Das SANFD arbeitet nach der Warm/Kalt Methode (Y-Faktor) wie die meisten in der Amateurfunkliteratur beschrieben automatischen Rauschmessgeräte [1]/[2]/[3]. Zum Bestimmen der Rauschzahl (noise figure) wird eine Rauschquelle mit bekanntem Überschussrauschen (ENR, excess noise ratio) am Eingang des zu untersuchenden Zweitors angeschlossen und zyklisch ein und ausgeschaltet. Ein Leistungsmesser bestimmt am Ausgang jeweils die Leistung mit ein- und ausgeschalteter Rauschquelle.

Y = P_on / P_off

Die Rauschzahl berechnet sich dann aus:

F = ENR / ( Y - 1)

Die Angabe der Rauschzahl und ENR erfolgt dabei üblicherweise in dB.

10 * log(F) = 10 * log(ENR) - 10 * log(Y - 1)

NF = ENR - 10 * log(Y - 1) in dB

Die Zusammenhänge sind in [5] erklärt.

Die Genauigkeit der Messung hängt von verschiedenen Faktoren ab:

  1. Genauigkeit ENR
  2. Impedanzänderungen zwischen T_on und T_off
  3. Genauigkeit der Leistungsmessung
  4. Eigenrauschen SANFD

1.) Für den Abgleich auf das Rauschminimum ist eine genaue Kenntnis von der ENR nicht unbedingt notwendig, da Y unabhängig von ENR maximal wird, wenn das Rauschminimum erreicht wird.
2.) Die Problematik Impedanzänderungen der Rauschquelle zwischen T_on und T_off wird in [4] erörtert.
3.) Möglichst genauer Leistungsmesser
4.) Der Einsatz eines rauscharmen Eingangsverstärker reduziert den Fehler.

SANFD-Baugruppen

Der Aufbau des SANFD besteht auf zwei Baugruppen, der HF-Baugruppe mit logarithmischen Leistungsmesser und der Auswerteeinheit mit dem LCD-Display.

In [1] wird ein Diodendetektor als Detektor eingesetzt, auf Grund des geringen linearen Bereichs erfolgte Bereichsumschaltung über eine hochpräzise AGC-Regelung, in [2] und [3] kommt ein logarithmischer Detektor von Analog Devices zum Einsatz. Der dort verwendete AD8307 hat von dem am Amateurmarkt verfügbaren logarithmischer Detektor den größten Dynamikbereich und die beste Genauigkeit.

Übersicht logarithmischer Detektor
Detektor Genauigkeit Messbereich Leistungsbereich
AD8307 +-0,3dB 92dB -75 to +17dBm
AD8313 +-1,0dB 55dB -60 to +5dBm
AD8362 65 dB -52 to +8dBm

Daher kommt der AD8307 auch als logarithmischer Detektor im SANFD zu Einsatz.

Linearität AD8307

Linearität AD8307

HF-Baugruppe

Am Eingang der HF-Baugruppe befindet sich ein rauscharmer MMIC MGA-62563, dadurch wird der Fehler durch das Eigenrauschen des SANFD reduziert. Nach dem ersten MMIC folgt das diskret aufgebaute Bandpassfilter mit ca. 6MHz Bandbreite, sowie ein zweiter MMIC, der den Pegel soweit anhebt, sodass der der logarithmischer Detektor im linearen Bereich arbeitet.
Die gesamte Baugruppe hat eine Verstärkung von ca. 50dB und wird in ein Standardweissblechgehäuse eingebaut.

Bandpassfilter SANFD

Bandpassfilter SANFD

Auswerteinheit

Herz der Auswerteeinheit ist ein ATMEGA32 von Atmel.Der Mikrocontroller steuert den gesamten Messablauf.
Der Digitalteil enthält neben dem LCD-Display noch den Analog-Digital-Wandler, dem galvanisch getrennten Schaltausgang für die Rauschquelle, sowie 3 Eingänge für Taster.
Als Referenzspannungsquelle dient ein LT1009CZ mit 2.5V, eine zusätzlich Kalibrierung erfolgt nicht, da eine eventuelle Abweichung von 2.5V den Y-Faktor nicht verändert, Probleme mit Temperaturdrift sind auch zu vernachlässigen, da innerhalb einer halben Sekunde der gesamte Messzyklus durchlaufen wird. Der ADC MAX187xCAP ist ein 12bit ADC mit maximal 80kHz Abtastrate, der Anschluss erfolgt über eine 3 Drahtleitung.
Es gibt insgesamt 3 verschiedene Varianten, der MAX187CCAP hat eine Genauigkeit von ±2 LSB, der MAX187BCAP ±1 LSB, der MAX187ACAP ± 1/2LSB. Bei einer Referenzspannung von 2.5V entspricht 1bit 610µV, der Detektor hat eine Steilheit von 24800uV/dB, damit ergibt sich mit dem preiswertesten MAX187CCAP eine Abweichung von ±0,049dB. Der Wert liegt damit unter dem angegebenen Fehler des AD8307.

Programmablauf:
Nach der Initialisierung des LCD-Display springt das Programm in die eigentliche Messroutine. Zuerst wird die Leistung mit ausgeschalteter Rauschquelle über 8192 Messungen ermittelt, dann wird die Rauschquelle eingeschaltet und ebenfalls über 8192 Messungen gemittelt. Aus den beiden Rohwerte wird der Y-Faktor und die Rauschzahl errechnet. Das Ergebnis wird auf dem zweizeiligen LCD-Display dargestellt, für die Wandlung, Berechnung und Anzeige werden ca. 400ms benötigt.
Mit dem Taster an PC5 kann durch die 3 Anzeigemodi geschaltet werden.

Mit den Tastern an PC4 und PC3 kann die ENR in 0.1dB Schritten verstellt werden, der geänderte Wert wird abgespeichert, sobald man das Menü verlässt.
Die Eingabetasten schalten jeweils nach +5V, eine softwareseitige Entprellung ist nicht vorgesehen, der Status der Tasten wird innerhalb des Messzyklus einmal abgefragt.

Aufbauhinweise

Damit die Taster zum Steuern der Menüpunkte funktionieren, muss die JTAG-Schnittstelle deaktivert werden, dazu muss man in AVRdude den Haken bei JTAGEN entfernen.

Über die Konstante in der Software: #define adc8307_slope 24800.0 // scaling factor uV/dB wird die Steilheit des AD8307 in der Software angepasst. Dieser Wert hängt von jedem verbauten AD8307 ab,man muss den Wert individuell programmieren. Zum Ermitteln des Wertes benötigt man einen Messender mit einem Pegel zwischen -110dBm und -50dBm. Die entsprechende Hf-Leistung jeweils auf den Eingang der Hf-Baugruppe geben und dann aus der Differenz der Ausgangsspannung und der Differenz der Hf-Leistung den Faktor errechnen und in die Software eintragen.

Fehlerabschätzung

Die Genauigkeit der Messungen hängt von folgenden Faktoren ab:

  1. Genauigkeit ENR
  2. Genauigkeit Y

Y wird aus der Differenz der beiden Leistungsmessungen gebildet(*). Die Genauigkeit der einzelnen Leistungsmessung ist wiederum von mehreren Faktoren abhängig

  1. Fehler Analog-Digital-Wandler
  2. Fehler ADC 8307
  3. Unlinearitäten der MMIC
  4. Streuung der Leistungsmessung bei Rauschen

1.) Der Fehler des ADC wird aus dem Messbereich (U_ref), der Auflösung (4096bit), dem Wandlerfehler(±2 LSB) und der Steilheit des AD8307 errechnet.

ΔADC = 2.500V/4096 * 2 / 0.0248 mV/dB = 0.049dB

2.) Der Fehler ADC 8307 wird aus dem Datenblatt entnommen:

ΔAD8307 = 0.3dB

3.) Da keine Werte dafür vorliegen, wird der Fehler nicht berücksichtigt

4.) Für die Messung von Rauschleistung gilt gemäß [6]:

σ = 5.57dB/√N

σ = 5.57dB/√8192 = 0.0615dB

σ ist das 68.3% Intervall, da hier der maximale Fehler abgeschätzt werden soll, wird 3 * σ als Fehler angesetzt, damit liegen 99,7 % der Messungen im Intervall.

Der Maximalfehler von Y (in dB, sic) ergibt sich aus der Summe der Einzelfehler:

ΔY = 2 * (0.049 + 0,3 + 3 * 0.0615) = 1.067dB

Das entspricht ΔY = 1.278

Für den Fehler der Funktion y = c * loga x gilt:

Δy = |c|/|ln a| * |Δx|/|x| [8]

Setzt man jetzt für Y = 10 den obigen Wert ein, erhält man einen relativen Fehler für ΔNF von ±0.56dB zuzüglich dem Fehler durch die Rauschquelle.

* Intern wird aus der Differenz der Y-Faktor errechnet, dies erfordert weniger Fließkommaoperationen als ein Berechnen von Y aus dem Quotienten der separat berechneten absoluten Leistungen.

Aufbauhinweise

Damit die Taster zum Steuern der Menüpunkte funktionieren, muss die JTAG-Schnittstelle deaktivert werden, dazu muss man in AVRdude JTAGEN deaktivieren.

[1] Noise Figure Measuring Equipment, DJ9BV/DF7FX, Dubus Technik III
[2] Noise/Gain Analyzer, PA0WSO
[3] A Simple PANFI, DF1VH, Dubus Technik VIII
[4] http://www.df9ic.de/doc/2011/dorsten_2011/dorsten11_rauschquellen.pdf
[5] Noise Figure Measurement Accuracy, The Y-Factor Method, Application Node 57-2, Agilent Technologies
[6] Spectrum and Signal Analyzer Measurements and Noise, Application Note 1303, Agilent Technologies
[7] HF-Messungen für den Funkamateur, VTH-Verlag
[8] Bartsch, Taschenbuch mathematischer Formel, Fachbuchverlag Leipzig

Die Ansteuerung des Displays erfolgt über die LCD library von Peter Fleury.