Die grundlegende Bedienung von Spektrumanalysatoren verstehen

Referenzpegel

Der Referenzpegel ist der obere Rand der Anzeige und entspricht der maximal erwarteten Leistung am Eingang des Spektrumanalysators. In den meisten Fällen wird der Referenzpegel so eingestellt, dass der höchste Pegel des Signals etwas unter diesem Pegel liegt.

Eine zu niedrige oder zu hohe Einstellung ist zu vermeiden. Wird der Referenzpegel zu hoch eingestellt, verringert sich der Dynamikbereich und kleine Amplitudenänderungen lassen sich nicht mehr erkennen. Wenn der Referenzpegel dagegen zu niedrig eingestellt ist, geht die Kurve über den oberen Bildschirmrand hinaus. Eine zu niedrige Einstellung des Referenzpegels kann außerdem die Messergebnisse beeinträchtigen.

Hinter dem HF-Eingang eines Spektrumanalysators folgen als einige der ersten Komponenten aktive Komponenten wie Mischer und Verstärker. Wenn der Eingangspegel zu hoch ist, können diese Komponenten in Kompression gehen, was zu Verzerrungen führt und die Messergebnisse verschlechtert, manchmal sogar erheblich. Um dies zu verhindern, wird ein variabler Eingangsabschwächer zwischen dem HF-Eingang und diesen empfindlichen Komponenten platziert. Wenn der Referenzpegel eingestellt wird, wird dieser Wert vom Spektrumanalysator verwendet, um die Eingangsdämpfung und/oder den ZF-Verstärkungsfaktor anzupassen, damit es nicht zur Überlastung des Geräts kommt.

Auflösebandbreite

Für grundlegende Spektrummessungen ist die Auflösebandbreite bei Weitem die wichtigste Einstellung. Die meisten Spektrumanalysatoren verwenden Heterodyn-Analysatoren zur Messung des Spektrums durch Überstreichen („Sweepen“) eines Bereichs. Die Messkurve, die die Leistung in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt, wird von links nach rechts gezeichnet, normalerweise wiederholt.

Um sich dem Begriff der Auflösebandbreite zu nähern, kann man sich diese als ein Fenster vorstellen, das sich über den Darstellbereich bewegt und dabei fortlaufend den Pegel misst. Der Auflösebandbreitenfilter ist jedoch nicht quadratisch, sondern hat eine Glockenkurven- oder ähnliche Form. Auch bewegt sich das Fenster nicht wirklich, sondern das Spektrum wird am Fenster vorbeigeschoben. In der Praxis macht das jedoch keinen Unterschied, und viele HF-Ingenieure stellen sich die Auflösebandbreite als sich bewegendes Fenster oder Filter vor, das einen Frequenzbereich überstreicht.

Die Auflösebandbreite bestimmt, wie gut eng beieinanderliegende Signale getrennt oder aufgelöst werden können. Zwei schmale Signale können nur dann separiert werden, wenn die Auflösebandbreite kleiner als der Abstand zwischen diesen beiden Signalen ist. Bei Verwendung einer größeren Auflösebandbreite werden beide Signale beim Sweepen vom Filter abgedeckt und erscheinen in der Messkurve folglich als ein einziges Signal.

Durchschnittlicher Rauschpegel

Ein weiterer Aspekt der Auflösebandbreite sind die Auswirkungen auf das Rauschen. Genauer wirkt sich die Auflösebandbreite auf das Grundrauschen aus, das auch als Eigenrauschanzeige oder DANL (von engl. Displayed Average Noise Level) bezeichnet wird. Das Grundrauschen steigt oder fällt in Abhängigkeit von der gewählten Auflösebandbreite.

Wie wirkt sich eine Reduzierung der Auflösebandbreite konkret auf das Grundrauschen aus? Als Beispiel verwenden wir ein einfaches Dauerstrichsignal und einen relativ großen Frequenzbereich von 2 GHz.

• Bei einer Auflösebandbreite von 3 MHz beträgt der gemessene Mittelwert des Grundrauschens etwa −73 dBm
• Die Verengung der Auflösebandbreite auf 300 kHz reduziert das Grundrauschen auf −84 dBm
• Bei einer Auflösebandbreite von 30 kHz fällt das Grundrauschen weiter auf −93 dBm
• Bei einer Auflösebandbreite von 3 kHz hat das Grundrauschen schließlich einen Durchschnittswert von nur noch −104 dBm.

Eine Verringerung der Auflösebandbreite um den Faktor 10 reduziert das Grundrauschen um etwa 10 dB. Um Signale nahe dem Grundrauschen zu erkennen, sollte in der Praxis folglich eine geringere Auflösebandbreite verwendet werden.

Auflösebandbreite und Sweep-Zeit

Eine geringere Auflösebandbreite sorgt für eine bessere Signaltrennung und geringeres Rauschen. Warum also nicht einfach immer die geringstmögliche Auflösebandbreite wählen? Die Auflösebandbreite ist im Wesentlichen ein Filter, und bei schmalen Filtern dauert es länger als bei breiteren Filtern, bis sich ein stabiles Ergebnis einstellt. Das bedeutet, dass der Frequenzdurchlauf langsamer abläuft, wenn kleinere Auflösebandbreiten verwendet werden,um die Genauigkeit zu verbessern. Ein zu schneller Sweep führt demgegenüber sowohl zu Amplituden- als auch Frequenzfehlern.

Der wichtigste Faktor, von dem die Sweep-Zeit eines Spektrumanalysators abhängt, ist die Auflösebandbreite. Wie lange sollte die Sweep-Zeit sein? Die meisten Analysatoren berechnen die Sweep-Zeit automatisch anhand der Auflösebandbreite und Darstellbreite. Das Ergebnis kann manuell modifiziert werden, aber eine Reduzierung der automatisch berechneten Sweep-Zeit ist selten ratsam.

Die optimale Auflösebandbreite ist fast ausschließlich eine Funktion des zu messenden Signals und muss oft experimentell ermittelt werden. Es muss ein Kompromiss zwischen Geschwindigkeit auf der einen Seite und Trennschärfe/Rauschen auf der anderen Seite eingegangen werden. Bei den meisten Spektrumanalysatoren ist die Auflösebandbreite nicht beliebig, sondern nur in bestimmten Schritten wählbar, z. B. 1 kHz, 3 kHz, 10 kHz, 30 kHz.

Videobandbreite

Der letzte der grundlegenden Parameter, die hier besprochen werden, ist die Videobandbreite. Um verständlich zu machen, was mit der Videobandbreite gemeint ist, muss zunächst der Begriff „Videosignal“ geklärt werden. Die Messkurven sind streng genommen die Hüllkurven der Leistung bei bestimmten Frequenzen. Diese Hüllkurven werden als Videosignal bezeichnet. Die Bezeichnung „Video“ geht darauf zurück, dass dieses Signal früher zur vertikalen Ablenkung eines Kathodenstrahls verwendet wurde, um eine Videospur auf dem Bildschirm zu zeichnen. Bei modernen Spektrumanalysatoren ist die Videobandbreite ein Filter, das zur Mittelung oder Glättung der angezeigten Messkurve verwendet wird.

Im Gegensatz zur Auflösebandbreite wirkt sich die Videobandbreite nur auf die Darstellung des Signals aus, nicht aber dessen Messung oder Erfassung.

Verringern der Videobandbreite Bei einer Videobandbreite von 200 kHz ist deutliches Rauschen auf dem Signal erkennbar. Dieses Rauschen wird reduziert, wenn die Videobandbreite auf 20 kHz gesenkt wird, und nimmt sogar noch weiter ab, wenn die Videobandbreite bis auf 2 kHz verringert wird. Die Verringerung der Videobandbreite reduziert nur das Rauschen auf der Messkurve, nicht aber das Grundrauschen wie im Fall der Auflösebandbreite. Auch können eng beieinanderliegende Signale nicht besser aufgelöst oder separiert werden.

Auswählen der Videobandbreite

Die Videobandbreite wirkt sich lediglich auf die Darstellung der Messkurve aus. Die optimale Videobandbreite hängt deswegen in gewissem Maß auch von der Anwendung ab. Die meisten modernen Spektrumanalysatoren konfigurieren und aktualisieren die Videobandbreite automatisch auf Grundlage anderer Parameter wie der Auflösebandbreite. In vielen Fällen scheint sich zunächst eine kleinere oder schmalere Videobandbreite zu empfehlen, da so das Rauschen auf der Messkurve reduziert wird. Aber genau wie die Auflösebandbreite wirkt sich auch die Videobandbreite auf die Sweep-Zeit aus – je kleiner oder schmaler die Videobandbreite, desto länger die Sweep-Zeit.