Messtechnik-Grundlagen So stimmen Sie den Spektrumanalysator richtig ab

Im dritten Teil unserer Serie zur Spektrumanalyse zeigen wir Ihnen, wie der Spektrumanalysator richtig abgestimmt wird. Eine entscheidende Rolle spielt dabei der Lokaloszillator.

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Nach den Grundlagen der Spektrumanalyse und den Aufbau eines Spektrumanalysators geht es im 3. Teil um das Abstimmen des Spektrumanalysators. Dabei handelt es sich um ein Zusammenspiel zwischen Komponenten wie Mittenfrequenz des Zwischenfrequenzfilters, dem Frequenzbereich des LOs und der Eingangsfilter-Bandbreite.

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Von allen Mischprodukten, die nach dem Mischer auftauchen, bilden die beiden mit der größten Amplitude die Frequenz-Summe bzw. die -Differenz aus dem Eingangssignal und LO- (Lokaloszillator-)Signal. Das Messsignal muss so im Frequenzband sein, dass es über oder unter der Frequenz des LOs liegt, so dass eines der Mischprodukte den Durchlassbereich des Zwischenfrequenzfilters trifft. Anschließend wird der Mischproduktanteil angezeigt.

Von der LO-Frequenz und dem Zwischenfrequenzfilter

Die LO-Frequenz und der Zwischenfrequenzfilter müssen so gewählt werden, dass der gewünschte Frequenzbereich des Analysators erreicht wird. Ein Beispiel: Gefordert ist ein Analysator-Bereich von 0 Hz bis 3,6 GHz. Zuerst wird es mit einer Zwischenfrequenz von 1 GHz versucht. Nachdem die Zwischenfrequenz innerhalb des Frequenzbereiches des Analysators bis 3,6 GHz liegt, liefert der Mischer bei einem Eingangssignal von 1 GHz ein mit der Amplitude konstantes Mischprodukt bei der Zwischenfrequenz von 1 GHz. Das Ergebnis ist ein Sonderfall im Frequenzbereich, bei dem keine Signale beurteilt werden können, da die Amplitudenantwort unabhängig von der Frequenz des LOs ist.

Wird dagegen die Zwischenfrequenz außerhalb der Bandbreite des Analysators gewählt, liegen die jeweiligen Mischprodukte innerhalb der Bandbreite des Analysators, ohne in den Konflikt mit der Frequenz des LOs zu kommen. Die Spektrumanalysatoren der X-Serie von Keysight bieten eine Bandbreite bis 3,6 GHz (von 0 Hz an Eingangssignale lassen sich nicht messen). Der LO kann von 3,8 bis 8,7 GHz durchgestimmt werden und die Zwischenfrequenz liegt bei einem Wert von ungefähr 5,1 GHz. Mit den Mischer-Gleichungen f_sig = f_LO – f_ZF [Gleichung 1] und f_sig = f_LO + f_ZF [Gleichung 2]. Die Tabelle auf der nächsten Seite zeigt, welche Eingangsfrequenzbereiche von dem Tiefpassfilter unterdrückt werden müssen.

Die besondere Aufgabe des Tiefpassfilters

Der Mischer liefert zwei Mischanteile [Gleichung 2]. Erreicht der LO durch wobbeln die Frequenz von 3,9 GHz und auch Eingangsfrequenzen >8,9 GHz werden auf eine Zwischenfrequenz heruntergemischt. Das führt zu Messfehlern. Daher kommt dem Tiefpassfilter oder auch Preselector eine besondere Bedeutung zu. Dieser filtert den Frequenzbereich um 5,1 GHz und von 8,9 bis 13,8 GHz heraus.

Für einen Einseitenband-Spektrumanalysator muss die Zwischenfrequenz über der maximalen Eingangsbandbreite des Spektrumanalysators liegen. Der LO muss wobbelbar sein von der Zwischenfrequenz bis zur Frequenzsumme aus Zwischenfrequenz plus maximaler Messbandbreite des Spektrumanalysators. In diesem Fall sind das Frequenzen von 5,1 bis 8,7 GHz. Zudem muss ein Tiefpassfilter eingebaut sein, das Frequenzen um die ZF als auch darüber unterdrückt.

Um eng benachbarte Signale zu detektieren, bieten einige Spektrumanalysatoren eine Zwischenfrequenzbandbreite von 1 kHz, 10 Hz bis 1 Hz. Solche schmalbandigen Filter bei einer Mittenfrequenz von beispielsweise 5,1 GHz herzustellen ist äußerst schwierig. Abhilfe schafft man, indem man mehrere Mischerstufen mit den entsprechenden LOs kaskadiert (Bild 1). Nicht eingezeichnet sind weitere Blöcke, wie Verstärker vor allem nach der letzten Mischerstufe, wonach hier logarithmische Verstärker und AD-Wandler zum Einsatz kommen.

Zwischenfrequenz als Eingangssignal von 0 Hz

Manche neuere Spektrumanalysatoren haben einen LO mit einer Frequenz, die sogar kleiner ist als die Zwischenfrequenz. Ein Umstand, der in der bisherigen Betrachtung als nicht möglich dargestellt wurde. Damit auch die 0 Hz eingeschlossen sind wird, wenn der LO die Zwischenfrequenz erreicht, die Zwischenfrequenz durch das System als ein Eingangssignal bei 0 Hz dargestellt. Diese Antwort des Durchschleifens der LO-Frequenz führt dazu, dass die Signalanalysatoren einen Frequenzbereich darstellen können, der sogar die 0 Hz einbezieht.

Nach der Mischerstufe und dem Zwischenfrequenzfilter wird das Zwischenfrequenzsignal verstärkt. Mit ihm lässt sich die Gesamtverstärkung so einstellen, dass der Referenzpegel immer am oberen Rand des Messgitters eingestellt werden kann, ohne dass sich die Signalverhältnisse am Mischer ändern.

Bei veränderter Verstärkung verändert sich die Anzeige des Referenz-Pegels. Der Referenzpegel soll sich jedoch nicht ändern, wenn der Eingangsabschwächer verändert wird. Daher ist der Eingangsabschwächer mit der Verstärkungseinstellung des Zwischenfrequenzverstärkers gekoppelt. Eine Änderung des Eingangsabschwächers führt durch die Kopplung zu einer Verstärkungsänderung und die vertikale Lage der Messsignale bleibt unverändert.

In unserer Serie sind bisher erschienen

Messtechnik-Grundlagen erklärt

So funktioniert die Spektrumanalyse, Teil 1

Messtechnik-Grundlagen

So funktioniert die Spektrumanalyse, Teil 2

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

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