Spektrumanalyse - Ing. H. Heuermann

Spektrumanalyse
Referat im Rahmen der Hochfrequenztechnik Vorlesung
von Prof. Dr. -Ing. H. Heuermann
von
Halimi Sokol

4.4 Detektoren
Da moderne Spektrumanalysatoren zur Anzeige von aufgenommenen
Spektren Flüssigkristallanzeigen (LC-Displays) anstelle von Kathodenstrahlröhren
verwenden, ist die Auflösung sowohl der Pegel- als auch der Frequenzdarstellung begrenzt.
Durch Verwendung von Marker-Funktionen können dann Messwerte mit wesentlich höherer
Auflösung ausgelesen werden.
Ein Pixel enthält bei der Darstellung großer Frequenzbereiche die spektrale Information eines
verhältnismäßig großen Teilbereichs. Die Abstimmschrittweite ist von der Auflösebandbreite
des ersten Lokaloszillators abhängig, so dass auf ein Pixel mehrere Messwerte, so genannte
Samples fallen. Welcher dieser Messwerte durch den Pixel dargestellt wird, hängt von der
gewählten Bewertung, also dem Detektor ab. Die meisten
Spektrumanalysatoren verfügen über Min-Peak-, Max-Peak-, Auto-Peak, und
Sample-Detektor.
Die Funktionsweise der verschiedenen Detektoren ist in Bild 4-21 dargestellt.

Analoge Realisierung von Detektoren
Diese oben benannten Detektoren lassen sich durch analoge Schaltkreise, wie in Bild 4-22
gezeigt, realisieren. Am Ausgang des Detektors erfolgt in diesem Fall die Abtastung des
bewerteten Videosignals. Bei dem hier beschriebenen Spektrumanalysator sind die
Detektoren digital realisiert, d. h. das Videosignal wird vor den Detektoren abgetastet. Neben
den genannten Detektoren können dadurch auch Average- und RMS-Detektor vorteilhaft
realisiert werden. Des Weiteren ist ein Quasi-Peak-Detektor für die Störmeßtechnik auf diese
Weise implementiert.

Beschreibung der Verschiedenen Detektoren
• Max-Peak-Detektor (Maximum Peak, Maximalwert)
Der Max-Peak-Detektor bringt den Maximalwert zur Anzeige. Aus den
Samples, die einem Pixel zugeordnet sind, wird derjenige mit dem höchsten
Pegel ausgewählt und angezeigt. Mit diesem Detektor gehen sogar bei der Darstellung von
weiten Frequenzbereichen mit sehr geringer Auflösebandbreite keine Eingangssignale
verloren.
Deshalb ist dieser Detektor u. a. für EMV-Messungen von besonderer Bedeutung.
• Min-Peak-Detektor (Minimum Peak, Minimalwert)
Der Min-Peak-Detektor bringt aus den einem Pixel zugeordneten Samples
den Meßwert mit dem geringsten Pegel, also den Minimalwert, zur
Anzeige.
• Auto-Peak-Detektor
Mit dem Auto-Peak-Detektor werden Maximal- und Minimalwert gleichzeitig angezeigt.
Beide Werte werden gemessen und ihre Pegel, mit einer senkrechten Linie verbunden, zur
Anzeige gebracht (siehe Bild 4-21).
• Sample-Detektor
Der Sample-Detektor tastet die ZF-Hüllkurve für jedes Pixel der darzustellenden
Messkurve nur einmal ab bzw. entnimmt den auf ein Pixel entfallenden Abtastwerten, nur
einen Wert zu einem bestimmten, konstanten Zeitpunkt (siee Bild 4-21). Wenn der
darzustellende Frequenzbereich wesentlich größer als die Auflösebandbreite ist
(Span/RBW > Anzahl der Pixel der Frequenzachse), so werden Eingangssignale nicht
mehr sicher erfasst. Signale können unter Umständen nicht pegelrichtig angezeigt oder
gehen völlig verloren gehen.
• RMS-Detektor (Root Mean Square, Effektivwert)
Der RMS-Detektor berechnet für jedes Pixel der angezeigten Messkurve
aus den zugeordneten Samples die Leistung. Das Ergebnis entspricht der
Signalleistung innerhalb des durch den Pixel dargestellten Frequenzbereichs.
Es gilt:

mit U RMS Effektivwert der Spannung, in V
N Anzahl der Abtastwerte (Samples), die dem entsprechenden
Pixel zugeordnet sind
u i Abtastwerte der Hüllkurve, in V
Mit dem Bezugswiderstand R läßt sich daraus die Leistung berechnen:
• AV-Detektor (Average, Mittelwert)
Der AV-Detektor berechnet für jedes Pixel der angezeigten Meßkurve aus
den zugeordneten Samples den linearen Mittelwert (lin. Average). Für diese
Berechnung werden die Abtastwerte der Hüllkurve im linearen Pegelmaßstab
benötigt.
Es gilt:
mit U AV mittlere Spannung, in V
N Anzahl der Abtastwerte (Samples), die dem entsprechenden
Pixel zugeordnet sind
u i Abtastwerte der Hüllkurve, in V
Auch hier kann wie bei dem RMS-Detektor mit Hilfe vom Bezugswiderstand R, die
Leistung P berechnet werden.

4.5 Messkurvenverarbeitung
Heutzutage werden in modernen Spektrumanalysatoren die Messwerte bevor sie angezeigt
werden digitalisiert. Somit hat man eine Vielzahl von Möglichkeiten zur
Meßkurvenauswertung
• Meßdatenspeicher
Hier werden die Meßkurven gespeichert und können gleichzeitig zur Anzeige gebracht
werden. Diese Funktion ist speziell für Vergleichsmessungen sehr hilfreich.
• Mittelung von Meßkurven (Trace Average)
Eine dargestellte Meßkurve kann mit Hilfe dieser Funktion durch Mittelung
über mehrere Messungen (Sweeps) geglättet werden. Der kann die Anzahl der
zu mittelnden Messungen vom Benutzer vorgeben werden.

• Marker-Funktionen
Für die Auswertung aufgenommener Meßkurven sind Marker-Funktionen besonders hilfreich.
Anhand von Markern kann man Frequenz und Pegel an einem beliebigen Punkt der Meßkurve
anzeigen. Die eingeschränkte Darstellungsgenauigkeit aufgrund der begrenzten
Bildschirmauflösung kann damit umgangen werden. Neben Funktionen, mit denen der
Marker automatisch auf ein Signal mit maximalem Pegel gesetzt wird, besteht
auch die Möglichkeit, Pegelunterschiede zwischen Signalen direkt darzustellen
(Delta-Marker).
Moderne Spektrumanalysatoren bieten darüber hinaus erweiterte
Marker-Funktionen, mit denen z. B. Rauschmessungen oder Phasenrauschmessungen
direkt, d. h. ohne manuelle Berücksichtigung der Meßbandbreite
oder Korrekturfaktoren, möglich sind (siehe Bild 4-26).
Die genaue Frequenz eines dargestellten Signals kann ebenfalls mit Hilfe
eines Markers und einer Zählfunktion (Signal Count) ermittelt werden.
Der Spektrumanalysator kann damit auch in vielen Fällen einen Frequenzzähler
ersetzen.
Bild 4-26 Marker-Funktionen zur einfachen Messung des Phasenrauschens
eines Eingangssignals

• Toleranzmasken (Limit Lines)
Toleranzmasken erlauben die vom Meßobjekt einzuhaltenden Grenzwerte
Leicht zu überprüfen. Der Einsatz in der Fertigung wird vereinfacht,
da aufgenommene Meßkurven auf Verletzung der angegebenen
Grenzwerte automatisch kontrolliert werden und das Ergebnis als „Pass“-
oder „Fail“-Meldung ausgegeben (siehe Bild 4-27).
Bild 4-27 Auswertung von Meßkurven mit Toleranzmasken