Rauschen; Video-Filter - Hameg hm5012-2 Handbuch

Ist die kleinste ZF-Bandbreite z.B. 9kHz, dann ist der kleinste
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 Auflösung des Spektrum-
Analysators durch seine ZF-Filterbandbreite bestimmt wird, könnte
man annehmen, dass bei unendlich schmaler Filterbandbreite
auch eine unendlich hohe 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 verwendet werden
kann um ein einzelnes 9kHz-Signal zu bestimmen, ebenfalls
9kHz. Ein schmal-bandigeres ZF-Filter würde in diesem Fall mehr
als eine Spektrallinie auf dem Bildschirm abbilden, oder ein
jitterndes Bild (je nach Wobbelgeschwindigkeit), oder ein nur zum
Teil geschriebenes Bild erzeugen. Außerdem besteht eine weitere
praktische Einschränkung für die schmalste Filterbandbreite: die
Abtast- oder Scangeschwindigkeit im Verhältnis zur gewählten
Filterbandbreite. Dabei gilt: je schmaler die Filterbandbreite ist,
desto geringer muss die Scangeschwindigkeit sein, um dem
Filter korrektes Einschwingen zu ermöglichen.
Wird die Scangeschwindigkeit zu groß gewählt, d.h. die Filter 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 Spektrum-
Analysators, kleine Signale zu messen. Die maximale
Empfindlichkeit wird durch das Eigenrauschen bestimmt. Hier
unterscheidet man grundsätzlich zwei Arten: thermisches- und
nicht-thermisches Rauschen. Das thermische Rauschen wird mit
der Formel 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 direkt
proportional zur Bandbreite ist. Daraus folgt, dass eine Bandbreiten-
reduzierung 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 Abstrahlungen, Ver-
zerrungen auf Grund nichtlinearer Kennlinien und Fehlanpassungen
sind Quellen von nicht-thermischem Rauschen. Unter der Übertra-
gungsgüte oder Rauschzahl versteht man normalerweise die nicht-
thermischen Rauschquellen, zu denen das thermische Rauschen
addiert wird, um die Gesamtrauschzahl des Systems zu erhalten.
Dieses Rauschen, welches auch auf dem Schirm sichtbar wird,
bestimmt die Empfindlichkeit eines Spektrum-Analysators.
Da der Rauschpegel sich mit der Bandbreite ändert, ist es notwendig
sich beim Empfindlichkeitsvergleich zweier Analysatoren auf die
gleiche Filterbandbreite zu beziehen. Spektrumanalysatoren werden
über ein breites Frequenz-band gewobbelt, sind aber eigentlich
schmalbandige Messinstrumente. Alle Signale die im Frequenz-
bereich des Spektrum-Analysators liegen, werden auf eine Zwischen-
Änderungen vorbehalten
Einführung in die Spektrum-Analyse
frequenz konvertiert und durchlaufen so die ZF-Filter. 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 schmalsten ZF-Filter erreicht.

Video-Filter

Die Messung kleiner Signale kann sich immer dann schwierig
gestalten, wenn die Signalamplitude im gleichen Pegelbereich
wie das mittlere Rauschen des Spektrum-Analysators liegt. Um
für diesen Fall die Signale besser sichtbar zu machen, lässt sich
im Signalweg des Spektrum-Analysators hinter dem ZF-Filter ein
Video-Filter zuschalten. Durch dieses Filter, mit einer Bandbreite
von wenigen kHz, wird das interne Rauschen des Spektrum-
Analysators gemittelt. Dadurch wird unter Umständen ein sonst
im Rauschen verstecktes Signal sichtbar.
Wenn die ZF-Bandbreite sehr schmal im Verhältnis zum einge-
stellten SPAN ist, sollte das Video-Filter nicht eingeschaltet
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).
Empfindlichkeit - Max. Eingangspegel
Die Spezifikation der Eingangsempfindlichkeit eines Spektrum-
Analysators ist etwas willkürlich. Eine Möglichkeit der Spezifikation
ist, die Eingangsempfindlichkeit als den Pegel zu definieren, bei
dem die Signalleistung der mittleren Rauschleistung des
Analysators entspricht. Da ein Spektrum-Analysator immer Signal
plus Rauschen misst, erscheint bei Erfüllung dieser Definition das
zu messende Signal 3 dB oberhalb des Rauschpegels.
Die maximal zulässige Eingangsspannung für einen Spektrum-
Analysator ist der Pegel, der zur Zerstörung (Burn Out) der
Eingangsstufe führt. Dies ist bei einem Pegel von +10dBm für
den Eingangsmischer, und +20 dBm für den Eingangs-
abschwächer der Fall. Bevor der ,,burn out"-Pegel erreicht wird,
setzt eine Verstärkungskompression beim Spektrum-Analysator
ein. Diese ist unkritisch, solange eine Kompression von 1dB nicht
überschritten wird.
Darüber hinaus kann davon ausgegangen werden, dass der
Analysator Nichtlinearitäten auf Grund von Übersteuerung
produziert. Außerdem steigt die Gefahr einer unbemerkten
Überlastung der Eingangsstufe, weil sich einzeln dargestellte
Spektrallinien in der Abbildung auf dem Bildschirm auch bei
einsetzender Verstärkungskompression meist nur unmerklich
verändern. Auf jeden Fall entspricht die Abbildung der Amplituden
nicht mehr den tatsächlichen Verhältnissen.
Bei jeder Signalanalyse entstehen im Spektrum-Analysator selbst
Verzerrungsprodukte, und zwar größtenteils verursacht durch die
nichtlinearen Eigenschaften der Eingangsstufe. Sie bewegt sich
beim HM 5012-2 / 5014-2 in der Größenordnung von >75 dB
unterhalb des Eingangspegels, solange dieser nicht größer als -
30dBm ist. Um größere Eingangssignale verarbeiten zu können,
ist dem Mischer ein Eingangsabschwächer vorgeschaltet. Das
größte Eingangssignal, welches der Spektrum-Analysator bei
jeder beliebigen Stellung des Abschwächers verarbeiten kann
ohne ein bestimmtes Maß an Verzerrungen zu überschreiten,
wird der ,,optimale Eingangspegel" genannt. Das Signal wird
dabei soweit abgeschwächt, dass der Mischer keinen größeren
Pegel als -30dBm angeboten bekommt. Anderenfalls wird der
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