Messfehler bei der Messung von Oberwellen

[Bernd (Gast)]

Hallo,

beim Messen von Oberwellen mit dem Spektrumanalyzer habe ich das 
Problem, dass das Nutzsignal außerhalb meines Anzeigebereichs Messfehler 
produziert.
Dies lässt sich dadurch zeigen, dass die gemessenen Oberwellen deutlich 
zurückgehen wenn das Eingangssignal zum Spekki gedämpft wird. Wird mit 
10dB gedämpft nehmen die gemessenen Harmonischen um >30dB ab.

Wie nennt sich das Verhalten und welche Angaben des Spektrumanalyzers 
werden gebraucht um das Verhalten rechnerisch zu belegen?

Im Handbuch des Agilent 9010A [0] findet sich bei der Angabe des 1 dB 
Gain Compression Point (Two-tone) der Hinweis:
Large signals, even at frequencies not shown on the screen, can cause 
the analyzer to incorrectly measure  on-screen signals because of 
two-tone gain compression. This specification tells how large an 
interfering signal must be in order to cause a 1 dB change in an 
on-screen signal.

Bedeutet dies, dass ich meiner Messung vertrauen kann solange das Signal 
am Mischer die angegebenen 9 dBm nicht überschreitet?

Grüße
Bernd

[0] 
https://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/N9010-90025.pdf?id=1211144&cc=DE&lc=ger

[HST (Gast)]

Hallo Bernd,

Die 1db Kompression erzeugt schon ganz erhebliche Harmonische des 
Signals.

Der zuverlässigste Indikator für ausreichende Linearität ist die 
Anwendung des Attenuators, wie du das ja schon gemacht hast (also delta 
10db am Attenuator = delta 10db der Harmonischen).

Als Faustregel (hängt vom Analysator ab) gilt ein maximales Signal am 
Mischer von -20 bis -40dBm für eine verzerrungsfreie Anzeige. Bei +9dBm 
solltest du mindestens 30-40db am Abschwächer einstellen.

Bei den S/A gibt es meistens eine Spezifikation für den Maximalpegel am 
Mischer für Intermodulation < Rauschteppich des S/A. Dann sind auch die 
angezeigten Harmonischen "echt".

Oder es wird der verzerrungsfreie Dynamikbereich angegeben. Der ist 
neben dem zulässigen Eingangspegel von der Auflösungsbandbreite (RBW) 
definiert --> Rauschteppich. Alternativ kann man diesen Dynamikbereich 
auch über den IP3 (wie im 9010A-Datenblatt definiert) errechnen.

Anbei noch Dynamik-Diagramme aus dem 9010A-Datenblatt (Achtung: RBW=1Hz, 
also Rauschteppich extrem niedrig. Bei z.B. RBW=10kHz ist der um 40db 
höher)

MfG,  Horst

[HF-Werkler (Gast)]

Bernd schrieb:
> beim Messen von Oberwellen mit dem Spektrumanalyzer habe ich das
> Problem, dass das Nutzsignal außerhalb meines Anzeigebereichs Messfehler
> produziert.
Daher nutzt man bei diesen Messungen entweder ein Notch-Filter auf dem 
Nutzsignal oder (sofern passend) Hochpassfilter.

Ich nehm da gerne mal die fertigen Hochpassfilter von Mini-Circuits 
(meist zwei in Serie), aber auch Cavity-Notches.

Alternativ könnte man einen Spectrumanalyzer mit mitlaufendem 
Preselector nutzen (sind dann eher EMV-Messgeräte).

> Wie nennt sich das Verhalten und welche Angaben des Spektrumanalyzers
> werden gebraucht um das Verhalten rechnerisch zu belegen?
Überschreitung des linearen Dynamikbereichs des Spectrumanalyzers. 
Manchmal findet man das z.B. als SFDR - Spurious free dynamic range.

[Ralph B. (rberres)]

Es ist vollkommen normal das der IM3-Abstand zum Cariiersignal um 20 db 
schlechter wird, wenn der Pegel  um 10db erhöht wehöht wird.

Der optimale Pegel direkt am ersten Mischer, bei der der IM3 Abstand 
80db beträgt ist meist -30dbm. Den sollte man nicht überschreiten.

Ralph Berres

[Bernd (Gast)]

Vielen Dank für eure Rückmeldungen.
HST schrieb:
> Als Faustregel (hängt vom Analysator ab) gilt ein maximales Signal am
> Mischer von -20 bis -40dBm für eine verzerrungsfreie Anzeige. Bei +9dBm
> solltest du mindestens 30-40db am Abschwächer einstellen.
Ralph B. schrieb:
> Der optimale Pegel direkt am ersten Mischer, bei der der IM3 Abstand
> 80db beträgt ist meist -30dbm. Den sollte man nicht überschreiten.
Oh, das erklärt zumindest warum das Problem bei mir auftritt. Bisher war 
der Mischerpegel ehr im Bereich -10dBm. Morgen kann ich weitere 
Messungen machen...

HST schrieb:
> Bei den S/A gibt es meistens eine Spezifikation für den Maximalpegel am
> Mischer für Intermodulation < Rauschteppich des S/A. Dann sind auch die
> angezeigten Harmonischen "echt".
>
> Oder es wird der verzerrungsfreie Dynamikbereich angegeben. Der ist
> neben dem zulässigen Eingangspegel von der Auflösungsbandbreite (RBW)
> definiert --> Rauschteppich. Alternativ kann man diesen Dynamikbereich
> auch über den IP3 (wie im 9010A-Datenblatt definiert) errechnen.
HF-Werkler schrieb:
> Überschreitung des linearen Dynamikbereichs des Spectrumanalyzers.
> Manchmal findet man das z.B. als SFDR - Spurious free dynamic range.
Da muss ich mich wohl noch genauer einlesen. Mit den passenden Begriffen 
findet sich zumindest viel mehr passendes Informationsmaterial.

HST schrieb:
> Anbei noch Dynamik-Diagramme aus dem 9010A-Datenblatt (Achtung: RBW=1Hz,
> also Rauschteppich extrem niedrig. Bei z.B. RBW=10kHz ist der um 40db
> höher)
Das bedeutet, der maximale Dynamikumfang erreicht man beim Schnittpunkt 
der Rauschgrenze (DANL) und IP3 und dort sollte ich auch meine Messungen 
machen?
Beim oberen Diagramm mit 1Hz RBW wären das ca. -40dBm Mischerpegel und 
etwas über 110dB Dynamik.
Verschiebt man die Rauschgrenze um 40dB für 10kHz RBW landet man bei ca. 
-25dBm Mischerpegel und 90 dB Dynamik.
Passt das ungefähr?

[Ralph B. (rberres)]

was ist denn das für ein Spektrumanalyzer?

Bei 10KHz Bandbreite wäre das Grundrauschen bei ca -105dbm

Bei -30dbm Mischerpegel wäre das ein Dynamikbereich von 75 dB

Bei -25dbm Mischerpegel wären es 80db Dynamikumfang. Wie kommst du auf 
90db?

Und bei -25dbm Mischerpegel hast du mit Sicherheit keinen IM3 Abstand 
von 80db mehr. Eher 70db

Ralph Berres

[Ralph B. (rberres)]

HF-Werkler schrieb:
> Daher nutzt man bei diesen Messungen entweder ein Notch-Filter auf dem
> Nutzsignal oder (sofern passend) Hochpassfilter.

Macht in der Regel überhaupt kein Sinn. Es sei denn du kennst die 
Filterdämpfung sehr genau.

HF-Werkler schrieb:
> Alternativ könnte man einen Spectrumanalyzer mit mitlaufendem
> Preselector nutzen (sind dann eher EMV-Messgeräte).

Das ist aber kein Notchfilter sondern genau das Gegenteil.

Aber in EMV Messempfängern werden im Basisbandbereich aber auch keine 
Mitlauffilter eingesetzt, ( Filter mit einen Durchstimmbereich von 
mehreren Dekaden gibt es nämlich keine ) sondern mehrere ca 1 Oktave 
breite Filter die umgeschaltet werden.

Ralph Berres

[Bernd (Gast)]

Ralph B. schrieb:
> was ist denn das für ein Spektrumanalyzer?
Agilent 9010A, allerdings gelten solche Grundlagen ja prinzipiell für 
nahezu alle Spektrumanalysatoren.

Ralph B. schrieb:
> Bei 10KHz Bandbreite wäre das Grundrauschen bei ca -105dbm
Bei einem Referenzpegel von ≤ 0dBm wird intern das 10dB Dämpfungsglied 
geschaltet (= -10dBm Mischerpegel), das Rauschen liegt bei -90dBm Peak 
und -100dBm Average. Passt soweit :)

Ralph B. schrieb:
> Bei -30dbm Mischerpegel wäre das ein Dynamikbereich von 75 dB
> Bei -25dbm Mischerpegel wären es 80db Dynamikumfang. Wie kommst du auf
> 90db?
Stimmt, da hatte ich die Gerade falsch eingezeichnet. Wie ich auf die 
Werte komme habe ich mal dargestellt (in blau) und komme auf etwas über 
80dB Dynamik bei -25dBm Mischerpegel. Oder Limitiert hier auch die 2nd 
Harmonic Distortion und die Werte in orange (75dB Dynamik bei -33dBm 
Mischerpegel) gelten?

> Und bei -25dbm Mischerpegel hast du mit Sicherheit keinen IM3 Abstand
> von 80db mehr. Eher 70db
Da wäre wieder die Frage, wie ich das anhand der Angaben im 
Handbuch/Datenblatt herausfinden kann damit die Messfehler vornherein 
schon vermieden werden können.

[Ralph B. (rberres)]

Es kann sein das die modernen Spektrumanalyzer ab einer bestimmten 
Preisklasse besser sind als die älteren Spektrumanalyzer, was der 
intermodulationsfreien Dynamikbereich betrifft.

Aber zumindest die Geräte welche nach dem Superhetprinzip aufgebaut sind 
und den ersten doppel balangierten Ringmischer mit +13dbm 
Oszillatorpegel betreiben, liegt der IM3 Abstand bei etwa 80db bezogen 
auf einen Eingangspegel am Mischer von -30dbm.

Das ist glaube ich auch bei den aktuellen Geräten noch genauso.

Ralph Berres

[HST (Gast)]

Ralph B. schrieb:
> Es ist vollkommen normal das der IM3-Abstand zum Cariiersignal um 20 db
> schlechter wird, wenn der Pegel  um 10db erhöht wehöht wird.

Stimmt natürlich - aber:
hier ging es in der Frage meinem Verständnis nach um die Messung der 
Oberwellen eine Einzelsignals, deren Abstand von der 
Grundwellenamplitude konstant ist. Daher d10db Att --> d10db 
Harmonischen-Amplitude = linearer Betrieb.

Ein weiterer Anhaltspunkt kann auch zur Abschätzung verwendet werden:
Man kann den Dynamikbereich auch über den IP3 und das Eigenrauschen 
(entspricht dem MDS) errechnen. In den 9010A-Specs wird der IP3 mit 
+18dBm angegeben:
"TOI @1 GHz (3rd Order Intercept) +18 dBm"

Die Gleichung sieht so aus:
DynB[db] = 2/3 * (IP3[dbm] - MDS[dbm])
(wobei MDS von der RBW abhängt)

Bei einem Rauschpegel (MDS) von z.B. -105dBm ergäbe sich ein 
Dynamikbereich von
2/3 * (18+105) = 82dB
D.H., der maximale Eingangspegel sollte dann -23dBm nicht überschreiten.

---> Das Ding ist kein schlechter S/A, Gratulation ;-))

MfG Horst

[Michael U. (amiga)]

uups.. gerade den Threadtitel als
Messfehler bei der Messung von Oberweiten
gelesen...

[HF-Werkler (Gast)]

Ralph B. schrieb:
> HF-Werkler schrieb:
>> Daher nutzt man bei diesen Messungen entweder ein Notch-Filter auf dem
>> Nutzsignal oder (sofern passend) Hochpassfilter.
>
> Macht in der Regel überhaupt kein Sinn. Es sei denn du kennst die
> Filterdämpfung sehr genau.

Wie kommst du darauf, dass es bei der Messung von Oberwellen keinen Sinn 
machen würde, das "Nutzsignal" auszublenden, damit der Dynamikbereich 
nicht überschritten wird?

Weshalb sollte man Filterdämpfungen nicht "genau" kennen? Es gibt 
Datenblätter und auch Messmöglichkeiten hierfür (NWA, Siggnalgenerator+ 
Spekki).

> HF-Werkler schrieb:
>> Alternativ könnte man einen Spectrumanalyzer mit mitlaufendem
>> Preselector nutzen (sind dann eher EMV-Messgeräte).
>
> Das ist aber kein Notchfilter sondern genau das Gegenteil.
>
> Aber in EMV Messempfängern werden im Basisbandbereich aber auch keine
> Mitlauffilter eingesetzt, ( Filter mit einen Durchstimmbereich von
> mehreren Dekaden gibt es nämlich keine ) sondern mehrere ca 1 Oktave
> breite Filter die umgeschaltet werden.
Ja klar, werden die Filter umgeschaltet, denn filtern hilft das ev. zu 
starke Nutzsignal ausserhalb des genutzten Messbereichs auszublenden.

Schau dir mal das Datenblatt des R&S ESR an, der hat diese 
Filtermöglichkeiten. Der ist im Prinzip ein Spekki mit vorgeschalteter 
Filterbank. Bei höheren Frequenzen hat er ein YIG-Filter, das 
mitabgestimmt wird (mitlaufendes Filter).

Bei welcher Frequenz das Nutzsignal ist, hat der TE leider nicht 
verraten.

[Ralph B. (rberres)]

HF-Werkler schrieb:
> Wie kommst du darauf, dass es bei der Messung von Oberwellen keinen Sinn
> machen würde, das "Nutzsignal" auszublenden, damit der Dynamikbereich
> nicht überschritten wird?

Es ist aufwendig und fehlerbehaftet. Darum macht man das nicht 
ernsthaft.

Besser ist es ein ohmsches Leitsungsdämpfungsglied zu benutzen, dessen 
Frequenzgang mindestens bis zur dritten? interessierende Oberwelle bis 
auf die erwünschte maximale Abweichung glatt ist.

Ich verweise mal auf den Artikel in den letzten beiden CQDL wo genau 
diese Thematik behandelt wurde.

HF-Werkler schrieb:
> Schau dir mal das Datenblatt des R&S ESR an, der hat diese
> Filtermöglichkeiten. Der ist im Prinzip ein Spekki mit vorgeschalteter
> Filterbank. Bei höheren Frequenzen hat er ein YIG-Filter, das
> mitabgestimmt wird (mitlaufendes Filter).

Hier reden wir aber nicht von einen Notchfilter, sondern von einen 
Filter, der bei der anzuzeigende Frequenz eine minimale Dämpfung hat, 
und nicht eine maximale.

Die Sperrtiefe eines Notchfilters ist wohl kaum frequenzunabhängig zu 
realisieren.

Ich kenne weder ein Messempfänger noch ein Spektrumanalyzer, welche auf 
der anzuzeigende Frequenz einen Notchfilter setzt, um den Dynamikbereich 
zu erhöhen.

Ein Mitlauffilter macht wesentlich mehr Sinn, als ein Notchfilter, 
findet man aber nur selten im Grundfrequenzbereich, wohl aber in den 
höheren Bereichen bei einen Mikrowellenspektrumanalyzer.

In den Mikrowellenbändern ist die Durchstimmbreite in der Regel maximal 
eine Dekade. Das geht mit einen Yigfilter noch ganz gut. Und hier geht 
es aber nicht darum, den Dynamikbereich zu erhöhen, sondern um 
Spiegelfrequenzen
und unerwünschte Mischprodukte zu vermeiden, welche man zwangsweise 
erhält, wenn die erste ZF nicht über der maximalen Eingangsfrequenz 
liegt.

In EMV Messemfänger werden Filterbänke  ( immer noch keine Notchfilter 
!! ) eingesetzt, um die Gesamtbelastung des ersten Mischers durch das 
breitbandige Störsignal zu begrenzen. Auch hier befindet sich die 
momentane Empfangsfrequenz immer in der Mitte des Durchlassbereiches des 
vorgeschalteten Filters, und die Filterbandbreite am Eingang ist immer 
größer als die ZF-Bandbreite des Empfängers.

Ralph Berres

[HF-Werkler (Gast)]

Ralph B. schrieb:
> HF-Werkler schrieb:
>> Wie kommst du darauf, dass es bei der Messung von Oberwellen keinen Sinn
>> machen würde, das "Nutzsignal" auszublenden, damit der Dynamikbereich
>> nicht überschritten wird?
>
> Es ist aufwendig und fehlerbehaftet. Darum macht man das nicht
> ernsthaft.

Mag sein, dass du das so siehst.

Ich habe diese Messungen bei >-80dBc der Harmonischen eines Senders im 
Mikrowellenbereich schon genau so ohne Probleme durchgeführt.

Ernsthaft...

[Ralph B. (rberres)]

HF-Werkler schrieb:
> Ich habe diese Messungen bei >-80dBc der Harmonischen eines Senders im
> Mikrowellenbereich schon genau so ohne Probleme durchgeführt.

80db Oberwellenabstand? Und das im Mikrowellenbereich? Wow!!

OK da muss man mit einen Notchfilter nachhelfen.

Obwohl wenn man sich im Mikrowellenbereich befindet und ohnehin der 
Mitlauffilter aktiv ist, benötigt man auch da keinen Notchfilter.

Denn wemm der Empfänger auf der Oberwelle steht, wird die Grundwelle 
schon durch das Mitlauffilter genügend bedämpft.

Ich hoffe das du keine Fahrkarte gemessen hast, Die Gefahr ist bei solch 
großen Oberwellenabständen schon sehr groß.

Gesetzlich gefordert sind zumindest bei Amateurfunksendern oberhalb 
30MHz übrigens nur 60db Oberwellenabstand unterhalb 30 MHZ sogar nur 
40db Oberwellenabstand. Das geht mit ein Spektrumanalyzer im 
Basisbandbereich normalerweise ohne Notchfilter.

[HF-Werkler (Gast)]

Je nach Messgrundlage (conducted/radiated - Senderausgang oder 
Empfangs-/Messantenne) kommen natürlich andere Anforderungen an den 
Messaufbau dabei heraus.

Nach meiner Erfahrung ergibt es manchmal Sinn ein bekanntes Filter 
vorgeschaltet einzusetzen, anstatt auf Geistersignale aus der 
Eingangsstufe (z.B. LNA oder Mischer) hereinzufallen. Durch brauchbare 
Filter wird die Messung nicht grundsätzlich schlecht, wenn man ein paar 
Regeln beachtet (z.B. Anpassung durch >3dB Dämpfungsglieder zwischen 
Messantenne und dem Filter, vorherige Messung der Kennlinie und dann 
Korrektur der Messergebnisse).

Es kommt halt darauf an, ob man eher den Dynamikbereich des Messgerätes 
optimal ausnutzen will (typ. so 60-80dB), oder sehr Nahe am Rauschlimit 
messen muss (mehr als -80dBc). Bei letzterem nutzt man dann auch gerne 
mal rauscharme Vorverstärker.

Die damalige Messung war tricky. Ich hatte damals nur einen normalen 
Spectrumanalyzer und musste das Problem überhaupt erstmal darstellen 
können ohne auf "Geistersignale" hereinzufallen. Es ging dabei weniger 
um die Zulassungsanforderungen, sondern um Koexistenz von empfindlichen 
Empfängern mit anderen Sendesignalen.

[Bernd (Gast)]

Vielen Dank nochmals für die vielen hilfreichen Antworten!
Man lernt nie aus...

HST schrieb:
> hier ging es in der Frage meinem Verständnis nach um die Messung der
> Oberwellen eine Einzelsignals, deren Abstand von der
> Grundwellenamplitude konstant ist. Daher d10db Att --> d10db
> Harmonischen-Amplitude = linearer Betrieb.
Genau, und mit diesem Kriterium habe ich auch festgestellt, dass der 
Betrieb noch nicht linear war.

HST schrieb:
> Ein weiterer Anhaltspunkt kann auch zur Abschätzung verwendet werden:
> Man kann den Dynamikbereich auch über den IP3 und das Eigenrauschen
> (entspricht dem MDS) errechnen. In den 9010A-Specs wird der IP3 mit
> +18dBm angegeben:
> "TOI @1 GHz (3rd Order Intercept) +18 dBm"
>
> Die Gleichung sieht so aus:
> DynB[db] = 2/3 * (IP3[dbm] - MDS[dbm])
> (wobei MDS von der RBW abhängt)
>
> Bei einem Rauschpegel (MDS) von z.B. -105dBm ergäbe sich ein
> Dynamikbereich von
> 2/3 * (18+105) = 82dB
> D.H., der maximale Eingangspegel sollte dann -23dBm nicht überschreiten.
Die Abschätzung kommt sehr gut hin, woher kommt eigentlich das 2/3?

HF-Werkler schrieb:
> Bei welcher Frequenz das Nutzsignal ist, hat der TE leider nicht
> verraten.
Gesendet wird mit max. 20dBm im 868 MHz ISM-Band, nach ETSI dürfen dann 
z.B. die spurious emission im Bereich 1-10 GHz -30dBm (RBW=1MHz) nicht 
überschreiten. Da gibt es mit den internen Dämpfungsglieder in 
10dB-Abstufung zwei Einstellungen die eine Messung erlauben. Ist die 
Dämpfung zu gering, gibt es die Intermodulation. Ist die Dämpfung zu 
hoch ist das Rauschen über -30dBm...

Wenn man sich also zuerst einmal den Bereich ab 1 GHz ansieht, hat man 
das Ergebnis von Atten_10dB_NoCarrier und vermutet, dass der Sender 
ordentlich Oberwellen produziert.

Wenn man den eigentlichen Träger mit in den Sichtbereich bringt, merkt 
der Spektrumanalyzer, dass der AD-Wandler übersteuert und bringt eine 
Fehlermeldung wie bei Atten_10dB.

Erhöht man die Dämpfung um 10dB wie in Atten_20dB geht die 2. 
Harmonische (Marker 2) um 12 dB zurück, die 3. Harmonische (Marker 3) 
sogar um 15dB. Der Spektrumanalyzer meldet allerdings keinen Fehler 
mehr.

Nochmals 10dB mehr und man hat das Ergebnis von Atten_30dB.
Die 2. Harmonische geht um 1dB zurück, hier ist also der lineare Betrieb 
erreicht (der Spektrumanalyzer addiert ja automatisch das Dämpfungsglied 
zur Messung). Die 3. Harmonische liegt schon im Rauschen.

Nochmals 10dB mehr und das Rauschen in Atten_40dB kommt schon nahe an 
die ETSI-Grenze.

HF-Werkler schrieb:
> Daher nutzt man bei diesen Messungen entweder ein Notch-Filter auf dem
> Nutzsignal oder (sofern passend) Hochpassfilter.
>
> Ich nehm da gerne mal die fertigen Hochpassfilter von Mini-Circuits
> (meist zwei in Serie), aber auch Cavity-Notches.
Wird auf jeden Fall auch noch ausprobiert. Momentan verschwinden die 
Oberwellen im Rauschen.

HST schrieb:
> ---> Das Ding ist kein schlechter S/A, Gratulation ;-))
Leider nicht meiner, aber wenigstens darf ich damit "spielen".
Fühlt sich sogar schneller als der Nachfolger 9010B an, durch den 
Touchscreen gibt es viel mehr Verzögerung beim bedienen.

[HST (Gast)]

Bernd schrieb:
> Die Abschätzung kommt sehr gut hin, woher kommt eigentlich das 2/3?

Das liegt am schon weiter oben erwähnten Zusammenhang bei einem 
Zweitonsignal, dessen Intermodulationsprodukte (3. Ordnung) um 30db 
ansteigen, wenn das ZWT um 10db steigt. Der Schnittpunkt, bei dem ZWT 
und IM3 den gleichen Wert haben, ist der IP3. Da ich zu faul bin, das im 
Detail zu beschreiben, hier ein Bildchen, das den Dynamikbereich (SFDR) 
ableitet.

MfG, Horst