Rauschen; Video-Filter - Hameg Instruments Hm5012-2 Handbuch

Einführung in die Spektrum-Analyse
trum-Analysator, und wird grundsätzlich, neben anderen
Faktoren, durch dessen kleinste ZF-Filterbandbreite be-
stimmt.
Wichtige Kennwerte
benachbarter Spektrallinien
Amplitude sind die Bandbreite und die Flankensteilheit
der ZF-Filter. Die Bandbreite wird als Frequenz angege-
ben, bei der der Signalpegel gegenüber der Mitten-
frequenz um 3dB abgefallen ist. Das Verhältnis der 60dB-
Bandbreite zur 3dB-Bandbreite wird als Formfaktor be-
zeichnet. Dabei gilt: je kleiner der Formfaktor, desto bes-
ser die Fähigkeit des Spektrum-Analysators, eng benach-
barte Signale zu trennen.
Ist z.B. der Formfaktor eines Filters im Spektrum-Analysator
15:1, dann müssen zwei in der Amplitude um 60dB unter-
schiedliche Signale sich in der Frequenz mindestens um
den Faktor 7,5 der ZF-Filterbandbreite unterscheiden, um
einzeln erkennbar zu sein. Andernfalls erscheinen sie als
ein Signal auf dem Bildschirm.
Der Formfaktor ist jedoch nicht der allein bestimmende
Faktor zur Unterscheidung zweier eng benachbarter Signale
mit unterschiedlicher Amplitude. Ebenso wird die Trennbar-
keit durch Rest-FM und die spektrale Reinheit der internen
Oszillatoren beeinflusst. Diese erzeugen Rausch-Seitenbän-
der, und verschlechtern dadurch die erreichbare Auflösung.
Rausch-Seitenbänder werden im Bereich der Basis der ZF-
Filter sichtbar, und verschlechtern die Sperrbereichs-Däm-
pfung der ZF-Filter.
Ist die kleinste ZF-Bandbreite z.B. 9kHz, dann ist der kleins-
te Frequenzabstand, um 2 Spektrallinien voneinander zu
trennen, ebenfalls 9kHz. Dies ist deshalb der Fall, weil der
Spektrum-Analysator seine eigene ZF-Filterkurve darstellt,
wenn er ein Signal im Spektrum detektiert. Da die Auflö-
sung des Spektrum-Analysators durch seine ZF-Filterband-
breite bestimmt wird, könnte man annehmen, dass bei un-
endlich schmaler Filterbandbreite auch eine unendlich ho-
he Auflösung erzielt werden kann. Die Einschränkung ist
dabei, dass die nutzbare ZF-Bandbreite durch die Stabilität
des Spektrum-Analysators (Rest-FM) begrenzt wird. D.h.,
bei einer Rest-FM des Spektrum-Analysators von z.B.
9kHz, ist die kleinste sinnvolle ZF-Bandbreite, die verwen-
det werden kann um ein einzelnes 9kHz-Signal zu bestim-
men, ebenfalls 9kHz. Ein schmal-bandigeres ZF-Filter wür-
de in diesem Fall mehr als eine Spektrallinie auf dem Bild-
schirm abbilden, oder ein jitterndes Bild (je nach Wobbel-
geschwindigkeit), oder ein nur zum Teil geschriebenes
Bild erzeugen. Außerdem besteht eine weitere praktische
Einschränkung für die schmalste Filterbandbreite: die Abt-
ast- oder Scan-Geschwindigkeit im Verhältnis zur gewähl-
ten Filterbandbreite. Dabei gilt: je schmaler die Filter-
bandbreite ist, desto
geschwindigkeit sein, um dem Filter korrektes Einschwin-
gen zu ermöglichen.
Wird die Scangeschwindigkeit zu groß gewählt, d.h. die Fil-
ter sind u.U. noch nicht eingeschwungen, so resultiert dies
in unkorrekter Amplitudendarstellung des Spektrums. Im
allgemeinen werden die einzelnen Spektrallinien dann mit
zu niedriger Amplitude dargestellt. Auf diese Weise sind
praktische Grenzen für die kleinste Filterbandbreite gesetzt.

Rauschen

Die Empfindlichkeit ist ein Maß für die Fähigkeit des Spek-
trum-Analysators, kleine Signale zu messen. Die maximale
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für die Trennbarkeit
mit stark unterschiedlicher
geringer muss die
Empfindlichkeit wird durch das Eigenrauschen bestimmt.
Hier unterscheidet man grundsätzlich zwei Arten: thermi-
sches- und nicht-thermisches Rauschen. Das thermische
Rauschen wird mit der Formel
zweier
PN = K × T × B
beschrieben. Dabei ist:
PN = Rauschleistung in Watt
K = Boltzmann Konstante (1,38 × 10-23 Joule/K)
T = absolute Temperatur (K)
B = Bandbreite des Systems in Hz
Diese Gleichung zeigt, dass die Größe des Rauschens di-
rekt proportional zur Bandbreite ist. Daraus folgt, dass
eine Bandbreitenreduzierung der Filter um eine Dekade
das Rauschen prinzipiell um 10dB senkt, was wiederum
eine Empfindlichkeitssteigerung des Systems um 10dB
bedingt.
Alle weiteren Rauschquellen des Analysators werden als
nicht-thermisch angenommen. Unerwünschte Abstrahlun-
gen, Verzerrungen auf Grund nichtlinearer Kennlinien und
Fehlanpassungen
Rauschen. Unter der Übertragungsgüte oder Rauschzahl
versteht man
Rauschquellen, zu denen das thermische Rauschen ad-
diert wird, um die Gesamtrauschzahl des Systems zu er-
halten. Dieses Rauschen, welches auch auf dem Schirm
sichtbar wird, bestimmt die Empfindlichkeit eines Spek-
trum-Analysators.
Da der Rauschpegel sich mit der Bandbreite ändert, ist es
notwendig sich
Analysatoren auf die gleiche Filterbandbreite zu beziehen.
Spektrumanalysatoren werden über ein breites Frequenz-
band gewobbelt,
Messinstrumente. Alle Signale die im Frequenzbereich
des Spektrum-Analysators liegen, werden auf eine Zwi-
schen-frequenz konvertiert und durchlaufen so die ZF-Fil-
ter. Der Detektor hinter dem ZF-Filter sieht nur den
Rauschanteil, der innerhalb der schmalen Filterbandbreite
liegt. Daher wird auf dem Sichtschirm nur das Rauschen
dargestellt, welches innerhalb des Durchlassbereiches
des ZF-Filters liegt. Bei der Messung diskreter Signale
wird die maximale Empfindlichkeit also mit dem schmals-
ten ZF-Filter erreicht.

Video-Filter

Die Messung kleiner Signale kann sich immer dann
schwierig gestalten, wenn die Signalamplitude im glei-
chen Pegelbereich wie das mittlere Rauschen des Spek-
Scan- trum-Analysators liegt. Um für diesen Fall die Signale bes-
ser sichtbar zu machen, lässt sich im Signalweg des Spek-
trum-Analysators hinter dem ZF-Filter ein Video-Filter zu-
schalten. Durch dieses Filter, mit einer Bandbreite von we-
nigen kHz, wird das interne Rauschen des Spektrum-Ana-
lysators gemittelt. Dadurch wird unter Umständen ein
sonst im Rauschen verstecktes Signal sichtbar.
Wenn die ZF-Bandbreite sehr schmal im Verhältnis zum
eingestellten SPAN ist, sollte das Video-Filter nicht einge-
schaltet werden, da dies zu einer zu niedrig dargestellten
Amplitude auf Grund der Bandbreiten-begrenzung führen
kann. (Eine nicht zulässige Kombination der eingestellten
Parameter wird durch die UNCAL. Anzeige im READOUT
angezeigt).
sind Quellen von nicht-thermischem
normalerweise die nicht-thermischen
beim Empfindlichkeitsvergleich
sind aber eigentlich
Änderungen vorbehalten
zweier
schmalbandige