Phasenrauschen SDR/Analog eine Gegenüberstellung von Gerd DC6HL

Bemerkungen und Meßverfahren

1. Red Pitaya mit DC6HL Frontend

Die Messungen erfolgten mit einem Pegel von -10dBm aus einem Marconi 2041 Meßsender, der im Low-Noise-Mode 1 betrieben wurde. Der Sender hat dabei bereits bei 10kHz Abstand ein Phasenrauschen von -145dBc, was allerdings bei größeren Abständen nicht mehr zunimmt. Um beim Red Pitaya bzw. der HPSDR Software die Rauschkalibrierung zu überprufen, wurde Rauschen aus einer Ailtech Rauschquelle mit 15dB ENR und einem nachfolgenden 30dB Breitbandverstärker in den RX eingespeist. Bei 1kHz Empfangsbandbreite sollte sich ein angezeigter Pegel von -174dBm + 15dB (ENR)+ 30dB (vp)+ 30dB (Bandbreitenkorrektur) = -99dBm ergeben. Mit eingeschalteter AVG-Bewertung am Instrument der Konsole pendelt die Anzeige genau um diesen Wert. Die Anzeige kann also direkt für die Ablesung der Rauschleistung verwendet werden.

Die Messungen am RP fanden bei 3,7MHz statt. Eine Kontrolle bei 30MHz lieferte identische Werte. Als Meßpegel wurde in beiden Fällen -10dBm verwendet. Bei gemessenen -133dBc ergab sich allerdings nur noch eine Pegelzunahme von 4dB über das Eigenrauschen des Pitayas. Höhere Meßpegel sind wegen der Wandlerübersteuerung nicht möglich. Der Red Pitaya begrenzt mit seiner eigenen verfügbaren Dynamik den Meßbereich.

Anders ausgedrückt hätte ein besserer Referenzoszillator für den RP keinen Sinn.  

2. OE90

Der OE90 ist ein bei mir im Jahre 1990 gebauter Transceiver mit 75MHz erster ZF und einem Mehrschleifensynthesizer. Er besitzt 4 VCOs für Teilbänder im Bereich von 75 bis 105MHz, die über DA-Wandler mit Daten aus einem EPROM voreingestellt werden. Nur das letzte Zehntel der Abstimmspannung wird aus dem Phasenvergleicher der PLL dazu addiert.

Die Messungen erfolgten bei 10MHz mit einem Rubidiumnormal von Efratom und nachgeschaltetem schmalbandigem Eigenbau-Quarzfilter. Hinter dem Filter stehen +5dBm zur Verfügung, die ohne Abschwächung auf den RX gegeben werden. Der +27dBm Mischer des OE90 wird dabei noch weit unter seinem Sättigungspegel (ca.+17dBm) betrieben. Das ist ein ganz entscheidender Unterschied zu den modernen SDR-Konzepten. Ich kenne jedenfalls kein SDR mit 10dB Rauschmaß, das solche Pegel ungefiltert und ohne Abregelung knapp außerhalb des Nutzkanals verträgt.

Bei immer größer werdenden Ablagen bleibt der Meßwert bei -150dBc stehen. Dabei darf man aber nicht vergessen, daß der Mischer mit einem LO-Pegel von mehr als 500mW gefahren wird. Die dazu erforderlichen Verstärker erzeugen natürlich zusätzliches Rauschen.

3. Si570 (200MHz Version)

Der bei Amateuren allseits beliebte Si570 deckt als LO einen weiten Frequenzbereich ab. Meine Messungen fanden an einem „Funkamateur-Synthesizer“ statt. Als Empfänger diente ein FSEM30 Analysator, der mit einem vorgeschalteten XF214-S02 Quarzfilter betrieben wurde. Das Filter ist nötig, da der ehemalige „Oberklasseanalysator“ trotz eingebauter Option „rauscharmer LO“ ohne dieses im Nahbereich hoffnungslos überfordert wäre. Bei der Messung steht der Analysator fest auf 21,4MHz mit einer Analysierbandbreite < QF-Bandbreite. Das Ergebnis kann dann auf 21.4MHz direkt mit der Rauschcursorfunktion ausgelesen werden. Bei der Messung wird nur der Si570 in der Frequenz verstellt.

Um zu sehen, wie sich der Si570 bei höheren Frequenzen verhält, wurde auch noch auf 134,3MHz gemessen. Ein 13dBm-Mischer setzte dazu mit einer LO-Frequenz von 112,9MHz aus dem Marconi 2041das Signal auf 21,4MHz um.

Die Ergebnisse sehen gemessen an dem geringen Schaltungsaufwand um den Si570 herum sehr gut aus. Will man den Si570 für einen klassischen 9MHz Transceiver verwenden, braucht man die hohen Frequenzen nicht. Man kann dann das Signal des Si570 zusätzlich mindestens durch 4 teilen. Bei niedrigen Frequenzen sogar durch 16. Da sich der Phasenrauschabstand mit 20*log(n) verbessert, heißt das bereits bei Teilung durch 4 ergeben sich 12dB Verbesserung. Das gilt zumindest bis auf einen für den verwendeten Teiler charakteristischen Grundrauschsockel. Diese nicht gemessenen Werte sind im Diagramm ebenfalls eingetragen. Daß das keineswegs Wunschdenken ist, zeigt ein Experimentalsynthsizer.

4. Experimentalsysnthesizer

Dieser Synthesizer wurde im Jahre 2008 von mir als Studie für einen neuen Analogtransceiver aufgebaut. (Der Transceiver wurde allerdings zugunsten von SDR nie realisiert.)

Die Frequenzaufbereitung erfolgt im Bereich von 2800 bis 3600MHz mit einem Fractional-PLL-Baustein LMX2470. Das so erzeugte Signal wird zunächst in einem HMC362 fest durch 4 und danach in einem HMC394 mit programmierbarer Teilung verarbeitet. Da dann die Frequenz für einen 9MHz Transceiver immer noch zu hoch ist, wird noch einmal in dem 74LVC74 durch 4 geteilt. Dieser letzte Teiler liefert bei Abschluß mit 50 Ohm etwa +19dBm. Der Rauschsockel der LVC-Serie liegt sehr niedrig, was man daran erkennt, daß das Phasenrauschen bei größeren Frequenzablagen bis unter -160dBc fällt.

5. Alter SDR mit IQ-Mischer

Der Synthesizer dieses Transceivers ist ähnlich wie unter Abschnitt 4 aufgebaut. Gemessen wurde auf 10MHz wie in Abschnitt 2 mit dem Rubidiumnormal. Die Ergebnisse liegen nahe bei denen des OE90. Unterhalb von -150dBc ist das „Ende der Fahnenstange“ erreicht. Im Gegensatz zum Experimentalsynthesizer in Abschnitt 4 hat man es hier aber mit einem kompletten Transceiver zu tun, auf dessen Basisband ein FA66 Soundinterface tobt. Vergleicht man mit dem Red Pitaya, so sieht man den RP bis zu Ablagen von etwa 50kHz als Gewinner. Bei Ablagen größer als 50kHz gerät er zusehends ins Hintertreffen. Bei Ablagen größer als 500kHz ist der alte SDR sogar um 18dB besser als der Direktsampler Red Pitaya. Diese 18dB Dynamikvorteil lassen sich in diesem Fall sogar nutzen (siehe letzter Satz in Abschnitt 1).

29.01.2018    Gerd Otto