Dieses Video behandelt die praktische Messung des Phasenrauschens von Oszillatoren mithilfe von Standard-Spektrumanalysatoren (Keysight und Siglent). Es erläutert die mathematische Konvertierung von Roh-Delta-Messungen in einer bestimmten Auflösungsbandbreite zu normalisiertem dBc/Hz unter Berücksichtigung von Korrekturfaktoren für die Gauß-Filterform. Zudem werden fundamentale messtechnische Einschränkungen herkömmlicher Spektrumanalysatoren aufgezeigt – bei denen das Phasenrauschen des internen Lokaloszillators (LO) des Messgeräts Bauteile mit extrem geringem Phasenrauschen (z. B. -140 dBc/Hz) überdeckt –, und es werden fortgeschrittene Kreuzkorrelationstechniken vorgestellt, wie sie in dedizierten Signalquellenauswertern zum Einsatz kommen.
Wichtigste Punkte & Zeitstempel
0:00 Phasenrauschen-Grundlagen: Definition des Phasenrauschens als Signalwackeln und Energie-„Skirt“ (Rauschflanke), das sich unmittelbar neben dem Trägersignal auf dem Spektrumanalysator zeigt.
0:20 Delta-Messungen: Verwendung von Delta-Markern zur Bestimmung des Leistungsunterschieds in dBc (Dezibel relativ zum Träger) bei einem bestimmten Frequenz-Offset (z. B. 100 Hz Abstand).
2:20 Auflösungsbandbreite (RBW): Bedeutung der Bandbreiteneinstellung (hier 10 Hz) und des Frequenz-Spans (1 kHz) für die Erfassung der Rauschleistung nahe am Träger.
3:20 Datenblatt-Spezifikation: Vergleich mit dem Oszillator-Datenblatt (Modell OSC5A2B02), das ein spezifiziertes Phasenrauschen von -140 dBc/Hz aufweist.
4:12 Leistungsnormalisierung & Filterkorrektur: Mathematische Umrechnung von der 10-Hz-Messbandbreite auf einen 1-Hz-Wert unter Anwendung eines Korrekturfaktors von 1.2 (ca. 20 % zusätzliche Energiekompensation wegen der Gauß-Filtercharakteristik im Vergleich zu einem idealen Rechteckfilter).
9:06 Rauschlimit des Messgeräts: Gemessene Werte von -101.8 dBc/Hz (Keysight) und abweichende Werte (Siglent) belegen, dass Standard-Spektrumanalysatoren durch das Phasenrauschen ihrer eigenen internen Mischer und Lokaloszillatoren limitiert sind und den theoretischen Bauteilwert von -140 dBc/Hz nicht erfassen können.
12:16 Kreuzkorrelationstechnik: Architektur zur Unterdrückung des geräteinternen Ruschens durch Aufteilung des Eingangssignals auf zwei getrennte Empfangspfade mit unabhängigen Oszillatoren und anschließender Korrelationsrechnung (verwendet in Spezialgeräten wie dem Keysight E5052B).
Glossar
Phasenrauschen (Phase Noise): Kurzzeitige, zufällige Phasenschwankungen eines Oszillatorsignals, die im Frequenzbereich als Rauschband direkt neben der Trägerfrequenz sichtbar werden.
Träger (Carrier): Die fundamentale Hochfrequenz-Welle eines Oszillators ohne Modulation.
dBc (Dezibel relativ zum Träger / dB relative to carrier): Logarithmische Maßeinheit für das Verhältnis der Rauschleistung in einem bestimmten Frequenzabstand zur Leistung des Hauptträgers.
Auflösungsbandbreite (Resolution Bandwidth / RBW): Die Filterbandbreite im Zwischenfrequenzteil (ZF) eines Spektrumanalysators, die festlegt, wie schmal der Frequenzbereich ist, der bei einer Messung erfasst wird.
Gauß-Filter (Gaussian Filter): Ein im ZF-Teil von Messgeräten eingesetzter Filtertyp mit glockenförmiger Charakteristik, der im Gegensatz zu einem idealen Rechteckfilter (Boxcar) Energie an den Rändern unvollständig erfasst.
Lokaloszillator (Local Oscillator / LO): Ein interner Oszillator im Spektrumanalysator, der das Eingangssignal über einen Mischer in eine niedrigere Zwischenfrequenz umsetzt.
Kreuzkorrelation (Cross-Correlation): Ein mathematisches Verfahren, bei dem zwei getrennte Messkanäle verglichen werden, um unkorreliertes Rauschen (wie das Eigenrauschen der internen Messgeräteschaltung) herauszufiltern.
Signal Source Analyzer (Signalquellen-Analysator): Ein hochspezialisiertes Messgerät (z. B. Keysight E5052B), das speziell für die extrem präzise Messung von Phasenrauschen und Transienten entwickelt wurde.