Grundlagen der Spektrumanalyse.pdf - Ing. H. Heuermann

Grundlagen der Spektrumanalyse
Praktische Realisierung eines Analysators
• Analoge Filter
• Digitale Filter
•FFT
Analoge ZF-Filter
Mit analogen Filtern werden vorwiegend sehr große Auflösebandbreiten
realisiert, bei dem hier beschriebenen Spektrumanalysator beispielsweise
die Bandbreiten von 100 kHz bis 10 MHz. Mit solchen Filtern lassen sich
GAUSS-Filter nicht exakt nachbilden. Es ist jedoch eine sehr gute Annäherung
zumindest innerhalb der 20-dB-Bandbreite möglich, wodurch das Einschwingverhalten
nahezu identisch zu dem eines GAUSS-Filters ist. Die
Selektionseigenschaften hängen von der Anzahl der Filterkreise ab. In
Spektrumanalysatoren sind vier Filterkreise üblich, man findet aber auch
Geräte mit fünf Filterkreisen. Es lassen sich damit Formfaktoren von etwa
14 bzw. 10 erreichen, während ein ideales GAUSS-Filter einen Formfaktor
von 4,6 aufweist.
In dem hier beschriebenen Spektrumanalysator werden ZF-Filter verwendet,
die sich aus vier Einzelkreisen zusammensetzen. Die Filterung
wird verteilt, d. h. mit jeweils zwei Filterkreisen (29 und 31) vor bzw. nach
dem ZF-Verstärker (30) durchgeführt. Man erhält dadurch folgende Vorteile:
• Durch die Filterkreise vor dem ZF-Verstärker werden Mischprodukte, die
außerhalb des Durchlaßbereichs des ZF-Filters liegen, unterdrückt. Intermodulationsprodukte,
die ohne Vorfilterung aufgrund solcher Signale im
letzten ZF-Verstärker entstehen könnten, werden dadurch vermieden (siehe
auch Kapitel 5.2, Nichtlinearitäten)
• Mit den Filterkreisen nach dem ZF-Verstärker wird die Rauschbandbreite
reduziert. Wäre das ZF-Filter konzentriert vor dem ZF-Verstärker angeordnet,
so wäre die Gesamtrauschleistung bei der nachfolgenden Hüllkurvengleichrichtung
aufgrund des Breitbandrauschens des ZF-Verstärkers
deutlich höher.
Digitale ZF-Filter
Schmale Bandbreiten lassen sich vorteilhaft mit Hilfe digitaler Signalverarbeitung
implementieren. Im Gegensatz zu analogen Filtern können
damit ideale GAUSS-Filter realisiert werden, d. h. es kann eine wesentlich
höhere Selektion erreicht werden (SF = 4,6), als mit vertretbarem Aufwand
mit analogen Filtern. So haben analoge Filter bestehend aus fünf Einzelkreisen
beispielsweise einen Formfaktor von etwa 10, während ein digital
realisiertes, ideales GAUSS-Filter einen Formfaktor von 4,6 aufweist. Digitale
Filter sind darüber hinaus abgleichfrei, stabil über der Temperatur und
frei von Alterung. Sie weisen deshalb eine höhere Bandbreitengenauigkeit
auf.
Auch das Einschwingverhalten solcher Filter ist fest definiert und
bekannt. Durch entsprechende Korrekturrechnung sind damit bei gleicher
Bandbreite kürzere Sweep-Zeiten als mit analogen Filtern möglich (siehe
auch Kapitel 4.6, Wesentliche Abhängigkeiten).
Abweichend vom Blockschaltbild muß das ZF-Signal nach dem ZF-Verstärker
zunächst mit einem A-D-Wandler abgetastet werden. Um die Einhaltung
des Abtasttheorems sicherzustellen, ist die Bandbreite des
ZF-Signals vor der Abtastung mit analogen Vorfiltern zu begrenzen. Diese
Bandbegrenzung erfolgt vor dem ZF-Verstärker, wodurch – genau wie bei
analogen Auflösebandbreiten – die Entstehung von Intermodulationsprodukten
vermieden werden kann. Die Bandbreite des Vorfilters ist variabel,
so daß sie abhängig von der eingestellten, digitalen Auflösebandbreite
möglichst klein gewählt werden kann. Die Begrenzung der
Rauschbandbreite vor der Hüllkurvengleichrichtung erfolgt bereits durch
das digitale ZF-Filter.
Die Realisierung des digitalen ZF-Filters kann durch geeignete Strukturen,
wie sie in [3-1] oder [3-2] beschrieben sind, erfolgen. Bei dem hier
beschriebenen Spektrumanalysator werden mit digitalen Filtern die Auflösebandbreiten
von 10 Hz bis 30 kHz realisiert.
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