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Messungen mit einem Spektrumanalysator

Bild 1: Dreidimensionale Darstellung der Betrachtungsrichtungen für den Zeitbereich und den Frequenzbereich,
links: die zweidimensionale Darstellung mittels Oszilloskop;
rechts: die Darstellung als Frequenzspektrum.

Bild 1: Dreidimensionale Darstellung der Betrachtungsrichtungen für den Zeitbereich und den Frequenzbereich,
links: die zweidimensionale Darstellung mittels Oszilloskop;
rechts: die Darstellung als Frequenzspektrum.

Messungen mit einem Spektrumanalysator

Ein Spektrumanalysator ist ein Messgerät, welches sehr ähnlich aufgebaut ist wie ein Oszilloskop. Beide Messgeräte werden genutzt um spezielle komplexe Signalformen anzuzeigen und zu vermessen. Beide Messgeräte zeigen in der Ordinate die Amplitude des gemessenen Signals an. Unterschiede bestehen in der Darstellung auf der Abszisse. Bei einem Oszilloskop ist das die Zeit-Achse, bei einem Spektrumanalysator ist das die Frequenz-Achse. Das Oszilloskop misst also im Zeitbereich (oft Zeitdomäne genannt: linear übersetzt von engl.: time-domain), der Spektrumanalysator im Frequenzbereich (Frequenzdomäne, frequency-domain).

Wenn eine ideale Sinusspannung dargestellt werden soll, dann zeigt das Oszilloskop über die gesamte Bildschirmbreite diese Sinusschwingung an. Bei einem Spektrumanalysator wird für diese Sinusschwingung ein schmaler senkrechter Strich dargestellt. Kleinste Änderungen an der idealen Sinusform, zum Beispiel durch eine geringe Frequenzmodulation, wären auf einem Oszilloskop gar nicht erkennbar. Auf dem Spektrumanalysator würden dann aber mehrere senkrechte Striche mit einer von der Amplitude des jeweiligen Signalanteils abhängigen Länge dargestellt.

Bild 1 zeigt ein Gemisch aus drei Sinusfrequenzen. Etwa dieses Signalgemisch würde entstehen, wenn ein FMCW-Radar drei Ziele in unterschiedlicher Entfernung aufklärt. Auf einem Oszilloskop würden diese drei Frequenzen möglicherweise erkennbar sein, wenn sie nicht zu große Frequenzunterschiede haben. Aber eine Messung der Frequenz, das hieße eine Entfernungsmessung, wäre mit dem Oszilloskop nicht möglich. Erst auf dem Spektrumanalysator sind alle drei Frequenzen messbar. Bei einem FMCW-Radar kann der Spektrumanalysator direkt als Entfernungsmessgerät genutzt werden.

Bild 2: Anzeige des Sendesignals eines Impulsradars auf einem Spektrumanalysator

Bild 2: Anzeige des Sendesignals eines Impulsradars auf einem Spektrumanalysator

Messung eines Spektrums

Bei einem Impulsradar werden die zeitlichen Abläufe am besten auf einem Oszilloskop dargestellt. Ein Spektrumanalysator hat hier zum Beispiel die Aufgabe, die Qualität des durch den Sender erzeugte Sondierungssignal zu bewerten. Im Bild 2 wird das Spektrum eines Magnetronsenders gezeigt. Bei einem Magnetronsender kann zum Beispiel die Sendeleistung durch eine Erhöhung des Magnetronstroms geregelt werden. Mehr erzeugte Leistung heißt aber nicht gleichzeitig auch bessere Reichweiten. Eine Leistungsmessung ist immer breitbandig. Es werden also auch die Anteile der Leistung mitgemessen, die außerhalb der Bandbreite der übrigen Radarbaugruppen liegen (zum Beispiel Antenne, Diplexer). Mit dem Spektrumanalysator kann jetzt eingeschätzt werden, ob die zusätzliche Leistung durch eine Vergrößerung des Magnetronstroms überhaupt im Bereich der gewünschten Frequenzen liegt. Anderenfalls ist es sinnlos den Strom weiter zu erhöhen, weil der einzige Effekt eine Verkürzung der Lebensdauer des Magnetrons wäre.

Auch mit dem Spektrumanalysator können zeitliche Zusammenhänge der Impulsfolgefrequenz erkannt werden, weil auch das Muster der Frequenzlinien und deren Lücken aussagekräftig ist. Allerdings: ein Oszilloskop kann das wesentlich anschaulicher.

Bild 3: FPC 1500 Spektrumanalysator
(Mit freundlicher Genehmigung von Rohde & Schwarz)

Bild 3: R&S®FPC 1500 Spektrumanalysator
(Mit freundlicher Genehmigung von Rohde & Schwarz)

Technische Lösungen

Bei analog arbeitenden Messgeräten wird ein elektrisch abstimmbares Bandfilter genutzt, um die Frequenzen zeitlich zu trennen und deren Amplituden wie bei einem Oszilloskop darzustellen. In der Praxis ist das sogar eine fest eingestellte Frequenz im Bandfilter und das zu messende Signal wird wie bei einem Superheterodynempfänger mit einer zeitlich linear veränderten Mischfrequenz (der so genannten Wobbelfrequenz) gemischt. Hochwertige digitale Spektrumanalysatoren verwenden ebenfalls aus Gründen der Genauigkeit und des Auflösungsvermögen dieses Prinzip. So kann das im Bild 3 gezeigte Gerät Frequenzen bis maximal 3 GHz mit einem Auflösungsvermögen von nur einem Hertz darstellen.

Bei billigeren digitalen Spektrumanalysatoren unterscheidet sich die Hardware manchmal nur geringfügig von der eines Oszilloskops. Der Unterschied besteht im Wesentlichen nur in der Software: die Signale des Zeitbereichs werden mit Hilfe der Fouriertransformation in den Frequenzbereich umgesetzt. Das bedeutet, dass moderne Oszilloskope durch Verwendung anderer oder zusätzlicher Software ebenfalls in der Lage sind, als Spektrumanalysator zu arbeiten. Allerdings sind dann deren Ergebnisse (Auflösungsvermögen) etwas ungenauer, weil die dafür notwendigen Bandbreiten durch einfache Oszilloskope oft nicht erreicht werden. Weiterhin benötigt auch die Fast Fouriertransformation Zeit und wird bei sich zeitlich schnell ändernden Signalen ungenauer.