Optical Spectrum Analyzer

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). Moderne Messempfänger enthalten beide Arten der Analysatoren.

Der Spektrumanalysator ist vergleichbar mit dem Oszilloskop, im Gegensatz zu diesem stellt er Signale nicht im Zeitbereich, sondern im Frequenzbereich dar. Der Verlaufsgraphen 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.

Spektrumanalysator Rohde & Schwarz FSL

Analysatoren

FFT-Analysator

Spektrum eines frequenzmodulierten NF-Signals mit starken Oberwellen. Rot = hohe Intensität

Die zeitliche, digitale Erfassung eines Signals ermöglicht eine Berechnung eines Spektrums mit Hilfe der Schnellen Fourier-Transformation (engl. 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 Überlagerungsprinzip basierenden Messgeräten, die aber in Bezug auf nutzbaren Frequenzbereich, Genauigkeit und Messdynamik sehr begrenzt sind.

Heute entstehen immer mehr Verfahren, die mit Hilfe der FFT die Funktion und Genauigkeit eines Messempfängers nachempfinden. Hauptsächlich will man damit die langen Messzeiten verkürzen, wie sie bei Messungen für die Elektromagnetischen Verträglichkeit notwendig sind. Messungen dieser Art werden Zeitbereich-Messungen oder Zeitbereichsmethoden (engl. Time-Domain-Measurement) genannt. Insbesondere in Deutschland wurde in den vergangenen Jahren viel Forschung betrieben und es entstanden Lösungen, sowohl in kommerziellen Messgeräten implementiert, als auch aus einzelnen Komponenten (Messempfänger, Digitaloszilloskop, PC) zum Eigenbau.

Spektrum eines Schaltnetzteils (Spread Spectrum) in der Aufwärmphase inkl. Wasserfalldarstellung des zeitlichen Verlaufs

Blockschaltbild eines Analysators nach dem Prinzip des Überlagerungsempfänger

Analysatoren nach dem Prinzip des Überlagerungsempfängers

Aufgrund der begrenzten Bandbreite verfügbarer A/D-Wandler eignen sich FFT-Analysatoren lediglich für Messungen an niederfrequenten Signalen. Um dennoch Spektren höherfrequenter Signale bis in den Millimeterwellenbereich messen zu können, werden Spektrumanalysatoren nach dem Prinzip des Überlagerungsempfängers verwendet. Im Unterschied zum Überlagerungsempfänger in einem Radio wird das zu vermessende Frequenzband entsprechend der aktuellen Spannungshöhe eines Sägezahngenerators (gleichmäßiger Anstieg und danach rascher Abfall der Spannung) durchgestimmt, d.h. die Frequenz am Ausgang des Abstimmoszillators oder Lokaloszillators (LO) hängt von seiner Eingangsspannung ab. Der Abstimmoszillator ist daher funktionell ein VCO. Das Eingangssignal des Spektrumanalysators und das Ausgangssignal des LO wird in den Mischer geleitet, der daraus das Zwischenfrequenzsignal erzeugt. Die Amplitude des gleichgerichteten Zwischenfrequenzsignales 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-Signales 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. Dies ist mit dem klassischen Funktionsprinzip von Spektrumanalysatoren hingegen bisher nicht möglich.

Die Qualität des LO-Signales 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 (kurz Detektor) 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

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 einens skalaren 1-Tor-Netzwerkanalysators nachbilden. Echte Netzwerkanalysatoren sind anders als Spektrumanalysatoren optimiert und können in der Regel neben der Amplitudenmessung auch Phasenmessungen durchführen (Vektornetzwerkanalysator).

Siehe auch

• Signalanalysator

Literatur

• CISPR 16: Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods. Part 1-1: Measuring apparatus
• Christoph Rauscher: Grundlagen der Spektrumanalyse. 3. Auflage. Rohde&Schwarz GmbH, München 2007, ISBN 978-3-939837-00-8 (Erste Auflage aus dem Jahr 2000 als PDF. ; Stand: 25. Februar 2009). 
• PDF Agilent: Spektrumanalysator basics. Agilent

Weblinks

• Aufbau und Bedienung elektronischer Spektrumanalysatoren