. Hochmoderne FFT- (Fast Fourier Transformation-) Analysatoren sind nur für relativ niedrige Frequenzen brauchbar, denn das zu untersuchende Signal muß mit ausreichender Auflösung (z. B. 16 bit) digitalisiert werden, bevor der Computer aus dem zeitlichen Verlauf der Eingangsspannung das dazugehörende Spektrum berechnen kann.

Es ist zweckmäßig, das zu untersuchende Signal mit Hilfe eines Mischers und einer (sehr rauscharmen) Hilfsfrequenz in eine tiefe Frequenzlage umzusetzen, wo es dann einfacher observiert werden kann. Diese "Zwischenfrequenz" kann auch gleich Null sein, d.h. Meß- und Hilfsfrequenz sind dann gleich. Die Rauschseitenbänder des Oszillators können nun mit Hilfe von schmalen NF-Filtern ausgesiebt, gleichgerichtet (Effektivwert!) und angezeigt werden.

Natürlich kann auch jede andere ZF verwendet werden, wenn hierfür steilflankige Filter mit ausreichender Weitabselektion verfügbar sind. Dieses Konzept soll anhand Bild 33 näher erläutert werden. Als Referenzoszillator wurde die von DK1AG (Bild 10 in (4)) angegebene Schaltung verwendet, und zwar mit nachgeschaltetem Quarzfilter (Bild 20 in (4)). Nach der Trennstufe mit einem Hochstrom-FET wird das 72,5-MHz-Quarzsignal frequenzverdoppelt und mit zwei Hybridverstärkern (UTO-546 von Avantek) auf einen Pegel von 200 mW gebracht. Der Mischer ist ein Super-High-Level-Typ, der bei +23 dBm LO-Aussteuerung eine Signalleistung von +20 dBm (1 dB Kompression) verarbeiten kann.

Bild 33
Bild 33: Testaufbau zur Messung des Seitenbandrauschens.

Das Ausgangssignal des zu untersuchenden VHF-Oszillators wird von einem weiteren Hybridverstärker auf 10 mW verstärkt und gelangt über einen geeichten Abschwächer (Weinschel Typ 3023, 2 Stück kaskadiert) auf den RF-Eingang des Mischers. Die entstehende Zwischenfrequenz von 10,7 MHz wird einem hochselektiven ZF-Verstärker zugeführt; dieser konnte dank eines Industrierestpostens von Quarzfiltern (XF107S01 von KVG) sowohl sehr steilflankig (32 Pole) als auch preisgünstig realisiert werden (es sind noch einige Filter übrig ...). Die durch das Kaskadieren der Quarzfilter entstehende Welligkeit der Durchlaßkurve (etwa 4 dB) machte eine genaue Bestimmung der effektiven Bandbreite notwendig, was durch graphische Integration der im linearen Maßstab dargestellten Kurve geschah. Es ergab sich ein Wert von 6,1 kHz (umgerechnet auf exakte Rechtecksform). Ein Signal, das 5 kHz Abstand zur Mittenfrequenz hat, wird um mehr als 130 dB abgeschwächt. Der Ausgang des ZF-Verstärkers ist mit einem Effektivwert-Voltmeter (RMS-Meter Racal 9301A, alternativ HP 3400A) verbunden.

Nun zur Durchführung der Messungen. Zunächst wird der VHF-Oszillator auf eine Frequenz von genau 134,3 MHz eingestellt, so daß sich eine ZF von exakt 10,7 MHz ergibt. Den Abschwächer stellt man so ein, daß das RMS-Meter eine Spannung von z. B. 10 mV anzeigt (darauf achten, daß das ZF-Teil weder an der Rauschgrenze noch in Sättigung arbeitet !). Wird die Abstimmung des VFO nun beispielsweise um 10 kHz (Kontrolle mit Zähler) geändert, so muß der Abschwächer entsprechend aufgedreht werden, um wieder dieselbe Anzeige (nun jedoch Rauschen) am RMS-Meter zu erhalten.

Beispiel:
VFO in Bandmitte: a = 112 dB für URMS = 10 mV
VFO 10 kHz höher: a = 8 dB für URMS = 10 mV
Rauschabstand: S = 112 - 8 = 103 dB in 6 kHz Bandbreite Bandbreitenfaktor: 10 × lg 6 kHz/1 Hz = 38 dB
Rauschabstand: S = 103 + 38 = 141 dB in 1 Hz Bandbreite
Damit: S = 141 dBc in 10 kHz Abst. vom Träger.

Bei Rauschsignalen kann das Verhältnis Spitzenleistung (PEP) zu mittlerer (thermischer) Leistung theoretisch unendlich groß werden. Dies bedeutet, daß ein zur Rauschleistungs-(oder Rauschspannungs-)Anzeige verwendetes Meßgerät einen ausreichend hohen Dynamikbereich aufweisen muß, um den Meßfehler klein genug zu halten ("Crest-Faktor'). Dieser sollte wenigstens 40 dB betragen; das heißt für das oben angeführte Beispiel, daß der ZF-Verstärker mindestens 1 V (effektiv) unverzerrt abgeben können muß, wenn die am RMS-Meter angezeigte Rauschspannung von 10 mV einigermaßen glaubhaft sein soll.

Wer sich näher mit der Theorie von Seitenband-Rauschmessungen beschäftigen will, sei auf die Literaturstellen (5) und (6) verwiesen.

6.2. Meßergebnisse

Das Rauschspektrum des VHF-Oszillators DK1OF 046/047 ist in Bild 34 dargestellt, ein Vergleich mit der Originalversion (1) zeigt gute Übereinstimmung. Die gezeigte Kurve gibt natürlich die Summe der Rauschwerte von Meßobjekt und Hilfsoszillator an.

Bild 34
Bild 34: Seitenbandrauschen des 2-m-Oszillators DK1OF 046/047.

Literatur

  1. Martin, M.: Rauscharmer UKW-Oszillator mit Diodenabstimmung, UKW-Berichte 20 (1980) Heft 4 S. 194 - 209
  2. Kestler, J.: PLL-Oszillatoren mit Verzögerungsleitung 1, UKW-Berichte 24 (1984) Heft 3 S. 130 -139
  3. Kestler, J.: PLL-Oszillatoren mit Verzögerungsleitung 2, UKW-Berichte 24 (1984) Heft 4 S. 195 - 203
  4. Neubig, B.: Extrem rauscharmer 96-MHz-Quarzoszillator 2, UKW-Berichte 21 (1981) Heft 2 S. 91 - 100
  5. Neubig, B.: Extrem rauscharmer 96-MHz-Quarzoszillator 1, UKW-Berichte 21 (1981) Heft 1 S. 24 - 32
  6. Scherer, D.: The "Art" of Phase Noise Measurement, Firmenschrift v. Hewlett-Packard, Mai 1983

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DK1OF, Joachim Kestler.