Spektrumanalysator

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Typischer Spektrumanalysator
Spektrum eines frequenzmodulierten NF-Signals mit starken Oberwellen. Rot = hohe Intensität
Ausgabe eines Spektrumanalysators (UMTS-FDD-Trägers)
Spektrum eines Schaltnetzteils (Spread Spectrum) in der Aufwärmphase inkl. Wasserfalldarstellung des zeitlichen Verlaufs
Oberwellen einer Rechteckschwingung mit 1000 Hz
Blockschaltbild eines Analysators nach dem Prinzip des Überlagerungsempfängers

Ein Spektrumanalysator ist ein elektronisches Messgerät zur Darstellung der in einem Signal enthaltenen Frequenzen. Es gibt FFT-Analysatoren und Analysatoren nach dem Prinzip des Überlagerungsempfängers (Heterodynempfänger). Neuere Spektrumanalysatoren enthalten beide Messmethoden.

Der Spektrumanalysator ist vergleichbar mit dem Oszilloskop, im Gegensatz zu diesem stellt er Signale nicht im Zeitbereich, sondern im Frequenzbereich dar. Der Verlaufsgraph wird auf einem Bildschirm dargestellt, wobei üblicherweise die horizontale Achse (Abszisse) die Frequenzachse ist und die Amplituden auf der vertikalen Achse (Ordinate) abgebildet werden. Das so entstehende Bild wird als Spektrum bezeichnet.

Messmethoden[Bearbeiten]

FFT-Analysator[Bearbeiten]

Die zeitliche, digitale Erfassung eines Signals ermöglicht eine Berechnung eines Spektrums mit Hilfe der schnellen Fourier-Transformation (englisch Fast Fourier Transform, abgekürzt FFT). Dieses Verfahren wird seit den 1990er Jahren in Spektrumanalysatoren eingesetzt. Es ist damit eine relativ einfache und günstige Alternative zu den auf dem Superpositionsprinzip basierenden Messgeräten, die aber in Bezug auf nutzbaren Frequenzbereich, Genauigkeit und Messdynamik sehr begrenzt sind.

Mit Hilfe der FFT soll mit kürzerer Messzeiten die Funktion und Genauigkeit eines bei gleichen Messumfang langsamen Messempfängers nachempfunden werden. Damit können die üblicherweise langen Messzeiten im Rahmen der elektromagnetische Verträglichkeit verkürzt werden. Messungen dieser Art werden Zeitbereich-Messungen oder Zeitbereichsmethoden (englisch Time Domain Measurement) genannt.

Analysatoren nach dem Prinzip des Überlagerungsempfängers[Bearbeiten]

Bei Spektrumanalysatoren nach dem Prinzip des Überlagerungsempfängers wird das zu vermessende Frequenzband durchgestimmt, der Abstimmoszillator ist funktionell ein VCO. Das Eingangssignal des Spektrumanalysators und das Ausgangssignal des LO werden in den Mischer geleitet, der daraus das Zwischenfrequenzsignal erzeugt. Die Amplitude des gleichgerichteten Zwischenfrequenzsignals wird auf einem Bildschirm, vergleichbar mit dem eines Oszilloskops, dargestellt. Für die X-Ablenkung wird die Sägezahnspannung benutzt.

Typische Spektrumanalysatoren verwenden eine Zwischenfrequenz (ZF), die größer ist als die höchste einstellbare Messfrequenz, um die Eindeutigkeit des Empfangs zu gewährleisten. Durch einen Tiefpass am Eingang wird der Empfang von Spiegelfrequenzen verhindert und auch die Abstrahlung des LO-Signals gedämpft.

Bei einem neuartigen, patentierten Verfahren wird der LO moduliert und die Spiegelfrequenzen per CPU wieder herausgerechnet. Damit entfallen teure YIG-Filter, oder die Erfordernisse einer obenliegenden ZF. Dieses Verfahren ermöglicht daher ein sehr niedriges Rauschen. Aktuelle Geräte, welche auf diesem Verfahren basieren, bewegen sich, selbst im hohen Frequenzbereich, bereits nahe an der physikalischen Rauschgrenze von −174 dBm/Hz. Das ist mit dem klassischen Funktionsprinzip von Spektrumanalysatoren nicht möglich.

Die Qualität des LO-Signals hat großen Einfluss auf die Qualität des Spektrumanalysators, da sich die spektrale Breite des LO-Signals als effektive Vergrößerung der statistischen Auflösebandbreite RBW (Resolution Band Width) des möglichst steilflankigen ZF-Filters bemerkbar macht. Rauschseitenbänder begrenzen die Messempfindlichkeit; relativ langsame Frequenzschwankungen (Temperaturänderungen des beheizten Schwingquarzes sorgen für Drift) des Lokaloszillators bewirken eine unscharfe Anzeige und vergrößern die Messunsicherheit.

Auch das ZF-Filter bestimmt die Eigenschaften des Spektrumanalysators. Der ZF-Verstärker ist im Allgemeinen schaltbar, so dass zusammen mit dem Eingangsabschwächer ein bezüglich Aussteuerung und Verzerrung der einzelnen Komponenten optimaler Pegelbereich eingestellt werden kann. Der Logarithmierer erlaubt die Anzeige in Dezibel, da die Ausgangsspannung des nachfolgenden Hüllkurvendetektors zum an ihm anliegenden Signal proportional ist. Die Ausgangsspannung des Detektors entspricht dem zeitlichen Ablauf der Hüllkurve seines Eingangssignals. Darauf folgt das Videofilter, das die angezeigte Kurve glätten soll. Bei einer ZF um 3 GHz kann kein ausreichend schmalbandiges Bandpassfilter realisiert werden, solange keine einfachen supraleitenden Filter benutzt werden.

Die Verwendung mehrerer Zwischenfrequenzen (ZF) hat den Vorteil, dass unerwünschte Mischprodukte besser unterdrückt werden. Die maximale Frequenz solcher Mischprodukte entspricht der Bandbreite des anliegenden Spektrums.

Erweiterungen[Bearbeiten]

Um mit einem Spektrumanalysator Frequenzgänge von Komponenten wie Verstärkern oder Filtern direkt aufnehmen zu können, sind manche Geräte mit einem Mitlaufgenerator ausgestattet, einem Sinussignalgenerator, der ähnlich einem Wobbelgenerator eine Frequenz gleichbleibender Signalamplitude synchron zur Anzeige zur Verfügung stellt. Damit lässt sich mit einem Spektrumanalysator z. B. auch der Frequenzgang der Komponenten sichtbar machen (Transmissionsfaktormessung). Ergänzt man dieses System noch um einen Richtkoppler oder einen Zirkulator, dann lassen sich 1-Tor-Reflexionsfaktormessungen durchführen. Zusammen mit der Transmissionsfaktormessung kann man dadurch die Basisfunktionalitäten eines skalaren 1-Tor-Netzwerkanalysators nachbilden. Echte Netzwerkanalysatoren sind allerdings anders als Spektrumanalysatoren optimiert und können in der Regel neben der Amplitudenmessung auch Phasenmessungen durchführen (Vektor-Netzwerkanalysator).

Literatur[Bearbeiten]

  • CISPR 16: Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods. Part 1-1: Measuring apparatus
  •  Joachim Müller: Praxiseinstieg in die Spektrumanalyse. beam-Verlag, Marburg 2014, ISBN 978-3-88976-164-4.
  •  Christoph Rauscher: Grundlagen der Spektrumanalyse. 3. Auflage. Rohde&Schwarz GmbH, München 2007, ISBN 978-3-939837-00-8.
  • PDF Agilent: Spektrumanalysator basics. Agilent (1,67 MB)

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Spectrum analyzers – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien