Ratgeber
In vielen Bereichen der Elektronik und Messtechnik spielen Signale eine entscheidende Rolle. In der Audio- und Hochfrequenztechnik beispielsweise.
Im Allgemeinen handelt sich dabei um periodische Signale, die sich durch ihre Stärke – die Amplitude – und ihren Frequenzbereich unterscheiden.
Zur Messung und Visualisierung des Spektrums dienen üblicherweise Oszilloskope. Die scheitern aber oft, wenn es um die Analyse von Störsignalen, Rauschen oder der Signalbreite geht. Einige Typen sind daher zusätzlich mit einem Spectrum-Analyzer ausgestattet.
Was dieser macht und wie er funktioniert, das erfahren Sie in diesem Ratgeber.
Ein Spectrum-Analyser – eine andere geläufige Bezeichnung ist Spectrum-Analyzer – ist ein Gerät beziehungsweise ein Feature hochwertiger Oszilloskope zur Bewertung der Amplitude eines Signals in Bezug auf seine Frequenz.
Das Eingangssignal wird dabei in Abhängigkeit von verschiedenen Frequenzniveaus bewertet. Diese Art der Bewertung ist vor allem bei der Entwicklung von Hochfrequenz-Schaltkreisen und beim Test bestehender Schaltungen hilfreich.
Die grafische Darstellung des Signals erfolgt je nach Austattungsvariante auf dem eigenen Bildschirm des Geräts oder auf einem PC-Monitor. Dabei wird die Amplitude auf der vertikalen y-Achse in der logarithmischen Skala und die Frequenz auf der waagerechten x-Achse entweder in einer normalen oder logarithmischen Skala aufgetragen.
Auf der y-Achse lassen sich im Allgemeinen durch die logarithmische Darstellung große Schwankungen in den Amplitudenwerten mehrerer Signale analysieren.
Der Spectrum-Analyzer zeigt ein Spektrum von Signalamplituden auf verschiedenen Frequenzen. Er ermöglicht beispielsweise Analysen, ob Signale innerhalb der erforderlichen Grenzen liegen.
Darstellbar sind Störsignale, komplexe Wellenformen, seltene kurzzeitige Ereignisse und Rauschen. Spectrum-Analyzer können auch transiente Signale analysieren, Burst-Übertragungen und Störungen erfassen und zeigen, ob stärkere Signale schwächere überdecken.
Ein typischer Einsatzbereich ist die Untersuchung des dynamischen Frequenzspektrums von Hochfrequenz- und Audiosignalen, die sich im Lauf der Zeit verändern.
Analyzer zeigen die einzelnen Elemente der Signale und die Leistung der erzeugenden Schaltkreise. Viele Unternehmen nutzen sie auch für die Verbesserung von WLAN-Systemen. Hier geht es in erster Linie darum, Interferenzen zu reduzieren.
Swept-tuned oder Superheterodyn
Ein Swept-Tuned- oder Superheterodyne-Analyzer wandelt einen Teil des Eingangssignals auf die Mittenfrequenz eines Bandpassfilters herunter, indem er einen spannungsgesteuerten Oszillator über eine Reihe von Frequenzen laufen lässt.
So ist die Analyse des gesamten Frequenzbereich möglich. In diesem Fall steht die Auflösungsbandbreite in engem Zusammenhang mit der minimalen Bandbreite, die das Messgerät erkennen kann.
Eine kleinere Bandbreite führt zu einer höheren spektralen Auflösung und umgekehrt.
Schnelle Fourier-Transformation
Einige digitale Spectrum-Analyzer verwenden schnelle Fourier-Transformationen, die übliche Bezeichnung ist FFT. Es handelt sich dabei um eine Methode zur Zerlegung eines Signals in seine einzelnen Frequenzen. Wie beim Swept-Tuned-Analyzer beschrieben, senkt der Empfänger die mittlere Frequenz eines Teils des Eingangsspektrums ab.
Die Hauptaufgabe des Empfängers besteht darin, den Abtastpegel zu minimieren, damit er sich mit dem Analysator synchronisieren lässt. Mit einer geeigneten minimalen Abtastrate können diese FFT-Analysen die gesamten Abtastwerte mit einem Tastverhältnis von 100 Prozent verarbeiten, so dass keine Ereignisse von minimaler Dauer übersprungen werden. Hochwertige Oszilloskope besitzen FFT häufig als Sonderausstattung und sind daher für zahlreiche Messverfahren und Analysen geeignet.
Echtzeit-Analyse
Echtzeit-Analysatoren erfassen die Echtzeit-Bandbreite und tasten das eingehende Hochfrequenz-Spektrum in einer begrenzten Zeitspanne ab.
Hier kommt ebenfalls die schnelle Fourier-Transformation zum Einsatz. Da es sich um eine Echtzeit-Datenerfassung handelt, gibt es keine Blindzeit und keine Lücken im berechneten Spektrum.
Audio-Analyse
Viele Spectrum-Analyzer lassen sich auch im Audiospektrum einsetzen, sie zeigen beispielsweise die Lautstärkepegel der für den Menschen hörbaren Frequenzbänder. Diese Methode zielt im Allgemeinen auf die Analyse der Oberwellen eines Audiosignals ab.
Bei den meisten Analysatoren – ob als Funktion eines Oszilloskops oder als Stand-alone-Gerät – kann der Benutzer eine Start- und Stoppfrequenz sowie eine Mittenfrequenz einstellen.
Diese Einstellungen repräsentieren die Achsen für die Frequenz, die zur Bestimmung des Frequenzbereichs verwendet wird.
Ein Beispiel wäre der Bereich zwischen der Start- und der Stoppfrequenz. Der Spektrumanalysator misst das Grundrauschen und analysiert, wie nahe zwei Signale beieinander ohne Auflösung in zwei getrennte Peaks liegen können.
Verwendet wird dabei eine lineare Skala für die Signalfrequenz und eine logarithmische oder Dezibel-Skala für die Amplitude. Letztere ermöglicht es dem Messgerät, Signale mit großen Amplitudenunterschieden auf demselben Bildschirm anzuzeigen.
Über die Schnittstelle eines Spectrum-Analyzers ist oft auch der Anschluss an einen PC möglich, um die visuelle Erkennung und Analyse von elektromagnetischen Signalen über ein bestimmtes Frequenzband zu ermöglichen.
Die Werte lassen sich in er Regel lokal speichern. Dieser so genannte Panorama-Empfang kann dabei helfen, die Frequenzen von Störquellen für drahtlose Netzwerkgeräte zu ermitteln.
Echtzeit-Analysatoren untersuchen Signale mit Hilfe digitaler Signalverarbeitung über sogenannte DSP-Chips. Dadurch können Anwender tiefer in die Signale eintauchen und Ereignisse entdecken, die für andere Geräte unsichtbar sind. Möglich ist auch eine Signalkonditionierung und -kalibrierung der gespeicherten Daten.
Schnittstellen
Für Messgeräte ohne eigenes Display spielt die USB-Schnittstelle die wichtigste Rolle. Üblich sind aber auch RJ45-Schnittstellen für die Ethernet-Anbindung.
Einige Modelle verfügen auch über einen Schacht für SD- oder microSD-Speicherkarten.
Anzahl analoger Eingänge
Je nach Anwendung sind mehr als ein Eingang erforderlich. Üblich sind 2 oder 4 BNC-Buchsen, deren Input sich auch gleichzeitig darstellen lässt. Die Verbindung zur Signalquelle erfolgt über meist mitgelieferte geschirmte Kabel mit Tastspitzen und BNC-Steckern.
Bandbreite
Die Bandbreite beschreibt den analysierbaren Frequenzbereich des analog zugeführten Signals.
Sie reicht üblicherweise von 20 Megahertz bis zu 1 Gigahertz.
Auflösung
Sie gibt an, wie viele diskrete Spannungsstufen in der vertikalen Auflösung zur Verfügung stehen. Zur Auswahl stehen im Allgemeinen 8, 11 und 12 Bit.
Bei 8 Bit beträgt die Auflösung lediglich 256 Stufen, bei 12 Bit dagegen 4096.
Speichertiefe
Diese Angabe bezieht sich auf die Anzahl der speicherbaren Messpunkte pro Eingangskanal.
Gängige Geräte verfügen über eine Speichertiefe von einigen Tausend bis zu mehreren Millionen Messpunkten, abgekürzt kpts beziehungsweise Mpts.
Samplingrate
Je höre die Samplingrate ausfällt, desto genauer lässt sich das analoge Signal verarbeiten. Die Messung erfolgt in Samples – also Zugriffe auf die Quelle – pro Sekunde. Die Skala reicht von weniger als eine Million bis zu mehreren Milliarden Samples, ausgedrückt in M für Mega und G für Giga.
Display
Klassische Oszilloskope besitzen ein eingebautes Display, dessen Größe und Auflösung sehr unterschiedlich ausfallen kann und in der Regel vom Preis abhängt. Umgehen lässt sich diese Einschränkung durch sogenannte USB-Typen ohne eigenen Bildschirm.
Sie verfügen oft über ebenso hochwertige Ausstattungen und Messmethoden, die Darstellung der Graphen erfolgt allerdings über den PC-Monitor. Für die Datenübertragung sorgt die USB-Schnittstelle, für die Aufbereitung eine mitgelieferte Windows-Software. Einige Typen sind auch als Handheld verfügbar, lassen sich somit auch mobil verwenden.