So funktioniert die Spektrumanalyse, Teil 1

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Definition eines Spektrums

Nach Definition ist ein Spektrum eine Sammlung von Sinuskurven unterschiedlicher Amplitude und unterschiedlicher Phase, die, wenn aufsummiert, eine periodische komplexe Funktion ergeben. Im Zeitbereich ist eine relativ komplexe Funktion (rote Kurve) sichtbar, die sich, wie in der Frequenzebene dargestellt, aus zwei Sinuskurven zusammensetzt. Das Display eines Spektrumanalysators entspricht dem grau hinterlegten Bildsegment.

Nun könnte die Frage aufkommen, warum benötigen wir überhaupt noch Messungen im Zeitbereich? Einige Messungen lassen sich nur im Zeitbereich durchführen. Das kann beispielsweise eine Anstiegs- und Abfallzeit oder eine Augendiagrammessung sein. Und die Gegenfrage: Warum sind Messungen im Frequenzbereich notwendig? Es lässt sich der Betrag der Übertragungsfunktion, dem Dämpfungsverlauf, eines Filters in Abhängigkeit von der Frequenz sehr gut messen. Kommunikationstechniker sind daran interessiert, wie hoch Störungen innerhalb des untersuchten Übertragungsbandes sind bzw. wie hoch die Störungen in benachbarte Übertragungsbänder einstrahlen.

Das Spektrum-Monitoring bei Funknetzen

So müssen für Mobilfunknetze die Übertragungskanäle daraufhin untersucht werden, dass harmonische des Trägersignals nicht mit anderen Übertragungssystemen interferieren. Ein anderes Beispiel ist die Untersuchung des Mischprodukts (TOI) dritter Ordnung, wenn sich zwei Frequenzen komplexer Signale gegenseitig modulieren und diese Störanteile in andere Bänder fallen, in denen man diese Störkomponenten nicht herausfiltern kann. Dem Spektrum-Monitoring kommt ebenfalls eine hohe Bedeutung zu, nach dem die nationalen Aufsichtsbehörden Frequenzen mit entsprechender Bandbreite vergeben.

Diese Frequenzen für unterschiedliche Services liegen oft sehr nahe beieinander und es muss kontrolliert werden, ob die jeweiligen Sender die Mittenfrequenz und die Bandbreite einhalten. Ebenso muss sichergestellt werden, dass keine Intermodulationsprodukte in Nachbarbänder fallen. Komponenten wie Leistungsverstärker oder Sender, die in diese Übertragungssysteme integriert werden, müssen daher auf ihren spezifizierten Frequenzbereich hin untersucht werden. Ein anderes Beispiel sind EMI-Messungen, wobei nach unerwünschten Abstrahlungen eines Gerätes gesucht wird.

Eine andere Anwendung: Ist das zu analysierende Signal periodisch mit einer Signalperiode T, so erscheinen die jeweiligen Frequenzanteile im Abstand von 1/T. Damit lässt sich einfach feststellen, wie konstant die zu beobachtende Frequenz ist. Ändert sich die Sinuswelle, so ist sie nicht stabil. Durch die heute im Spektrumanalysator vorhandene digitale Technik lässt sich ein Cursor auf die maximale Amplitude einer zu beobachtenden Frequenz fixieren. Die gemessenen Frequenzwerte bzw. deren Varianz können dann in einem Histogramm oder in einer Verteilungsfunktion dargestellt werden.

Die verschiedenen Arten von Spektrumanalysatoren

Das Blockschaltbild im Bild 6 zeigt einen Swept-Tuned-Superheterodyne-Analysator, der die Frequenz und Amplitude der einzelnen Frequenzanteile bestimmt. Weil die Anwendungen in der Technik komplexer und die einzelnen Übertragungsbänder enger werden sowie die Bänder näher beieinander liegen, sind die Anforderungen an die Messeinrichtungen gestiegen.

Auf die Phasenangaben kann nicht mehr verzichtet werden. Signalanalysatoren geben genau diese Phase an. So vereint die X-Serie an Signalanalysatoren von Keysight die Eigenschaften eines Analog-, Vektor- und FFT-Analysators. Dank der kompakten IC-Technik lassen sich tragbare Spektrumanalysatoren im Feld einsetzen, um die Abstrahlung von Antennen/Antennenanlagen zu verifizieren. Bei den Geräten entfällt die Warm-up-Zeit. Im Messgenauigkeitsvergleich stehen die tragbaren Spektrum- und Signalanalysatoren den Laborgeräten um ungefähr 1/10 dB nach.

Im zweiten Teil erklären wir, wie ein Spektrumanalysator funktioniert.

* Klaus Höing ist für die Öffentlichkeitsarbeit bei dem Messtechnik-Distributor dataTec in Reutlingen zuständig.

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