Anforderungen Der Spektrum-Analyse; Frequenzmessung; Stabilität; Auflösung - Hameg HM5012-2 Manual

Einführung in die Spektrum-Analyse
1. LO – bei Abstimmung auf 0 kHz = 1350,7 MHz - zum Ausgang
des Bandpassfilters gelangen, von wo aus die weitere
Signalverarbeitung erfolgt.
Anmerkung: Das vom 1. LO bewirkte „0 kHz-Signal" ist
unvermeidlich und kann bei Messungen mit 1 MHz Auflösungs-
bandbreite (RBW) im Bereich von 150 kHz bis ca. 2,5 MHz stören.
Mit einer niedrigeren Auflösungsbandbreite lassen sich derartige
Effekte vermeiden.
Bei der Messung wird zwischen Zero-Span (Messbereichsumfang
= Spanne gleich Null) und von Null abweichendem Span
(Messbereichsumfang) unterschieden.
Folgende Bedingungen liegen vor, je nach dem ob ohne oder
mit SPAN gemessen wird:
Im Zero-Span Betrieb erzeugt der 1. LO eine feste Frequenz, die
1350,7 MHz höher als die zu analysierende Eingangsfrequenz
sein muss. Der Analysator zeigt dann nur die gewünschte
Eingangsfrequenz und die Frequenzanteile an, die abhängig von
der gewählten Auflösungsbandbreite (RBW) über die ZF-Filter
gelangen.
Liegt Zero-Span nicht vor, wird ein Frequenzbereich angezeigt,
dessen Umfang von der Span-Einstellung abhängig ist. Beträgt
z.B. die Mittenfrequenz 500MHz und der Span 1000MHz (full
span), beginnt die Messung - angezeigt am linken Rand der
Darstellung - mit 0kHz und endet – am rechten Rand der Darstellung
- mit 1000MHz. Bei dieser Einstellung wird die Frequenz des 1. LO
zeitlinear von 1350,7MHz auf 2400,7MHz erhöht, bis ein Sweep
erfolgt ist und der Nächste beginnt.
Zwischen dem zu analysierenden Frequenzbereich (SPAN-Einstel-
lung) und der Auflösungsbandbreite (RBW) bestehen physikalische
Zusammenhänge, welche die Anzeige von zu niedrigen Signalpegeln
bewirken können. Derartige Fehler entstehen, wenn die Messzeit
nicht die Erfordernisse der vom ZF- und/oder Video-Filter benötigten
Einschwingzeit erfüllt (d.h. die Messzeit zu kurz ist). Mit der UNCAL.-
Anzeige werden derartige Bedingungen signalisiert.
Anforderungen an Spektrum-Analysatoren
Die verschiedenen Einsatzgebiete der Spektrum-Analysatoren
erfordern von diesen Geräten vielfältige Eigenschaften, die sich
zum Teil untereinander ausschließen oder sich nur durch großen
Aufwand zusammenfassen lassen. Das Anwendungsgebiet 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, Filteranfor-
derungen zwischen extrem schmalbandig und ,,full span"-
Darstellung sowie eine hohe Eingangsempfindlichkeit nicht
unbedingt im Gegensatz zueinander. Sie lassen sich jedoch
zusammen mit hoher Auflösung, großer Stabilität, möglichst
geradem Frequenzgang, und geringem Eigenklirrfaktor meist nur
unter großem Aufwand realisieren.

Frequenzmessung

Spektrum-Analysatoren ermöglichen Frequenzmessungen im
SPAN-Betrieb und bei abgeschaltetem SPAN (Zero-SPAN). In der
Betriebsart SPAN kann der gesamte nutzbare Frequenzbereich
mit ,,full span" (SPAN: 1000MHz) betrachtet und die Frequenz
eines Signals grob bestimmt werden. Anschließend kann diese
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Frequenz als CENTER FREQ. vorgegeben und die Signal-
darstellung mit geringerem SPAN vorgenommen werden.
Je kleiner der SPAN und die Auflösungsbandbreite (RBW) sind,
umso höher ist die Frequenzmessgenauigkeit, da sich dann die
Anzeige- und MARKER-Genauigkeit erhöhen (RBW).
Bei ,,Zero Span" und kleinster Auflösungsbandbreite genügt es,
das Signal, welches unmoduliert als waagerechte, konstante Li-
nie angezeigt wird, mit dem CENTER FREQ.-Einsteller auf maxi-
malen Pegel einzustellen und die Frequenz abzulesen. Dabei ar-
beitet der Analysator als ein auf eine diskrete Frequenz abge-
stimmter Empfänger mit wählbaren Bandbreiten.
Stabilität
Es ist wichtig, dass der Spektrum-Analysator eine größere
Frequenzstabilität 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 Spektrum-Analysators ein. Sie werden
spezifiziert durch eine Dämpfung in dB und einen Abstand in Hz,
bezogen auf das zu untersuchende Signal bei einer bestimmten
Filterbandbreite.
Die Langzeit-Stabilität eines Spektrum-Analysators 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.
Auflösung
Bevor die Frequenz eines Signals mit dem Spektrum-Analysator
gemessen werden kann, muss dieses Signal ermittelt bzw. aufgelöst
werden. Auflösung heißt dabei, es muss von benachbarten Signalen
im zu untersuchenden Spektrum unterschieden werden. Diese
Möglichkeit ist eine entscheidende Voraussetzung für viele Appli-
kationen mit dem Spektrum-Analysator, und wird grundsätzlich,
neben anderen Faktoren, durch dessen kleinste ZF-Filterbandbreite
bestimmt.
Wichtige Kennwerte für die Trennbarkeit zweier benachbarter
Spektrallinien mit stark unterschiedlicher Amplitude sind die
Bandbreite und die Flankensteilheit der ZF-Filter. Die Bandbreite
wird als Frequenz angegeben, bei der der Signalpegel gegenüber
der Mittenfrequenz um 3dB abgefallen ist. Das Verhältnis der
60dB-Bandbreite zur 3dB-Bandbreite wird als Formfaktor bezeich-
net. Dabei gilt: je kleiner der Formfaktor, desto besser die Fähigkeit
des Spektrum-Analysators, eng benachbarte Signale zu trennen.
Ist z.B. der Formfaktor eines Filters im Spektrum-Analysator 15:1,
dann müssen zwei in der Amplitude um 60dB unterschiedliche
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 unter-
schiedlicher Amplitude. Ebenso wird die Trennbarkeit durch Rest-
FM und die spektrale Reinheit der internen Oszillatoren beeinflusst.
Diese erzeugen Rausch-Seitenbänder, und verschlechtern dadurch
die erreichbare Auflösung. Rausch-Seitenbänder werden im Bereich
der Basis der ZF-Filter sichtbar, und verschlechtern die Sperrbereichs-
Dämpfung der ZF-Filter.
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