Einführung In Die Spektrum-Analyse; Grundlagen Der Spektrum-Analyse - Hameg Instruments Hm5012-2 Handbuch

Einführung in die Spektrum-Analyse
Soll ein Messwert ohne Benutzung des Markers erfasst
werden, so ist zuerst der Abstand, gemessen in dB, von
der obersten Rasterlinie ab, die dem im Readout angezeig-
ten Referenzpegel (R....dBm) entpricht, bis zur Spitze des
Signals zu ermitteln. Zu beachten ist , dass die Skalierung
5 dB/Div. oder 10 dB/Div. betragen kann. Der Pegel des
auf der Seite „Test Signal Display" dargestellten 48MHz
Signals befindet sich ca. 2,2 Raster (Division) unter dem
der Referenzlinie von –10dBm. Bei einer Skalierung von
10dB/div. entsprechen 2,2 Div. einem Wert von 22dB. Der
Signalpegel beträgt somit –10dBm – (22dB) = -32dBm.
Einführung in die Spektrum-Analyse
Die Analyse von elektrischen Signalen ist ein Grundpro-
blem für viele Ingenieure und Wissenschaftler. Selbst wenn
das eigentliche Problem nicht elektrischer Natur ist, werden
oftmals die interessierenden Parameter durch die unter-
schiedlichsten Wandler in elektrische Signale umgewan-
delt. Dies umfasst ebenso Wandler für mechanische Grö-
ßen wie Druck oder Beschleunigung, als auch Messwert-
umformer für chemische und biologische Prozesse. Die
Wandlung der physikalischen Parameter ermöglicht an-
schließend die Untersuchung der verschiedenen Phänome-
ne im Zeit- und Frequenzbereich.
Der traditionelle Weg, elektrische Signale zu analysie-
ren, ist ihre Darstellung in der Amplituden-Zeit-Ebene.
Diese erfolgt u.a. mit Oszilloskopen im Yt-Betrieb, d.h.
es werden Informationen über Amplituden und zeitliche
Zusammenhänge erkennbar. Allerdings lassen sich da-
mit nicht alle Signale ausreichend charakterisieren, wie
z.B. bei der Darstellung einer Signalform, die aus ver-
schiedenen sinusförmigen Bestandteilen zusammenge-
setzt ist. Mit einem Oszilloskop würde nur die Summe
aller Bestandteile sichtbar werden und die einzelnen
Frequenz- und Amplituden-Anteile
nicht erfassbar.
Mit der Fourier-Analyse lässt sich nachweisen, dass sich
periodische Zeitfunktionen als Überlagerung harmonischer
periodischer Funktionen darstellen lassen. Hierdurch lässt
sich eine beliebige, noch so komplizierte Zeitfunktion einer
charakteristischen Spektralfunktion in der Frequenzebene
zuordnen.
Diese Informationen lassen sich am besten durch Spek-
trum-Analysatoren ermitteln. Mit ihnen erfolgt die Signaldar-
stellung in der Amplituden-Frequenz-Ebene (Yf). Dabei wer-
den die einzelnen Spektralkomponenten und ihre Amplitu-
den angezeigt.
Die hohe Eingangsempfindlichkeit
Dynamikbereich von Spektrum-Analysatoren ermöglichen
die Analyse von Signalen, die mit einem Oszilloskop nicht
darstellbar sind. Ähnlich verhält es sich mit dem Nachweis
von Verzerrungen sinusförmiger Signale, dem Nachweis
niedriger Amplituden-Modulation und Messungen im Be-
reich der AM- und FM-Technik, wie Trägerfrequenz,
Modulationsfrequenz oder
Ebenso lassen sich Frequenzkonverter in Bezug auf
Übertragungsverluste und Verzerrungen einfach charakte-
risieren.
Eine weitere Anwendung von Spektrum-Analysatoren, die
mit Mitlaufsendern ausgerüstet sind, sind Messungen an
Vierpolen, wie z.B. Frequenzgangmessungen an Filtern und
Verstärkern.
18
wären meistens
und der große
Modulationsgradmessungen.
Grundlagen Spektrum-Analysatoren
Spektrum-Analysatoren lassen sich nach zwei grundsätzli-
chen Verfahren unterscheiden: gewobbelte bzw. abge-
stimmte sowie Echtzeit-Analysatoren. Echtzeit-Analysatoren
nach dem Prinzip der diskreten Fouriertransformation beste-
hen aus der Parallelschaltung einer Vielzahl von frequenz-
selektiven Indikatoren. Es können dabei so viele diskrete Fre-
quenzen zur Anzeige gebracht werden, wie Filter vorhanden
sind. Die Grenze der Wirtschaftlichkeit wird hier je nach An-
zahl und Güte der Filter teilweise schnell erreicht.
Fast alle modernen Spektrum-Analysatoren arbeiten des-
halb nach dem Überlagerungsprinzip (Superheterodyne-
Prinzip). Ein Verfahren ist dabei, die Mittenfrequenz eines
Bandpassfilters über den gewünschten Frequenzbereich
abzustimmen. Ein Detektor erzeugt dabei eine vertikale
Ablenkung auf dem Bildschirm, und ein durchstimmbarer
Generator sorgt für die synchrone Abstimmung der Filter-
mittenfrequenz und der Horizontalablenkung. Dieses ein-
fache Prinzip ist relativ preiswert, hat jedoch große Nach-
teile in Bezug auf Selektion und Empfindlichkeit; unter an-
derem auf Grund der nicht konstanten Bandbreite bei
abgestimmten Filtern.
Die gebräuchlichste Art der Spektrum-Analysatoren unter-
scheidet sich hiervon insofern, dass für die Selektion ein
Bandpassfilter mit fester Mittenfrequenz verwendet wird.
Es lässt zu jedem Zeitpunkt denjenigen Anteil der zu analy-
sierenden Funktion passieren, für den gilt finp(t) = fLO(t) ± fZF.
Durch die Umsetzung auf eine feste Zwischenfrequenz
werden die Nachteile des Systems mit abstimmbarem
Bandpassfilter umgangen.
Der nutzbare Frequenzbereich und die Grenzempfindlich-
keit eines Spektrum-Analysators hängen zum größten Teil
vom Konzept und der technischen Ausführung des Ein-
gangsteils ab. Das HF-Eingangsteil wird durch die Kompo-
nenten Eingangsabschwächer, Eingangsfilter, Mischer und
Umsetzoszillator (LO) bestimmt.
Das zu analysierende Signal gelangt über den in 10dB-
Schritten schaltbaren Eingangsabschwächer auf ein Ein-
gangsfilter. Dieses Filter erfüllt mehrere Aufgaben: Es ver-
hindert in gewissem Maße den Mehrfachempfang eines
Signals, den Direktempfang der Zwischenfrequenz (ZF-
Durchschlag) und unterdrückt die Rückwirkung des Oszilla-
tors auf den Eingang. Der Eingangsmischer ist zusammen
mit dem durchstimmbaren Oszillator (1. LO) für die Umset-
zung der Eingangssignale zuständig. Er bestimmt die fre-
quenzabhängige Amplitudencharakteristik und die dynami-
schen Eigenschaften des Gerätes.
Der Analysator arbeitet im Prinzip wie ein elektronisch ab-
gestimmter Schmalbandempfänger. Die Frequenzabstim-
mung erfolgt durch den Umsetzoszillator (1. LO; ,,Local
Oscillator"), dessen Signal auf die 1. Mischstufe (Eingangs-
mischer) gelangt. Das gesamte am Analysatoreingang vor-
handene Frequenzspektrum
ebenfalls auf die 1. Mischstufe. Am Ausgang der 1. Misch-
stufe kommen folgende Signale vor:
1. Signal (fLO) des 1. Umsetzoszillators (1. LO), dessen
Frequenz immer um 1350,7MHz über der gewünschten
Eingangsfrequenz liegen muss. Die Frequenz des 1. LO
beträgt für 0kHz somit 1350,7MHz (0kHz + 1350,7MHz).
Bei 150kHz muss
1350,7MHz) betragen und bei 1050MHz sind es
2400,7MHz (1050MHz + 1350,7MHz).
(Eingangsspektrum) gelangt
sie 1350,85MHz (150kHz
Änderungen vorbehalten
+