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Noise-Figure-Meter

Hierbei handelt es sich nicht um eines meiner eigenen Projekte. Es wurde von DF9IC, DL8AAU und DL2ALF entwickelt. Das Projekt ist aber so interessant, dass ich es hier vorstellen möchte.


Frontansicht des Gerätes

Rauschmessungen waren für mich bisher kein Thema. Es gab einfach kein preiswertes Equipment. Mit dem CANFI-Noise-Figure-Meter ist das nun anders. Gemessen wird mit einem DVBT-Stick, einer Selbstbau-Noise-Source und einem Schaltmodul mit StepUp-Spannungswandler für die Noise-Source. Ebenfalls ein Selbstbau-Modul. Die (Windows) Software schaltet über dieses Modul die Noise-Source während der Messung ein und aus. Für dieses Schaltmodul wird noch ein USB zu RS232 Breakout-Board benötigt, da zum Schalten das RTS-Signal der Schnittstelle verwendet wird. Das Alles kostet nur ein paar Euro und man hat am Ende ein Noise-Figure-Meter vom Feinsten, welches auch noch bis 1,7GHz funktioniert. Der DVB-T-Stick muss die gleichen Forderungen erfüllen wie auch für den Betrieb mit SDRSharp als SDR-Radio. Als Treiber wird auch hier der ZADIG-Treiber installiert.

Als Noise-Source kann die, in der Projekt-Präsentation beschriebene, Rauschquelle oder eine beliebige kommerzielle Rauschquelle verwendet werden. Die Versorgungsspannung der Rauschquelle beträgt 28V, die vom StepUp-Regler aus der USB-Versorgung generiert wird. Ich selbst habe mich für die Noise Source von Norbert, DG1KPN, entschieden, da hier die Spannung  für maximales Rauschen einstellbar ist. Da hier die Unterschiede zwischen den Transistoren sehr groß sind, halte ich das für wichtig.

Alle Infos zum Projekt, inklusive Präsentation, Handbuch und Software, gibt es auf der CANFI-Homepage. Eine kleine Beschreibung über den Ablauf einer Messung mit dem CANFI-Noise-Figure-Meter gibt es hier.


Screen-Dump der Software (User Interface)

 In der Software muss die Messfrequenz angegeben werden. Auch die ENR der Noise-Source für die Messfrequenz muss angegeben werden. Das ist dann nicht ganz so einfach, denn hiervon hängt die Genauigkeit der Messung ab. Es kann auch ein Kalibrations-File abgelegt werden, in dem die ENR-Werte für den gesamten Messbereich abgelegt sind. Angegeben ist, in der Präsentation, ein ENR von 15 dB, für die beschriebene Selbstbau-Rauschquelle. In der Praxis weicht der Wert aber wohl davon ab. Bei einem Funkfreund sind es z.B. 11dB ENR. Bei meiner knapp 13 dB ENR. In der Regel ändert sich der Wert auch über die Frequenz. Es ist also ratsam, hier etwas Arbeit zu investieren und ein Kalibrations-File zu erstellen. Wer z.B. einen Spektrumanalyzer besitzt oder Zugriff darauf hat, kann über eine Messung des Y-Faktors das ENR der Noise-Source ermitteln.

Schaltbox
Die "Schaltbox" besteht aus USB zu RS232-Breakoutboard mit TTL-Ausgang, StepUp-Wandler und Schaltstufe für die 28 Volt Versorgung der Noise-Source. In der Anwendung muss die Schnittstelle eingetragen werden und vermutlich bei "Inv" ein Häkchen gesetzt werden. Man erkennt das daran, dass im Fenster "SDR Values" ansonsten der Wert für "P_OFF" größer ist als der für "P_ON" und die Statusanzeige permanent "Invalid" ausgibt.

                      
Detail "COM Control" des Setting-Menüs



Das Innenleben der Schaltbox

Oben sieht man den StepUp-Wandler (Den gibt es für unter 3 € bei Ebay), unten links das USB > RS232 Breakoutboard und in der Mitte unten die Schaltstufe für die 28 Volt. Diese Schaltstufe kann natürlich genauso gut auf einer kleinen Lochrasterplatte untergebracht werden. Mit Hilfe der Schaltstufe wird die Rauschquelle ein- bzw. ausgeschaltet. Das muss auch sehr steilflankig geschehen.

          
28V Ausgangsspannung im Messbetrieb

DVB-T Box
Der DVB-T Stick wird ebenfalls in ein Weißblechgehäuse eingebaut. Es wird empfohlen, hier auch noch einen Vorverstärker vorzusehen. Ich habe es so realisiert, dass ich diesen Vorverstärker wahlweise benutzen kann. Er wird dann mittels Kabelbrücke eingeschleift.


Oberseite der DVB-T Box mit dem eingebauten Stick


Unterseite der DVB-T Box mit dem MMIC-Vorverstärker

Für den Vorverstärker wurde eine Platine vorgesehen, die gleichzeitig die Box in zwei Hälften teilt und die Baugruppen gegeneinander abschirmt. Der Anschluss des DVB-T Sticks wurde mit einem Adapterkabel auf die SMA-Eingangsbuchse geführt. Die Versorgungsspannung des Vorverstärkers wird am USB-Anschluss des DVB-T Sticks abgenommen.


Aufbau des CANFI im Aluminium-Gehäuse mit USB-Hub

Noise-Source nach DG1KPN
Als Rauschquelle habe ich die Noise Source von Norbert, DG1KPN, aufgebaut. Ziel war es, eine Rauschquelle mit 15 dB ENR aufzubauen. Eine weitere, mit etwa 5 dB ENR, soll dann noch folgen.


Noise Source nach DG1KPN

Schaltung und Layout hat Norbert in Anlehnung eines Artikels in UKW-Berichte 4/2008, Seite 209-219, Franco Rota, I2 FHW, Rauschquelle für 10 MHz bis 10 GHz, entwickelt.


Schaltplan der Rauschquelle                                                  (Quelle DG1KPN)

Die Rauschquelle wird mit Hilfe eines Basis-Emitter-Übergangs gebildet. Dem Basis-Emitter-Übergang ist ein einstellbarer Spannungsregler vorge-schaltet. Dieser Rauschquelle muss noch ein externer Attenuator nachgeschaltet werden, um eine gute Impedanz-Anpassung zu gewährleisten. Bei mir waren 20 dB erforderlich, um eine ENR von etwa 15 dB zu erreichen. Mittels des Präzisions-Trimmers muss die Noise Source auf maximale Rausch-leistung abgeglichen werden. Wer möchte, kann natürlich auch den erforderlichen Widerstand ausmessen und einen Festwiderstand verwenden. Die erforderliche Spannung für die maximale Rauschleistung differiert um  einige  Volt. Die Exemplar-Streuung innerhalb der Transistoren ist hier relativ hoch. 


Layout der Rauschquelle                                                       (Quelle DG1KPN)


Aufbau der Rauschquelle für ENR 15dB nach DG1KPN             (Bild DG1KPN)


Impedanz und VSWR der Noise Source                                  (Quelle DG1KPN)

Der Plott sagt sehr viel über die Güte der Noise Source aus. Er zeigt den Unterschied in der Impedanz, wenn die Noise Source ON oder OFF ist. Dabei soll die Änderung so gering wie möglich sein.

Kalibrierung der Noise Source
Jede Noise-Source muss zunächst kalibriert werden. Kalibrieren heißt hier natürlich nicht, dass man etwas justieren kann. Es muss für jede Frequenz der genaue Rauschpegel ermittelt werden. Der entsprechende ENR-Wert wird dann wahlweise in der Anwendung manuell eingetragen oder aus dem File mit den Kalibrierwerten gelesen. Dieses File muss zuvor erzeugt werden. Es kann beispielsweise ein Export aus EXCEL in eine CSV-Datei erfolgen. Diese kann dann einfach editiert und dann umbenannt werden. Die Endung muss ".CAL" lauten. Vom Programm werden die Werte dann als Kalibrierwert genommen. Frequenzen zwischen den eingetragenen Kalibrierwerten werden interpoliert.

Kalibrierung mittels Vergleich
Als beste Methode - wenn kein Spektrumanalyzer zur Verfügung steht - hat sich momentan folgende Vorgehensweise erwiesen. Man kalibriert die Noise Source anhand eines vorhandenen Verstärkers, mit bekannter Noise Figure. Hierbei kann man sich weitgehend auf die Angaben im Datenblatt stützen. Man muss aber darauf achten, dass die entsprechenden Betriebsparameter dem Datenblatt entsprechen. Insbesondere der Betriebsstrom des Verstärkers muss den Angaben im Datenblatt entsprechen. Der Vorgang ist relativ aufwendig, da nach jeder Veränderung des ENR-Wertes das CANFI-Noise-Figure-Meter neu kalibriert werden muss. Man braucht also Geduld und gute Nerven.......

Nach dieser Methode habe ich die ENR-Werte für die  infrage kommenden Bänder ermittelt und in einer Kalibrierdatei abgelegt. Mit dem Ergebnis bin ich sehr zufrieden. Die ermittelten Werte decken sich teilweise bis auf die zweite Nachkommastelle mit den per Y-Faktor-Methode ermittelten Werten.

Als Verstärker für den Vergleich habe ich den PGA-105+ von Mini-Circuits verwendet. Allerdings benötigt man außer dem Datenblatt noch ein Dokument, in dem detailliert die Angaben der NF zu finden sind. Dieses Dokument kann man sich per Download von der Webseite der Fa. Mini-Circuits holen. Auf dem DASH BOARD für den PGA-105+ findet man es unter "View Data". 

Kalibrierung durch Messung des Y-Faktors
Für diese Messung benötigt man einen Spektrumanalyzer (SA) und einen Vorverstärker mit ca. 50 dB Verstärkung und bekannter Noise Figure; zusätzlich zum PreAmp des SA. Hiermit wird der Pegel der Rauschquelle soweit angehoben, dass auch der "Cold"-Pegel noch mit dem SA dargestellt werden kann. Der "Cold"-Pegel liegt, physikalisch bedingt, bei -174 dB/Hz; dem thermischen Widerstandsrauschen des 50 Ohm-Ausganges der Noise-Source (siehe auch Erläuterung oben rechts unter "ENR"). Bei einer Anhebung um 50dB ergibt sich ein Pegel von -124 dB/Hz, welcher dann, nach weiterer zusätzlicher Vorverstärkung durch den PreAmp des SA, dargestellt werden kann. Um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, muss der angezeigte Pegel deutlich über der eigenen Noise Figure des SA liegen.

Hier können z.B. zwei INA-03184 als Vorverstärker dienen. Zuerst wird die angeschlossene Rauschquelle im stromlosen Zustand gemessen (Cold) und der Track abgespeichert. Danach wird die Stromversorgung der Noise-Source eingeschaltet und eine zweite Messung durchgeführt (Hot). Je nach SA kann ein dritter Track als Differenz der beiden Messungen gebildet werden oder es muss mit dem Delta-Marker gearbeitet werden, was etwas mehr Aufwand bedeutet. Beim SA muss für die Messwerterfassung der RMS-Detektor ausgewählt werden; mit einem Trace-Averaging von etwa 20 Messungen zur Kurvenglättung.


Messbeispiel für 435 MHz, Messung mit Delta-Marker       (Quelle DG1KPN)

Der gelbe Track im obigen Beispiel ist der Zustand "Cold" der Rauschquelle und der rote Track ist der "Hot" Zustand. Mit der Delta-marker-Funktion kann jetzt der Abstand der beiden Tracks vermessen werden. Das ist dann der Y-Faktor.

Mit dem Y-Faktor kann jetzt die ENR (in dB) der Noise-Source berechnet werden. Die Formel hierfür lautet: ENR = 10 * lg(Y - 1). Die ENR des Vorverstärkers muss dann noch hinzu addiert werden. Am einfachsten geht die Berechnung mit einem Tabellenkalkulations-Programm wie z.B. EXCEL.

Bei einer kommerziellen Noise-Source sind die Kalibrierdaten in der Regel vorhanden und müssen nicht selbst ermittelt werden.

Wie man eine Messung mit dem CANFI-NF-Meter durchführt, findet man hier.

Vielen Dank an Norbert, DG1KPN, für die Unterstützung bei der Kalibrierung der Rauschquellen.

Einige Begriffe

ENR Excess Noise Ratio oder Überschussrauschverhältnis
ENR bezeichnet die Rauschleistung einer Quelle oberhalb der Rauschleistung bei 290 Kelvin (17° C). Diese Temperatur ist die Bezugstemperatur für Rausch-messungen. Das thermische Grundrauschen beträgt bei T0 = 290 Kelvin –174 dBm/Hz. Eine Quelle mit einer Rauschleistung von z.B. -159 dBm/Hz hat also ein ENR von 15 dB.

Y-Faktor Rauschleistungsdifferenz
Der Y-Faktor ist die Differenz zwischen Pon "heißer" und Poff "kalter" Rauschleistung (Y = Pon/Poff). Pon ist die Ausgangsleistung eines Verstärkers bei eingeschalteter Rauschquelle und Poff ist die Ausgangsleistung bei ausge-schalteter Rauschquelle.

F Noise Faktor oder Rauschfaktor
Der Rauschfaktor "F" berechnet sich (vereinfacht) - bei bekannter ENR der Rauschquelle - aus F = ENR/(Y-1).

NF Noise Figure oder Rauschmaß
Hier ist der Noise Faktor als dB-Wert dargestellt. Dieser ergibt sich nach der Formel NF = 10 x log(F).

Anmerkung zum Rauschmaß:
in der Literatur findet man als Rauschmaß auch den Begriff "M" für "Noise Measure". Hier wird dann auch teilweise die Noise Figure als Rauschfaktor bezeichnet, also als Verhältnismaß und nicht als dB-Wert. Das ist dann die totale Verwirrung. Keine Ahnung, warum das so ist und man es nicht bei den eingeführten Begriffen belässt. Dem Verständnis ist es aber leider nicht zuträglich.