Intermodulationen in der Kommunikationsmesstechnik Wechselwirkung von Messobjekt und Spektrumanalysator

Autor / Redakteur: Dr. Michael Simon * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Verzerrungen durch Intermodulationen beeinflussen das Messergebnis grundlegend. Unser Beitrag zeigt Lösungen auf, wie Anwender verfälschten Messergebnissen entgegen wirken können.

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Beeinflusst das Messobjekt: Der Spektrumanalysator kann die Messergebnisse der Intermodulation verfälschen.
Beeinflusst das Messobjekt: Der Spektrumanalysator kann die Messergebnisse der Intermodulation verfälschen.
(Rohde & Schwarz)

Um die Systemeffizienz und Signalqualität zu optimieren ist es notwendig, Intermodulationsverzerrungen (Englisch: Intermodulation Distortion, IMD) in modernen Kommunikationssystemen zu reduzieren. Solche Intermodulationsverzerrungen können die belegte Bandbreite erhöhen, Nachbarkanäle stören, zu Signalverzerrungen beitragen und das verfügbare Frequenzspektrum stärker belasten.

Die Ursache von Intermodulationsverzerrungen sind typischerweise aktive Elemente eines Kommunikationssystems. Messen lassen sie sich mit verschiedenen Methoden und Techniken und anschließend korrigieren. Damit eine hohe Messgenauigkeit garantiert ist, darf das Messgerät selbst nicht zu den Intermodulationseffekten beitragen. Der folgende Text beschreibt die Wechselwirkungen von Intermodulationsprodukten, die vom Messobjekt erzeugt werden, und Intermodulationsprodukten, die intern in einem Spektrumanalysator generiert werden.

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Trägt der Spektrumanalysator zu den Intermodulationsverzerrungen bei, so liefert die IMD-Messung häufig falsche Werte, die sowohl zu hohe als auch zu niedrige Intermodulationsverzerrungen anzeigen können. An Beispielen zeigen wir, wie sich Intermodulationsprodukte gegenseitig auslöschen, sowie erforderliche Maßnahmen, um verfälschte Messergebnisse durch den Spektrumanalysator zu vermeiden.

Intermodulationsprodukte dritter Ordnung, die durch nichtlineares Verhalten von Komponenten wie Leistungsverstärkern verursacht werden, tragen wesentlich zur Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit eines Kommunikationssystems bei. Das gilt sowohl innerhalb des Übertragungsbands (bei Mehrträger-OFDM-Systemen, bei denen sich das Sendesignal verschlechtert) als auch außerhalb des Übertragungsbands, wo sich Intermodulationen negativ auf die Nachbarkanäle auswirken (gemessen als Adjacent Channel Leakage Ratio, ACLR).

Intermodulationsverzerrungen im Übertragungsband führen zu einer verschlechterten Signalqualität, die sich in einer niedrigeren Modulationsqualität, gemessen als Error Vector Magnitude (EVM), niederschlägt. Bei Sendern wird das Intermodulationsverhalten in der Regel vom Ausgangsverstärker bestimmt, denn er arbeitet mit der höchsten Leistung im Sendepfad. Dem Leistungsverstärker vorgeschaltete aktive Komponenten können, falls sie nicht entsprechend konzipiert sind, ebenfalls das Intermodulationsverhalten beeinträchtigen.

Erzeugen zwei aktive Komponenten in einem Signalpfad Intermodulationsprodukte mit annähernd gleichen Amplituden, so hängt die dadurch entstandene Gesamtverzerrung von der Phasenlage der Intermodulationsprodukte zueinander ab. Die einzelnen Intermodulationsprodukte können sich addieren und somit zu einer erhöhten Intermodulationsverzerrung führen oder sich gegenseitig subtrahieren, was zu einer niedrigeren Intermodulationsverzerrung bis hin zur Auslöschung führt.

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Vorsicht vor falschen Messergebnissen

Die gegenseitige Beeinflussung (Interferenz) von Intermodulationsprodukten von Messobjekt und Spektrumanalysator verfälscht die Ergebnisse bei Messungen der Intermodulation, ACLR und Modulationsqualität führen. Besondere Vorsicht ist geboten, wenn die Intermodulationsprodukte des Messobjekts und des Spektrumanalysators annähernd gleiche Amplituden aufweisen, da in diesem Fall verfälschte Ergebnisse zu erwarten sind. Je nachdem, ob es sich um konstruktive oder destruktive Interferenz handelt, sind die angezeigten Ergebnisse besser oder schlechter als die tatsächlichen Werte des Messobjekts.

Um den Einfluss des Spektrumanalysators auf die gemessene Intermodulationsverzerrung zu verringern und damit den Messfehler auf ein vertretbares Maß zu reduzieren, muss der Mischereingangspegel im Analysator gesenkt werden. Das erreicht man, in dem die Eingangsdämpfung erhöht wird. Mit Hilfe einer Zweitonmessung lässt sich herausfinden, ob der Beitrag des Spektrumanalysators zu den Intermodulationsprodukten für einen bestimmten Messaufbau im vernachlässigbaren Bereich liegt. Diese Messung zeigt auf, ob sich die Intermodulationsprodukte des Messobjekts und des Spektrumanalysators gegenseitig verstärken oder auslöschen. Damit lässt sich der Amplitudenfehler aufgrund sich gegenseitig beeinflussender Intermodulationsprodukte abschätzen.

Die Wahrscheinlichkeit verfälschter Ergebnisse bei der Intermodulationsmessung hängt entscheidend von der Architektur des Spektrumanalysators ab. Analysatoren wie der R&S FSW oder der R&S FSQ8 tragen weniger zur Intermodulationsverzerrung bei, da sie im Vergleich zum R&S FSQ26 einen wesentlich höheren TOI aufweisen (typisch 20 dBm bzw. 23 dBm). Bei diesen Analysatoren ist zur Anpassung des Mischereingangspegels eine geringere Eingangsdämpfung erforderlich, was sich positiv in einem höheren Dynamikbereich niederschlägt.

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