Phase Noise Measurement: Warum Ihr Signal das „Zittern“ bekommt (und wie man es behebt)

Sie kennen das Gefühl, wenn Sie versuchen, bei wenig Licht ein Foto zu machen, und egal wie ruhig Sie Ihre Hand halten, die Bilder werden einfach… unscharf? Ein wenig verschwommen?

Das ist im Grunde Phase Noise (Phasenrauschen). Dies gilt auch für HF-Signale.

Wenn Sie im Labor arbeiten oder eine Produktionslinie für Hochfrequenzkomponenten leiten, wissen Sie bereits, dass eine „perfekte“ Sinuswelle eine Lüge ist, die Physikstudenten erzählt wird. In der realen Welt hat jedes Signal diese geisterhaften, unerwünschten Schwankungen in der Phase, die die Frequenz verschmieren. Das ist Phase Noise – oder „Jitter“, wenn Sie es im Zeitbereich betrachten.

Und seien wir ehrlich – es ist lästig. Besonders heute.

Da 5G die Datenraten in die Höhe treibt und Radarsysteme immer kleinere Objekte in größerer Entfernung sehen müssen, ist diese „Unschärfe“ nicht nur nervig; sie ist ein K.O.-Kriterium. Wenn Ihr Phase Noise Ratio schlecht ist, steigt Ihre Bitfehlerrate, Ihre Radarauflösung sinkt, und plötzlich verhält sich dieses teure System wie ein billiges Walkie-Talkie.

Wie messen wir das also in der Praxis, und welches leistungsstarke Testequipment von Rohde & Schwarz oder Keysight macht das möglich?

Die „schnelle Nummer“ vs. der „Goldstandard“

Historisch gesehen war die Messung von Phase Noise… nun ja, sagen wir einfach: ein Prozess.

Es gibt die “Direct Spectrum Method”. Sie schließen Ihren Prüfling (Device Under Test, DUT) an einen Spektrumanalysator an und schauen sich die Rauschseitenbänder an. Das geht schnell. Es ist einfach. Aber hier ist der Haken: Wenn Ihr Analysator mehr rauscht als Ihr DUT (was bei High-End-Oszillatoren oft passiert), messen Sie nicht das Gerät – Sie messen Ihr eigenes Testequipment. Nicht hilfreich.

Dann gibt es die Phase Detector Method. Diese vergleicht Ihr Signal mit einer Referenz. Besser, aber komplex.

Aber die wahre Magie? Cross-Correlation (Kreuzkorrelation).

Stellen Sie sich vor, Sie machen zwei unscharfe Fotos desselben Objekts und legen sie übereinander, um herauszufinden, was tatsächlich da ist. Durch die Verwendung von zwei unabhängigen internen Referenzquellen und die Korrelation des Ausgangs mittelt sich das unkorrelierte Rauschen des Instruments selbst heraus.

Das Ergebnis? Sie können Signale messen, die tatsächlich sauberer sind als der Analysator, den Sie verwenden. Früher brauchte man dafür ein Rack voller Geräte und einen Doktortitel für das Setup. Heute? Meistens nur ein Knopfdruck.

Apropos Knöpfe, schauen wir uns die Geräte an, die das können.

Die Schwergewichte: Rohde & Schwarz FSWP und FSPN

Wenn Sie die absolut beste Empfindlichkeit benötigen – so nach dem Motto „ein Flüstern im Orkan sehen“ – schauen Sie sich wahrscheinlich die R&S FSWP-Serie an.

Wir haben den R&S FSWP26 und FSWP50 auf Lager (decken bis zu 26,5 GHz bzw. 50 GHz ab). Das Coole daran ist, dass dies nicht nur Phase Noise Analyzer sind. Es sind auch vollwertige High-End Signal- und Spektrumanalysatoren.

• Warum Sie ihn wollen: Er nutzt diese Cross-Correlation-Magie, über die wir gesprochen haben, um die Empfindlichkeit auf -174 dBc/Hz (bei 1 GHz, 10 kHz Offset) zu senken.
• Das Killer-Feature: Er ist schnell. Wirklich schnell. Für die meisten Aufgaben benötigt er keine externen Referenzquellen, weil die internen so gut sind. Außerdem kann er Amplitudenrauschen und Phase Noise gleichzeitig messen.
• Gepulste Signale? Kein Problem. Er kann gepulste Radarquellen auf Knopfdruck charakterisieren, was früher ein Albtraum aus komplexen Testaufbauten war.

Aber vielleicht brauchen Sie den Spektrumanalysator-Teil gar nicht. Vielleicht müssen Sie in der Produktion einfach nur VCO-Tests durchhämmern.

Hier kommt die R&S FSPN-Serie ins Spiel (wir haben den FSPN8, FSPN26 und FSPN50).Das ist ein reiner Phase Noise Analyzer und VCO-Tester. Er tauscht die allgemeine Spektrumanalyse gegen Geschwindigkeit und fokussierte VCO-Charakterisierung.

Er hat extrem rauscharme DC-Quellen eingebaut, um die Abstimmspannung (Tuning Voltage) Ihres VCOs zu sweepen, während er misst. Er ist als Arbeitspferd für Produktionsumgebungen konzipiert, in denen jede Sekunde Testzeit Geld kostet.

Die Legenden: Keysight E5052B und der neue SSA-X

Wir können nicht über Phase Noise sprechen, ohne den Hut vor dem Keysight E5052B zu ziehen. Jahrelang war dies der Standard-Signalquellenanalysator (SSA), den man auf jedem Prüfplatz sah. Er ist zuverlässig, genau, und Ingenieure überall wissen, wie man ihn bedient.

Aber die Zeit bleibt nicht stehen.

Wenn Sie nach der nächsten Generation suchen, schauen Sie sich die Keysight SSA-X-Serie an, die vom 8 GHz E5055A bis hin zum 54 GHz E5058A reicht. Sie baut auf diesem Erbe auf, fügt aber moderne Akzente hinzu – bessere Empfindlichkeit, schnellere Messungen und einen größeren Frequenzbereich in einer einzigen Box.

Es ist eine All-in-One-Lösung, die einfach funktioniert.Und für diejenigen unter Ihnen, die Flexibilität benötigen, gibt es den Keysight N9010B EXA, auf dem die N9068EM0E Phase Noise Applikation läuft. Er ist in erster Linie ein Allzweck-Signalanalysator, aber mit der App wird er zu einem fähigen Phase Noise Tester. Es ist eine großartige „Schweizer Taschenmesser“-Option, wenn Sie nicht die extreme Empfindlichkeit einer dedizierten Cross-Correlation-Box benötigen.

Also, welchen brauchen Sie?

Es kommt wirklich darauf an, was Sie sehen wollen.

• Bauen Sie High-End-Radar oder Satelliten? Sie brauchen wahrscheinlich die Cross-Correlation-Power des R&S FSWP oder FSPN, um bis auf den thermischen Boden zu sehen.
• VCOs am laufenden Band testen? Der R&S FSPN oder Keysight E5052B sind Ihre besten Freunde.
• Allgemeine Fehlersuche? Der Keysight N9010B könnte alles sein, was Sie brauchen.

Aber hier ist das Problem – diese Geräte sind teuer. Und die Technologie bewegt sich schnell. Wenn Sie sie nicht rund um die Uhr nutzen, tut der direkte Kauf dem Budget vielleicht mehr weh, als das Phasenrauschen Ihrem Signal.

Da kommen wir ins Spiel. Bei RentalTec halten wir diese Geräte kalibriert und versandbereit zu Ihrer Verfügung. Sie können den FSWP50 für dieses eine kritische Projekt mieten oder einen E5055A leasen, während Sie eine neue Linie hochfahren.

Schluss mit dem Rätselraten über Ihre Signalqualität. Geben Sie uns Bescheid, und lassen Sie uns das Rauschen beseitigen. Kontaktieren Sie uns heute und fangen morgen an….