Metingen met een spectrumanalyzer
Afbeeldig 1: Driedimensionale weergave van de kijkrichtingen voor het tijdsdomein en het frequentiedomein,
links: de tweedimensionale weergave met behulp van een oscilloscoop;
rechts: de weergave als frequentiespectrum.
Afbeeldig 1: Driedimensionale weergave van de kijkrichtingen voor het tijdsdomein en het frequentiedomein,
links: de tweedimensionale weergave met behulp van een oscilloscoop;
rechts: de weergave als frequentiespectrum.
Metingen met een spectrumanalyzer
Een spectrum analyzer is een meetinstrument dat zeer vergelijkbaar is met een oscilloscoop. Beide meetinstrumenten worden gebruikt om speciale complexe signaalvormen weer te geven en te meten. Beide instrumenten tonen de amplitude van het gemeten signaal in de y-waarden. Er zijn verschillen in de weergave op de x-waarden. Op een oscilloscoop is dit de tijdas, op een spectrum analyzer is dit de frequentie-as. De oscilloscoop meet dus in het tijdsdomein, terwijl de spectrum analyzer in het frequentiedomein meet.
Als een ideale sinusspanning getoond moet worden, toont de oscilloscoop deze sinus over de gehele breedte van het scherm. In het geval van een spectrum analyzer wordt een smalle verticale lijn getoond voor deze sinusvormige oscillatie. Zelfs de kleinste veranderingen in de ideale sinusvorm, bijvoorbeeld door laagfrequente modulatie, zouden niet zichtbaar zijn op een oscilloscoop. Op de spectrumanalyzer zouden dan echter verschillende verticale lijnen met een lengte-afhankelijk van de amplitude van de betreffende signaalcomponent worden weergegeven.
Figuur 1 toont een mengsel van drie sinusfrequenties. Ongeveer dit mengsel van signalen zou worden geproduceerd als een FMCW-radar drie doelen op verschillende afstanden zou detecteren. Op een oscilloscoop zouden deze drie frequenties mogelijk zichtbaar zijn als ze niet te grote frequentieverschillen hadden. Maar het meten van de frequentie, d.w.z. het meten van de afstand, zou niet mogelijk zijn met een oscilloscoop. Alleen op de spectrumanalyzer kunnen alle drie de frequenties gemeten worden. Met een FMCW-radar kan de spectrumanalyzer direct als afstandsmeetinstrument worden gebruikt.
Figuur 2: Weergave van het signaal van de zender van een pulsradar op een spectrum analyzer
Meting van een spectrum
Met een pulsradar worden de tijdsequenties het beste weergegeven op een oscilloscoop. Hier heeft bijvoorbeeld een spectrumanalyzer de taak om de kwaliteit van het door de zender gegenereerde sonderingssignaal te evalueren. Figuur 2 toont het spectrum van een magnetronzender. In een magnetronzender kan bijvoorbeeld het zendvermogen worden geregeld door de anodestroom van de magnetrons te verhogen. Meer opgewekt vermogen betekent echter niet dat er tegelijkertijd een beter maximaal bereik is. Een vermogensmeting is altijd breedbandig. Dit betekent dat die delen van het vermogen die buiten de bandbreedte van de andere radarmodules vallen (b.v. antenne, diplexer) ook worden gemeten. De spectrumanalyzer kan nu worden gebruikt om in te schatten of het extra vermogen als gevolg van een toename van de anodestroom van de magnetron in het bereik van de gewenste frequenties ligt. Anders heeft het geen zin om de stroom verder te verhogen, omdat het enige effect een verkorting van de levensduur van de magnetron zou zijn.
De spectrumanalyzer kan ook worden gebruikt om temporele correlaties van de pulsherhalingsfrequentie te detecteren, omdat het patroon van de frequentielijnen en hun hiaten ook zinvol is. Echter: een oscilloscoop kan dit veel duidelijker doen.
Figuur 3: R&S®FPC 1500 Spectrum analyzer
(Met dank aan Rohde & Schwarz)
Technische specificatie
Analoge meetinstrumenten gebruiken een elektrisch afstembaar bandfilter om de frequenties in de tijd te scheiden en hun amplitudes weer te geven als een oscilloscoop. In de praktijk is dit zelfs een vaste frequentie in het bandfilter en wordt het te meten signaal gemengd met een lokale oscillatorfrequentie die lineair in de tijd verandert (de zogenaamde sweep-frequentie), zoals in een superheterodyne ontvanger. Hoogwaardige digitale spectrumanalyzers maken ook gebruik van dit principe om redenen van nauwkeurigheid en resolutie. Zo kan het apparaat in figuur 3 frequenties tot maximaal 3 GHz weergeven met een resolutie van slechts één Hertz.
Bij goedkopere digitale spectrumanalyzers verschilt de hardware soms maar weinig van die van een oscilloscoop. Het verschil zit hem eigenlijk alleen in de software: tijdsdomeinsignalen worden met de Fourier-transformatie omgezet naar het frequentiedomein. Dit betekent dat moderne oscilloscopen ook als spectrumanalyzer kunnen werken met andere of aanvullende software. De resultaten (in resolutie) zijn dan echter iets minder nauwkeurig omdat de hiervoor benodigde bandbreedtes vaak niet met eenvoudige oscilloscopen worden bereikt. Bovendien heeft de Fast Fourier Transformation ook tijd nodig en wordt deze minder nauwkeurig voor signalen die in de loop van de tijd snel veranderen.