Worauf es bei der Signalgenerator-Wahl ankommt

Signalgeneratoren oder -quellen liefern präzise, hochstabile und anpassbare Testsignale für eine Vielzahl von Komponenten und Subsystemen, die reale Szenarien nachbilden. Die Ausgangssignale können von einer einfachen kontinuierlichen Welle bis hin zu komplexeren modulierten digitalen Signalen reichen. Signalgeneratoren sind ein wesentliches Hilfsmittel bei der Produktentwicklung, da sie es ermöglichen, Signalstörungen zu nutzen, um ein Produkt unter verschiedenen Bedingungen innerhalb und außerhalb der Grenzen des Designs zu testen.

Das sind die Eigenschaften eines Signalgenerators

Signalgeneratoren können anhand ihres Formfaktors und ihrer Leistungsmerkmale klassifiziert werden. Der häufigste Formfaktor von Signalgeneratoren ist das Tischgerät. Diese Messgeräte stehen in der Regel auf einer Werkbank oder in einem Rack. Sie haben eine einzige Funktion und können nicht erweitert werden.

PXI-Express-Signalgeneratoren ((PXIe) mit modularem Formfaktor sind kompakte Messgeräte, die in einem PXIe-Chassis untergebracht sind und über einen PC gesteuert werden. Mehrere PXIe-Signalgeneratoren befinden sich in einem einzigen Chassis, wodurch sie sich für Anwendungen eignen, die mehrkanalige Messungen und einen kompakten Platzbedarf erfordern. PXIe-Quellen sind mit einer Mischung aus Analog- und Vektor-Signalgeneratoren konfigurierbar. Fügt der Messtechniker einen Vektoranalysator zum Chassis hinzu, können die PXIe-Quellen auch die Flexibilität von mehreren Ein- und Ausgängen ermöglichen.

Wie unterscheiden sich analoge und vektorielle Signalgeneratoren?

Analoge Signalgeneratoren liefern sinusförmige Dauerstrichsignale (CW) mit der Option, AM-, FM-, Phasen- und Pulsmodulation hinzuzufügen. Vektor-Signalgeneratoren (VSG) ermöglichen komplexe digitale Modulationsverfahren wie Quadratur-Phasenumtastung (QPSK) und 1024-Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM). Es gibt auch agile, geschwindigkeitsoptimierte Signalgeneratoren, die die Frequenz, Amplitude und Phase des Signals schnell ändern können. Schließlich kombinieren Vektor-Signal-Transceiver (VST) einen Vektor-Signalgenerator mit einem Vektor-Signalanalysator und bieten so die Möglichkeit, mit einem einzigen Messgerät ein Signal zu erzeugen und einen Prüfling zu analysieren.

Nur für Vektor-Signalgeneratoren sind die Optionen für den Playback-Modus relevant. Die beiden Optionen für die Signalerzeugung sind Arbiträrsignale und Echtzeitsignale. Beide ermöglichen das Testen und Validieren, aber die Wahl hängt von der Anwendung und dem Verwendungszweck ab. Arbiträrsignale sind kürzere Samples oder vordefinierte Signale, die in einem Signalgenerator gespeichert sind. Das bedeutet, dass ein Signalgenerator über genügend Speicherplatz für das Sample verfügen muss. Ein Echtzeit-Signalgenerator erzeugt die Signale für die Prüfung mit Hilfe von Software. Dank dieser Funktion muss der Signalgenerator keinen internen Speicher für die Speicherung von Signalen haben.

Ein Beispiel für einen Playback-Modus ist die Prüfung eines GNSS-Empfängers (Global Navigation Satellite System). Ein GPS-Almanach ist eine Voraussetzung, um den Prozess der Satellitenortung zu starten. Diesen Almanach in einem Signalgenerator zu speichern würde eine beträchtliche Menge an Speicherplatz erfordern – ein Echtzeitgenerator wäre die geeignete Wahl. Für den Test eines lokalen Oszillators (LO) ist hingegen kein Signal erforderlich, das über einen längeren Zeitraum hinweg erzeugt wird.

Ein Signalgenerator kann nicht alle Anforderungen gleichzeitig erfüllen - zusätzliches Zubehör kann die Lücken im Funktionsumfang schließen. Für bestimmte Testanforderungen erweitern Frequenz-Extender den Bereich eines Signalgenerators über das hinaus, was der Signalgenerator von sich aus erzeugen kann. Es gibt auch digitale Signalschnittstellenmodule, die dem Anwender Zugang zu den digitalen Ein- und Ausgängen der Quelle geben.

Welche Rolle spielt die Amplitudengenauigkeit?

Die Amplitudengenauigkeit eines Signalgenerators, die Frequenzgenauigkeit, die spektrale Reinheit und die EVM-Messung (Error Vector Magnitude) sind wichtige Fehlerquellen. Viele Faktoren bestimmen die Genauigkeit und Präzision des Signalgenerators, und es ist wichtig zu wissen, wo Fehlern auftreten.

Die Amplitudengenauigkeit beschreibt, wie nahe der Ausgang des Signalgenerators an der eingestellten gewünschten Amplitude liegt. Nehmen wir das Beispiel der Frequenzabtastung, um Filtern und Leistungsverstärker zu prüfen. Die Wahl eines Signalgenerators mit einer engeren Amplitudenfrequenzspezifikation sorgt für eine gleichmäßigere Ausgabe über einen Frequenzbereich. Bild 1 veranschaulicht die Flachheit eines Signalgenerators bei der Bestimmung der Amplitudengenauigkeit über eine Gruppe von Frequenzen.

Ein weiterer Faktor, der die Amplitudengenauigkeit beeinflusst, ist die Temperatur. Die Charakterisierung durch einen bestimmten Frequenz- und Temperaturbereich bestimmt die Genauigkeit eines Geräts. Temperaturen außerhalb dieses Bereichs verringern die Genauigkeit. Wenn die Umgebungstemperatur des Signalgenerators außerhalb des festgelegten Bereichs liegt, muss der Anwender unbedingt prüfen, ob der Temperaturunterschied die Amplitudengenauigkeit beeinträchtigt. Bild 2 ist ein Beispiel für die Temperaturspezifikationen eines Signalgenerators.

Zwei Schlüsselfaktoren, um die Genauigkeit der Frequenzerzeugung zu verstehen, sind die Stabilität des Referenzoszillators und die Zeit zwischen den Kalibrierungen der Quelle. Die Zeit zwischen den Kalibrierungen wird auch als Alterungseffekt oder -rate bezeichnet. Die Frequenzgenauigkeit ist für HF-Anwendungen von entscheidender Bedeutung, vor allem dort, wo die Daten in den Bändern näher beieinander liegen. Bei der kabellosen Kommunikation ist es zum Beispiel wichtig zu wissen, wie gut ein Empfänger ein Signal verarbeiten kann, während er das Signal eines Nachbarkanals zurückweist. Eine schlechte Frequenzgenauigkeit führt dazu, dass die Signale zu nah oder zu weit auseinander liegen und eine irreführende Aussage über die Leistung des Prüflings machen.

Die Alterungsrate gibt an, wie schnell die Referenz nach der Kalibrierung von ihrem angegebenen Wert abweicht. Die Rate wird in der Maßeinheit ppm (parts-per-million) angegeben. Ein Oszillator ist eine Hauptkomponente, bei der die Alterung ins Spiel kommt. Die physikalischen Eigenschaften eines Quarzkristalls in einem Oszillator verändern sich im Laufe der Zeit allmählich, was zu einer Frequenzabweichung führt. Die Alterung eines Quarzes ist fortlaufend und erfordert, dass ein Signalgenerator einen Kalibrierungs-Wartungsplan einhält.

Warum ist die spektrale Reinheit wichtig?

Ein idealer Signalgenerator erzeugt eine sinusförmige Welle mit einer einzigen Frequenz, ohne dass Rauschen vorhanden ist. In der Realität weist jeder Signalgenerator unerwünschte Amplituden- und Phasenstörungen auf, die dem Signal hinzugefügt werden. Das liegt an den nicht idealen Komponenten, die zur Erzeugung der Signale dienen. Eine visuelle Darstellung der Komponenten eines Signals ist in Bild 3 zu sehen. Bei der Charakterisierung der spektralen Reinheit werden Oberschwingungen, Unterschwingungen, Ausschläge und Phasenrauschen bewertet.

Unabhängig von der Signalstabilität ist es wichtig, einen Signalgenerator zu wählen, dessen spektrale Genauigkeit besser ist als die des Prüflings. Denn sonst würde statt des Prüflings die Leistungsfähigkeit des Signalgenerators gemessen. In Datenblättern ist die spektrale Reinheit häufig als SSB-Phasenrauschen (Single-Sideband) angegeben.

Um die Merkmale der spektralen Reinheit zu verstehen, ist es hilfreich, einige Punkte zu wissen:

• Das Phasenrauschen ist eine Ansicht des Rauschspektrums um das Oszillatorsignal im Frequenzbereich. Es beschreibt die Frequenzstabilität eines Oszillators.

• Oberschwingungen sind ganzzahlige Vielfache der sinusförmigen Grundfrequenz des Ausgangssignals. Nichtlineare Eigenschaften der Komponenten im Signalgenerator verursachen Oberschwingungen.
• Spurs (Nebensignale) sind nicht-zufällige oder deterministische Signale, die durch Mischen und Teilen von Signalen entstehen, um die Trägerfrequenz zu erhalten. Diese Signale können sowohl harmonisch als auch nicht-harmonisch mit dem Träger zusammenhängen.
• Breitbandiges Grundrauschen ist das zusätzliche unerwünschte Rauschen, das durch die nicht idealen Komponenten eines Signalgenerators erzeugt wird. Die Größe des Grundrauschens kann über die Frequenzen hinweg variieren.
• CW (Continuous Wave) ist die gewünschte Frequenz, die für eine bestimmte Amplitude eingestellt ist. Der Anwender wählt und ändert die CW nach Bedarf.

Was ist der EVM-Fehler und wie wirkt er sich aus?

Bild 4 zeigt die EVM-Differenz (Error Vector Magnitude) zwischen dem idealen Referenzsignal und dem gemessenen Signal zu einem bestimmten Zeitpunkt. Dieses Ergebnis definiert die Leistungsfähigkeit eines digitalen Senders oder Empfängers. Signalgeneratoren mit geringeren EVM-Anteilen ermöglichen es Anwendern, Systeme zu designen und zu testen, die eine höhere Datenkapazität und einen besseren Wirkungsgrad bei gleichzeitiger Erhöhung der Breitbandsignalleistung erreichen.

Verzerrung ist eine Veränderung der ursprünglichen Signalform. Es gibt zwei Hauptarten nichtlinearer Verzerrungen bei Signalgeneratoren: harmonische Verzerrungen und Intermodulationsverzerrungen. Harmonische Verzerrungen treten auf, wenn eine gleichmäßige Spannungsänderung einer reinen Sinuswelle durch eine abrupte Spannungsänderung unterbrochen wird. Intermodulationsverzerrung ist ein unerwünschtes Ausgangssignal, das beim Mischen von zwei oder mehr Signalen mit unterschiedlichen Frequenzen entsteht.

Die Spektralverbreiterung ist die Verzerrung, die durch Amplituden- und Phasenverschiebungen in digitalen Modulationen entsteht. Spektralverbreiterung breitet sich außerhalb des Hauptkanals aus, und ACPR-Messungen (adjacent channel power ratio) untersuchen diese Charakteristik. Ähnlich wie bei der spektralen Reinheit ist es wichtig, einen Signalgenerator mit einer hohen Verzerrungsmessspanne zu wählen, damit er die Leistung des Prüflings nicht verdeckt. Diese Art von digitaler Verzerrung zu kennen, wird immer wichtiger, da Wireless-Standards einen höheren Datendurchsatz erfordern.

Fazit

Das Verständnis der grundlegenden Fehlerquellen von Signalgeneratoren vereinfacht die Auswahl des richtigen Messgeräts für jedes Testprojekt. Bei der Auswahl des geeigneten Signalgenerators müssen Messtechniker die Umgebungstemperatur berücksichtigen, in der die Quelle während der Prüfung betrieben wird. Dadurch werden die Genauigkeitsangaben der Datenblätter aussagekräftiger. Außerdem sollte er einen Plan erstellen, wie oft die einzelne Quelle neu kalibriert werden soll. Eine konsequente Kalibrierung ist der beste Weg, um den Alterungseffekt zu verringern. Schließlich sollte das Ausmaß des EVM-Fehlers und der Leistungsverzerrung, die die Signalquelle natürlicherweise erzeugt, bewertet werden, um zu vermeiden, dass nur die Leistung des Messgeräts gemessen wird. Die kollektive Betrachtung von Fehlerquellen hilft bei der Auswahl eines Signalgenerators mit der größten Signalreinheit für eine Aufgabe. (bs)