Bild 1: Bei einer Eingangsimpedanz mit einer Temperatur von 0 K besteht die Ausgangsleistung eines Testobjekts allein aus seinem Eigenrauschen Na.

Bild 1: Bei einer Eingangsimpedanz mit einer Temperatur von 0 K besteht die Ausgangsleistung eines Testobjekts allein aus seinem Eigenrauschen Na. Keysight

Die Qualität eines HF-Empfängers lässt sich auf verschiedene Weise charakterisieren, etwa nach seiner Empfindlichkeit oder nach der Bitfehlerrate, die er bei der Decodierung von Digitalsignalen aufweist. Aber ein Parameter namens Rauschzahl steht für das Maß an Rauschen, das ein System erzeugt. Die Rauschzahl gibt dem Entwicklungsingenieur eine Methode an die Hand, die beim Design unvermeidlichen Kompromisse zu werten und die geforderte System­leistung zu erreichen.

Die Rauschzahl F eines Bauelements oder Systems ist das Verhältnis (beziehungsweise die Diffe­renz im logarithmischen Maß­stab) des Signal-Rausch-Verhältnisses (S/N, Signal to Noise) am Eingang zum Signal-Rausch-Verhältnis am Ausgang. Die Rauschzahl ist unabhängig von der Verstärkung und auch unabhängig vom Eingangspegel – solange sich der Verstärker in seinem linearen Betriebsbereich befindet. Die meisten Verstärker fügen dem Signal ihr Eigenrauschen hinzu, und die Rauschzahl eines Systems ist auch abhängig von der Temperatur der Signalquelle. Die Rauschzahl ist im Allgemeinen eine Funktion der Frequenz, aller­dings von der Band­breite unabhängig. Sie wird normalerweise als dekadischer Logarithmus 10 log F angegeben.

ECK-DATEN

Dieser Beitrag beschäftigt sich mit der Messung des Rauschens, das in einem System selbst entsteht. Das Eigenrauschen, das in der Elektronik eines Geräts erzeugt wird, besteht aus thermischem Rauschen (das von der Bewegung von Elektronen und Löchern stammt) sowie Schrotrauschen, das auf die Quantennatur des Stromflusses zurückzuführen ist.

Wie misst man die Rauschzahl?

Es gibt verschie­dene Methoden zur Messung der Rauschzahl. Welche davon im Einzelfall die am besten geeignete ist, hängt von diversen Faktoren ab, die nachfolgend näher beleuchtet werden.

Linearität der Rauschleistung. Die Rauschleistung am Ausgang eines linearen Vierpols ist linear abhängig von der Rauschleistung am Eingang beziehungsweise der Rauschtemperatur der Quelle (Bild 1). Kennt man die Steigung dieser Geraden und einen Referenzpunkt, kann man die Ausgangsleistung Na errechnen, die bei einer rauschfreien Eingangs­leis­tung Na entstehen würde. Aus Na kann man die Rauschzahl oder die effektive Rauschtemperatur am Eingang errechnen.

Rauschquellen. Eine Methode, die Steigung der Rauschgeraden zu errechnen, ist die zweimalige Messung der Ausgangsleistung eines Verstärkers bei zwei unterschiedlichen Eingangspegeln aus einer Rauschquelle. Die Steigung ergibt sich dann aus der Differenz der Ausgangspegel. Rauschquellen basie­ren meist auf speziellen Rauschdioden, die bei einem konstanten Sperrstrom Rauschenergie erzeugen. Präzisionsrauschquellen wie etwa die der Familie SNS von Keysight verfügen am Ausgang über ein Dämpfungsglied zur Verbesserung des Stehwellenverhältnisses und der fehlanpassungsbedingten Mess­unsicher­heit (Bild 2).

Für Rauschzahl­messungen muss der Ausgangsrauschpegel einer Rauschquelle kalibriert sein. Man bezeichnet das als Überschuss-Rausch-Verhältnis (ENR, Excess Noise Ratio). Die entsprechende Kalibrierinformation wird individuell mit jeder Rauschquelle geliefert und ist bei den Rauschquellen der Familie SNS im EEPROM gespeichert. Werden Rauschquellen bei ande­ren Temperaturen als 290 K eingesetzt, müssen die Messungen temperaturkompensiert werden. Die Rauschquellen der Familie SNS verfügen zu diesem Zweck über einen einge­bau­ten Temperatursensor, den die Rauschanalysatoren der Familie NFA von Keysight auslesen können.

Die Y-Faktor-Methode

Bild 2: Die Rauschquellen der Familie SNS enthal¬ten einen Temperatursensor.  Keysight

Bild 2: Die Rauschquellen der Familie SNS enthalten einen Temperatursensor. Keysight

Bei der Y-Faktor-Methode verbindet man die Rauschquelle mit dem Testobjekt und misst dann dessen Ausgangsleistung mit eingeschalteter und mit ausgeschalteter Rauschquelle. Das Verhältnis beider Ausgangsleistungen bezeichnet man als Y-Faktor. Bei dieser Messmethode ist die Genauigkeit der relativen Leistungsmessung entscheidend. Bei modernen Rauschanalysatoren ist der interne Leistungsdetektor hoch linear und kann dadurch Pegeländerungen sehr genau messen.

Anhand des Y-Faktors und des ENR kann man die Steigung der Rauschgeraden des Testobjekts bestimmen (siehe Bild 1). Weil das kalibrierte ENR der Rauschquelle ein Referenz­niveau für das Eingangsrauschen darstellt, kann man daraus eine Gleichung für Na, also das Eigenrauschen des Testobjekts, ableiten. Daraus wiederum ergibt sich ein Ausdruck für den Rauschfaktor des Gesamtsystems Fsys, der das Rauschen aller Teile des Systems angibt.

Ist die Rauschzahl viel höher als das ENR, neigt das Gerät dazu, das Ausgangssignal der Rauschquelle zu maskieren, und der Y-Faktor tendiert in Richtung 1. Weil es schwierig ist, kleine Verhältnisse genau zu messen, wird die Y-Faktor-Methode bei Rauschzahlen, die mehr als 10 dB über dem ENR der Rauschquelle liegen, nicht ange­wandt. Die Gleichung zur Berech­nung des Y-Faktors kann so modifiziert werden, dass sie Abweichun­gen der Kalttemperatur (Tc) der Rauschquelle von der Referenztemperatur (To) 290 K berücksichtigt.

Die Leistungs-Methode mit Signalgenerator

Bei diesem Ansatz misst man die Ausgangsleistung des Testobjekts bei einem Abschluss des Eingangs mit einer Last bei etwa 290 K (Zimmertemperatur). Man schließt danach einen Signal­generator an, der ein Signal innerhalb der Messbandbreite erzeugt. Man stellt die Ausgangsleistung des Signal­generators so ein, dass das Testobjekt gegenüber der ersten Messung einen um 3 dB höheren Ausgangspegel liefert. Wenn man den Ausgangspegel des Signalgenerators und die Mess­band­breite kennt, kann man nun den Rauschfaktor des Testobjekts berechnen.

Dieser Ansatz hat allerdings seine Grenzen. Man muss die Rauschbandbreite des Leistungsmess­geräts kennen, das den Ausgangspegel misst. Möglicherweise braucht man hierzu einen Netzwerkanalysator. Der Ausgangspegel muss mit einem Gerät gemessen werden, das Effek­tivwerte messen kann, denn das Ausgangssignal besteht sowohl aus Rauschen als auch aus einem Dauerstrichsignal. Thermisch arbeitende Leistungs­mess­geräte können zwar sehr genau Effektivwerte messen, aber sie brauchen bei niedrigem Rauschpegel möglicherweise eine große Verstärkung und außerdem ein Filter, das die Bandbreite definiert. Spektrumanalysa­to­ren sind recht empfindlich und haben eine wohldefinierte Bandbreite, aber ihr Empfänger reagiert möglicherweise unterschiedlich auf Rauschen und Dauerstrichsignale.

Direkte Rauschmessung

Bei diesem Messansatz misst man die Ausgangsleistung des Gerätes mit einer Terminierung am Eingang bei einer Temperatur von etwa 290 K. Kennt man die Verstärkung des Geräts und die Rauschbandbreite des Messsystems, kann man so den Rauschfaktor bestimmen. Man muss hierbei die Rauschbandbreite kennen, und das Leistungs­mess­gerät muss möglicherweise sehr empfindlich sein. Anders als bei der Leistungs-Methode muss man die Verstärkung des Testobjekts kennen, und das Leistungs­mess­gerät muss nicht nur Pegelverhältnisse, sondern auch absolute Pegel genau messen können.

Rauschzahlanalysatoren

Ein Rauschzahlanalysator verfügt über einen Empfänger mit einem hoch­ genauen Leistungsdetektor und eine Schaltung, die die Rauschquelle mit Strom versorgt. Das ENR der Rausch­quelle wird in den Emp­fän­ger eingegeben. Der Analy­sator zeigt die Rauschzahl für die Frequenz an, auf die er eingestellt wurde. Er errechnet Rauschzahlen nach der Y-Faktor-Methode und zeigt den Verlauf von Rauschzahl und Verstärkung über der Frequenz. Die Messkurve kann mithilfe von Markern vermessen werden, und es können Grenzwertlinien eingeblendet werden.

Bild 3: Ein Rauschzahlanalysator der Familie NFA.

Bild 3: Ein Rauschzahlanalysator der Familie NFA. Keysight

Signal-/Spektrumanalysatoren

Signal- oder Spektrumanalysatoren kann man mit Zusatzsoftware und einem Controller aufrüsten. Dann kann man damit Rauschzahlen nach den oben skizzierten Methoden messen. Die Rauschzahl-Messapplikation für die Signalanalysatoren der X-Serie ermög­licht Rauschzahl- und Verstärkungs­messungen, die den entsprechenden Messungen der Rauschzahl­analysatoren der Familie NFA sehr ähnlich sind (Bild 3). Signal- oder Spektrumanalysatoren haben aber selbst mit internen Vorverstärkern eine höhere Rauschzahl als ein dedizierter Rauschzahlanalysator. Will man das Rauschen von Geräten mit sehr niedriger Verstärkung messen, ist es besser einen dedizierten Rauschzahlanalysator einzusetzen oder einen zusätzlichen rauscharmen Vorverstärker.

Netzwerkanalysatoren

Netzwerkanalysatoren werden in der Branche als Multifunktionsinstrumente eingesetzt. Einige dieser Geräte bieten auch Rauschzahl-Messfunktionen. Üblicherweise kann man mit ihnen die Verstärkung und die Impedanzanpassung (Rück­fluss­dämpfung) messen. Einige dieser Geräte stoßen aber bei der Rauschzahlmessung an Grenzen. Wenn sie Zwei-Seitenband-Empfän­ger verwen­den, misst man die Rauschzahl in zwei Frequenzbereichen und kompensiert die Messwerte hinterher. Dieses Verfahren funktioniert bei kleinen Bandbreiten recht gut, bei großen aber erzeugt es Messfehler. Mit herkömmlichen Rauschzahlanalysatoren, wie etwa Spektrumanaly­satoren, kann man zusätzliche Elemente, die außer dem Testobjekt in der Messkette vorhan­den sind, etwa Leitungen und Adapter, nicht heraus rechnen. Ein Rauschzahlanalysator verfügt zwar über Kompensationsmechanismen, diese sind aber skalar. Dieses Defizit verringert die Messgenauigkeit. Netzwerkanalysatoren hingegen sind vektoriell kalibrierbar und ermög­lichen dadurch eine sehr genaue Kompensation. S-Para­meter-Messverfahren mit Impedanzkorrektur ermöglichen einen Messaufbau, mit dem man die Rauschcharakteristik eines Geräts messen und dabei systematische Messfehler, die durch den Messaufbau selbst entstanden sind, heraus rechnen kann.

Messplatz für Rauschparameter

Ein Messplatz für Rauschparameter besteht üblicherweise aus einem Vektornetzwerkanalysator und einem Rauschanalysator zusammen mit einer Software, die Serienmessungen ermöglicht. Damit kann der Anwender dann die Rauschparameter eines Geräts ermitteln. Eine Rauschquelle ist mit dem Messplatz verbunden und ermög­licht Rauschzahlmessungen bei verschiedenen Quellenimpedanzen. Das Testset besitzt einen Tuner, der verschiedene Quellimpedanzen für das Messobjekt anbietet. Aus diesen Daten kann man die vollständigen Rauschparameter des Gerätes, einschließlich der minimalen Rauschzahl, der optimalen Quellenimpedanz sowie der Auswirkung der Quellenimpedanz auf die Rauschzahl errechnen. Ein ähnlicher Ansatz kann angewendet werden, um die Verstärkungs­parameter zu bestimmen. Die Parameter, die aus dieser Art Messaufbau abgeleitet werden, sind sehr wichtig, und zwar speziell während der Ent­wick­lungsphase von Kom­po­nenten.

Leistungsmessgeräte und Effektivwert-Voltmeter

Man kann Leistungsmessgeräte und Effektivwertvoltmeter einsetzen, um Rauschzahlen mit den oben beschriebenen Methoden zu messen. Weil dies breitbandige Geräte sind, muss man ihre Bandbreite mithilfe eines passenden Filters auf einen kleineren Wert begrenzen als die Bandbreite des Testobjekts. Solche Filter sind normalerweise auf eine feste Frequenz eingestellt, sie erlauben eine Messung nur bei dieser Frequenz. Am häufigsten verwendet man Leistungsmessgeräte bei der Messung von Rauschzahlen von Empfängern, die eine große Verstärkung und eine feste Zwischenfrequenz aufweisen.