Spektrumanalysator

Was ist ein Spektrumanalysator?

Ein Spektrumanalysator ist ein Gerät, das die Amplitude (Stärke) eines Signals misst und anzeigt, wie sie sich über seinen Frequenzbereich (Spektrum) mit der Frequenz ändert. Die Frequenz wird auf der horizontalen Achse (X-Achse) und die Amplitude auf der vertikalen Achse (Y-Achse) dargestellt. Ein Spektrumanalysator sieht aus wie ein Oszilloskop, und tatsächlich können einige Geräte entweder als Oszilloskop oder als Spektrumanalysator arbeiten.

Bedeutung von Spektrumanalysatoren

Hochfrequenzsignale (HF-Signale) und drahtlose Kommunikation sind heute allgegenwärtig: WLAN, mobile Kommunikation, drahtlose Sensoren für das Internet der Dinge (IoT), herkömmlicher Funk, Radar und vieles mehr. Um solche Schaltungen und Systeme zu testen und zu entwerfen, ist es nützlich, das gesamte Signalspektrum und andere Faktoren wie Störsignale, Rauschen, modulierte Signalbreite und so wieter zu sehen.

Geräte wie Wobbelspektrumanalysatoren und Vektorsignalanalysatoren bieten solche Funktionen nicht. Außerdem liefern sie nur Momentaufnahmen des Signals im Frequenz- oder Modulationsbereich, die den dynamischen und transienten Charakter moderner HF-Signale nicht beschreiben können. Hier sind Spektrumanalysatoren sehr hilfreich.

Was messen Spektrumanalysatoren?

Ein Spektrumanalysator zeigt ein Spektrum von Signalamplituden bei verschiedenen Frequenzen an. Er ermöglicht eine Analyse, mit der festgestellt werden kann, ob Signale innerhalb der geforderten Grenzen liegen. Er zeigt Störsignale, komplexe Wellenformen, seltene kurzzeitige Ereignisse und Rauschen an. Spektrumanalysatoren können auch transiente Signale analysieren, Burst-Übertragungen und Störimpulse erkennen und anzeigen, ob stärkere Signale schwächere überdecken.

Spektrumanalysatoren werden häufig zur Untersuchung des dynamischen Frequenzspektrums moderner HF- und Audiosignale verwendet, das sich im Laufe der Zeit ändert. Sie zeigen die verschiedenen Elemente der Signale und die Leistung der Schaltungen, die sie erzeugen. Experten verwenden sie auch, um zu ermitteln, welche Änderungen erforderlich sein könnten, um Interferenzen zu reduzieren und so die Leistung von WLAN-Systemen und drahtlosen Routern zu verbessern.

Typen von Spektrumanalysatoren

Es gibt verschiedene Typen von Spektrumanalysatoren.

Swept-Tuned oder Superheterodyn

Ein Swept-Tuned- oder Superheterodyn-Spektrumanalysator wandelt einen Teil des Eingangssignals in die Mittenfrequenz eines Bandpassfilters um, indem ein spannungsgesteuerter Oszillator über einen Frequenzbereich betrieben wird. Auf diese Weise kann der gesamte Frequenzbereich des Geräts analysiert werden. In diesem Fall ist die Auflösebandbreite eng mit der vom Gerät erkennbaren Mindestbandbreite verknüpft und wird vom Bandpassfilter gesteuert. Eine kleinere Bandbreite führt zu einer höheren spektralen Auflösung und umgekehrt.

Fast Fourier Transformation (FFT)

Einige digitale Spektrumanalysatoren verwenden die Fourier-Transformation, eine Methode zur Zerlegung eines Signals in seine einzelnen Frequenzen. Diese Analysatoren benötigen eine Abtastfrequenz, die mindestens doppelt so hoch ist wie die Bandbreite, da die Frequenzauflösung der Kehrwert der Zeit ist, über die die Welle gemessen und Fourier-transformiert wird.

Echtzeit

Echtzeitanalysatoren erfassen die Echtzeitbandbreite und zeichnen das eingehende HF-Spektrum über einen begrenzten Zeitraum auf, wobei die Informationen mit einem Algorithmus zur Fast Fourier Transformation umgewandelt werden. Da die Datenerfassung in Echtzeit erfolgt, gibt es keine Blindzeit und keine Lücken im berechneten HF-Spektrum.

Audio

Spektrumanalysatoren können auch im Audiospektrum eingesetzt werden und zeigen die Lautstärkepegel der für den Menschen hörbaren Frequenzbänder an. Diese Methode wird verwendet, um die Harmonischen eines Audiosignals zu analysieren. Diese Art von Spektrumanalysatoren, früher Wellenanalysatoren genannt, wird häufig von Toningenieuren verwendet und kann auf fast jedem Computer mit einer Soundkarte ausgeführt werden.

Vor- und Nachteile von Spektrumanalysatoren

Bei Sweep-Tuned-Analysatoren muss ein Kompromiss zwischen der Aktualisierungsgeschwindigkeit der Anzeige über den gesamten Frequenzbereich und der Auflösung eingegangen werden. Bei schwachen Signalen ist vor der Analyse ein Vorverstärker erforderlich.

FFT-Analysatoren können die Leistungsfähigkeit von Analog-Digital-Wandlern übersteigen. Sie benötigen auch eine erhebliche Rechenleistung, was den möglichen Frequenzbereich einschränkt, der analysiert werden kann.

Echtzeit-FFT-Analysatoren bieten jedoch eine gute Auflösung und reduzieren Abtastlücken.

Funktionsweise von Spektrumanalysatoren

Bei den meisten Spektrumanalysatoren kann der Benutzer eine Start- und Stoppfrequenz sowie eine Mittenfrequenz einstellen. Diese sind auch die Frequenzachse, die verwendet wird, um den Durchlassbereich zu bestimmen, zum Beispiel den Bereich zwischen Start- und Stoppfrequenz. Der Spektrumanalysator misst das Funkrauschen und analysiert, wie nahe zwei Signale beieinanderliegen können, ohne dass sie in zwei separate Spitzen aufgelöst werden.

Er verwendet eine lineare Skala für die Signalfrequenz und eine logarithmische oder Dezibel-Skala für die Amplitude. Letztere ermöglicht es dem Gerät, Signale mit großen Amplitudenunterschieden auf demselben Bildschirm anzuzeigen.

Die Schnittstelle eines Spektrumanalysators kann mit einem drahtlosen Empfänger oder einem PC verbunden werden, um elektromagnetische Signale in einem definierten Frequenzband visuell zu erfassen und zu analysieren. Dieser als Panoramaempfang bezeichnete Vorgang kann bei der Bestimmung der Frequenzen von Störquellen für WLAN-Geräte hilfreich sein.

Echtzeit-Spektrumanalysatoren untersuchen Signale durch digitale Signalverarbeitung (DSP) in Echtzeit, bevor sie im Speicher abgelegt werden. Dadurch kann der Benutzer tiefer in die Signale eindringen und Ereignisse erkennen, die für andere Gerätetypen unsichtbar sind. Sie ermöglichen auch die Signalkonditionierung und -kalibrierung sowie eine umfassende Analyse der gespeicherten Daten durch Stapelverarbeitung.

Echtzeit-Spektrumanalysatoren, DSP und ein Prozessor, der die Anzeige des Geräts steuert, bieten erweiterte Funktionen, die bei Spektrumanalysatoren mit Sweep- und Vektorsignalanalysatoren fehlen. Sie ermöglichen auch die Automatisierung mehrerer Routinen.

Auf dem Display eines Spektrumanalysators erscheinen Ausgangssignale mit Frequenzen, die nicht der vorgesehenen Kommunikationsfrequenz entsprechen, als vertikale Linien (Pips). Auf diese Weise kann festgestellt werden, ob ein drahtloser Sender gemäß den behördlich festgelegten Standards für Emissionsreinheit arbeitet, das heißt, ob der Sender innerhalb seines zugewiesenen Frequenzbandes bleibt und keine Störungen in anderen Bändern verursacht.

Einsatzmöglichkeiten von Spektrumanalysatoren

Neben der HF-Entwicklung und -Prüfung sind Spektrumanalysatoren auch bei der Entwicklung elektronischer Schaltungen sowie bei der Herstellung und Reparatur elektronischer Geräte nützlich.

Ein Echtzeit-Spektrumanalysator eignet sich besonders für folgende Anwendungen:

• WLAN-Tests
• Sprach- und Datenkommunikation, zum Beispiel Mobilfunk
• Digitales Video
• Radar-Testanalyse
• Störungssuche
• Signalspektrum-Management