Anforderungen An Spektralanalysatoren; Frequenzmessung; Stabilität; Aufl Ösung - Hameg HM5530 Manual

Anforderungen an Spektralanalysatoren

Die verschiedenen Einsatzgebiete der Spektralanalysatoren
erfordern von diesen Geräten vielfältige Eigenschaften, die
sich zum Teil untereinander ausschließen oder sich nur durch
großen Aufwand zusammenfassen lassen. Das Anwendungsge-
biet dieser Geräte liegt vor allen Dingen dort, wo die Genauigkeit
und das zeitliche Auflösungsvermögen sowie die geringe
Dynamik des Oszilloskopes bei der Signalanalyse nicht mehr
ausreichen.
Dabei stehen ein großer Frequenzabstimmbereich, Filteran-
forderungen zwischen extrem schmalbandig und ,,full span"-
Darstellung sowie eine hohe Eingangsempfi ndlichkeit nicht
unbedingt im Gegensatz zueinander. Sie lassen sich jedoch
zusammen mit hoher Aufl ösung, großer Stabilität, möglichst
ebenem Frequenzgang, und geringem Eigenklirrfaktor meist
nur unter großem Aufwand realisieren.

Frequenzmessung

Spektralanalysatoren ermöglichen Frequenzmessungen im
SPAN-Betrieb und bei abgeschaltetem SPAN (Zero-SPAN). In
der Betriebsart SPAN kann der gesamte nutzbare Frequenz-
bereich mit ,,full span" (SPAN: 3000 MHz) betrachtet und die
Frequenz eines Signals grob bestimmt werden. Anschließend
kann diese Frequenz als Mittenfrequenz CENTER vorgegeben
und die Signaldarstellung mit geringerem SPAN vorgenommen
werden.
Je kleiner der SPAN und die Aufl ösungsbandbreite (RBW) sind,
umso höher ist die Frequenzmessgenauigkeit, da sich dann die
Anzeige- und MARKER-Genauigkeit erhöhen (RBW).
Bei ,,Zero Span" und kleinster Aufl ösungsbandbreite genügt
es, das Signal, welches unmoduliert als waagerechte, kons-
tante Linie angezeigt wird, mit den Mittenfrequenz (CENTER)-
Einstellelementen auf maximalen Pegel einzustellen und die
Frequenz abzulesen. Dabei arbeitet der Analysator als ein auf
eine diskrete Frequenz abgestimmter Empfänger mit wählbaren
Bandbreiten.
Stabilität
Es ist wichtig, dass der Spektralanalysator eine größere Fre-
quenzstabilität besitzt als das Signal, das untersucht werden
soll. Die Frequenzstabilität ist abhängig von der Stabilität des
Umsetz- (1. Local-) Oszillators. Dabei wird zwischen Kurzzeit-
und Langzeitstabilität unterschieden. Ein Maß für die Kurzzeit-
Stabilität ist die Rest - FM. Rauschseitenbänder sind ein Maß
für die spektrale Reinheit des (1. Local-) Oszillators, und gehen
ebenfalls in die Kurzzeit-Stabilität eines Spektralanalysators
ein. Sie werden spezifi ziert durch eine Dämpfung in dB und
einen Abstand in Hz, bezogen auf das zu untersuchende Signal
bei einer bestimmten Filterbandbreite.
Die Langzeit-Stabilität eines Spektralanalysators wird über-
wiegend durch die Frequenzdrift des Umsetz-Oszillators (LO)
bestimmt. Sie ist ein Maß dafür, um wie viel die Frequenz sich
innerhalb bestimmter Zeitbereiche ändert.
Aufl ösung
Bevor die Frequenz eines Signals mit dem Spektralanalysator
gemessen werden kann, muss dieses Signal ermittelt bzw.
aufgelöst werden. Aufl ösung heißt dabei, es muss von benach-
A n f o r d e r u n g e n a n S p e k t r a l a n a l y s a t o r e n
barten Signalen im zu untersuchenden Spektrum unterschieden
werden. Diese Möglichkeit ist eine entscheidende Vorausset-
zung für viele Applikationen mit dem Spektralanalysator. Die
Aufl ösung wird bestimmt durch:
– Sweepzeit
– Span (dispersion)
– 6 dB – Bandbreite des schmalbandigsten Verstärkers resp.
Filters.
Die 6 dB/Bandbreite des schmalbandigsten Verstärkers resp.
Filters, falls Gaußverhalten eingehalten wird, nennt man
Aufl ösungsbandbreite, dies ist die schmalste Bandbreite, die
überhaupt dargestellt werden kann, wenn die anderen beiden
Parameter (Sweepzeit und Span) verändert werden.
Wichtige Kennwerte für die Trennbarkeit zweier benachbarter
Spektrallinien mit stark unterschiedlicher Amplitude sind
also die Bandbreite und die Flankensteilheit der ZF-Filter. Die
Bandbreite wird im allgemeinen als die Frequenz angegeben,
bei der der Signalpegel gegenüber der Mittenfrequenz um
3 dB abgefallen ist; bei Spektralanalysatoren ist Abfall um 6 dB
üblich und gilt für den HM5530; dies ist bei einem Bandbreiten-
vergleich zu beachten. Das Verhältnis der 60 dB-Bandbreite zur
3 dB-Bandbreite wird als Formfaktor bezeichnet. Dabei gilt: je
kleiner der Formfaktor, desto besser die Fähigkeit des Spek-
tralanalysators, eng benachbarte Signale zu trennen.
Ist z.B. der Formfaktor eines Filters im Spektralanalysator
15 :1, dann müssen zwei in der Amplitude um 60 dB 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 un-
terschiedlicher Amplitude. Ebenso wird die Trennbarkeit durch
Rest-FM und die spektrale Reinheit der internen Oszillatoren
beeinfl usst. Diese erzeugen Rausch-Seitenbänder und ver-
schlechtern dadurch die erreichbare Aufl ösung. Rausch-Seiten-
bänder werden im Bereich der Basis der ZF-Filter sichtbar, und
verschlechtern die Sperrbereichs-Dämpfung der ZF-Filter.
Ist die kleinste ZF-Bandbreite z.B. 9 kHz, dann ist der kleinste
Frequenzabstand, um 2 Spektrallinien voneinander zu trennen,
ebenfalls 9 kHz. Dies ist deshalb der Fall, weil der Spektrum-
analysator seine eigene ZF-Filterkurve darstellt (wobbelt), wenn
er ein Signal im Spektrum detektiert. Da die Aufl ösung des
Spektralanalysators durch seine ZF-Filterbandbreite bestimmt
wird, könnte man annehmen, dass bei unendlich schmaler
Filterbandbreite auch eine unendlich hohe Aufl ösung erzielt
werden kann. Die Einschränkung ist dabei, dass die nutzbare
ZF-Bandbreite eben durch die Stabilität des Spektralanaly-
sators (Rest-FM) begrenzt wird. D.h., bei einer Rest-FM des
Spektralanalysators von z.B. 9 kHz, ist die kleinste sinnvolle ZF-
Bandbreite, die verwendet werden kann, um ein einzelnes 9 kHz-
Signal zu bestimmen, ebenfalls 9 kHz. Ein schmalbandigeres
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 Wobbelgeschwindigkeit
im Verhältnis zur gewählten Filterbandbreite. Dabei gilt: je
schmaler die Filterbandbreite ist, desto niedriger muss die
Wobbelgeschwindigkeit sein, um dem Filter noch korrektes
Einschwingen zu ermöglichen. Wird die Wobbelgeschwindigkeit
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