Das Signal- und Spektrumanalysator-Portfolio von Rohde & Schwarz

Ein Spektrumanalysator macht genau das, was der Name vermuten lässt: Er detektiert die in einem ausgewählten Spektrumbereich vorhandenen Signale. Im Wesentlichen stellt er die Signale grafisch dar, wobei die Amplitude – bzw. der Leistungspegel – auf der Y-Achse in Abhängigkeit von der Frequenz auf der X-Achse angezeigt werden; die Amplitudendarstellung der detektierten Signale erfolgt im Frequenzbereich. Ein HF-Spektrumanalysator deckt HF- und Mikrowellenfrequenzen ab. Derzeit reicht der maximale Frequenzbereich mit Vorselektion von 2 Hz bis 85 GHz; mit externen Mischkomponenten sind höhere Frequenzen möglich. Üblicherweise verwendet man für die Frequenz auf der X-Achse eine lineare Skalierung und für die Amplitude auf der Y-Achse eine logarithmische oder Dezibel-Skalierung (ebenfalls logarithmisch). Dadurch lassen sich Signale mit stark abweichenden Amplituden gleichzeitig betrachten. Spektrumanalysatoren finden häufig bei HF-Tests Verwendung – nicht nur, um die Eigenschaften von Nutzsignalen anzuzeigen, beispielsweise, ob ein Signal die ausgewiesene Bandbreite belegt, sondern auch für die Suche nach Störsignalen.

Im Rahmen von HF-Tests kommt ein reiner Spektrumanalysator für die Pegelerkennung von Nutz- und Störsignalen durch Anzeige der spektralen Komponenten in einem Frequenzbereich kaum noch zum Einsatz. Die Beschaffenheit vieler moderner Pulssignale führt in Kombination mit der Notwendigkeit, Transientensignale zu detektieren und zu untersuchen, dazu, dass der klassische Spektrumanalysator mit demselben Überlagerungsprinzip wie bei Funkempfängern nicht zuverlässig alle Signale, die intermittierend als Transienten auftreten, erkennen oder die Phase eines Signals messen kann. Da der relevante Frequenzbereich die Möglichkeiten des Spektrumanalysators übersteigt, Daten simultan zu verarbeiten, wird der Frequenzbereich von der unteren bis zur oberen Grenze durchlaufen (Sweep). Wenn ein Transientensignal während des Frequenzdurchlaufs nicht auftritt, wird es nicht detektiert.

Die digitale Verarbeitung mit der schnellen Fourier-Transformation (FFT) vom Zeit- in den Frequenzbereich hat sowohl die Signaldetektions- als auch die Analysefähigkeiten des Spektrumanalysators mit Überlagerungsprinzip stark erweitert. Mit der FFT ist eine deutlich schnellere Erfassung und Analyse des Frequenzbereichs möglich: Die parallele Verwendung von FFTs führt zu einer größeren Momentanbandbreite, sodass mit geeigneten Filtern auch Puls- und Transientensignale detektiert werden. Viele Spektrumanalysatoren verfügen zudem über den Zero-Span-Modus, um sowohl die Phase als auch die Amplitude eines Signals zu analysieren und dieses auf der gewählten Frequenz zu demodulieren. Neben der einfachen Darstellung eines detektierten Signals auf dem Bildschirm sind ebenso Messungen von Rauschen, Verstärkung, Phase, belegter Signalbandbreite und Nachbarkanalleistung möglich. Das digitale Signal kann zur Nachverarbeitung durch Softwarewerkzeuge exportiert werden, um auf zusätzliche Analysefunktionen zurückzugreifen.

Ein Signalanalysator, genauer gesagt ein Vektorsignalanalysator (VSA), wird für die Demodulation und Analyse von Signalen mit komplexer, digitaler Modulation eingesetzt. Ein VSA erfasst Signale auf einer festen Mittenfrequenz und nutzt Filter, um die Bandbreite – oder den Frequenzmessbereich – der Spektrumanzeige einzustellen; ein Spektrumanalysator durchläuft einen größeren Frequenzbereich. Im Vergleich zu einem dedizierten Spektrumanalysator liefert ein VSA Phaseninformationen und bietet zusätzliche, erweiterte Messungen von Signaleigenschaften, die mithilfe der Spektrumanalyse nicht gewonnen werden können. Er nutzt digitale Verfahren, um Signale auf Basis der digitalen Modulationskomponenten In-Phase (I) und Quadrature (Q) zu demodulieren. Ein VSA analysiert Signaleigenschaften wie Signal-Rauschabstand (oder Träger-Rauschabstand), Fehlervektorbetrag (EVM) und Code-Kanalleistung. Sämtliche Eigenschaften von Puls- oder Transientensignalen lassen sich messen, einschließlich aller Werte für Pegel, Frequenz, Phase, Rauschen, Verstärkung, belegte Signalbandbreite und Nachbarkanalleistung.

Bei Messgeräten muss unweigerlich ein Kompromiss zwischen Rauschpegel und Bandbreite geschlossen werden; da ein VSA auf eine Festfrequenz zentriert ist, reicht eine schmalere Analysebandbreite aus, sodass ein gut durchdachter VSA ein niedriges Grundrauschen und eine ausgezeichnete Empfindlichkeit für die Detektion von Signalen mit niedrigen Pegeln aufweist.

Die meisten VSA verfügen ebenfalls über einen Spektrumanalysemodus, der sich besser für die (Stör-)Signaldetektion eignet. Dabei wird der Frequenzmessbereich des erfassten Signals vergrößert, während allerdings gleichzeitig die Demodulationsmöglichkeiten für AM, FM oder φM eingeschränkt werden.

Der für einen Spektrumanalysator erforderliche Frequenzbereich hängt von der Anwendung ab, d. h. von den zu untersuchenden Frequenzen sowohl der Nutz- als auch der Störsignale und vom Zweck der Signaldetektion. Beispielsweise muss der Frequenzbereich beim Spektrum-Monitoring nur die zu überwachenden Frequenzen umfassen. Für die Geräteentwicklung und die Untersuchung von elektromagnetischen Störungen (EMI) wird in vielen Normen die Messung von Nebenaussendungen auf der dritten Harmonischen der Grundfrequenz gefordert; für ein Gerät, das im 2,4-GHz-ISM-Band arbeitet, beispielsweise ein Wi-Fi- oder Bluetooth®-Gerät, ist somit ein Frequenzbereich von mindestens 7,2 GHz notwendig. Zum Nachweis der Normenkonformität sind in bestimmten Fällen Nebenaussendungen bis zur fünften Harmonischen gefordert; für ein 2,4-GHz-Gerät ist somit bereits ein Frequenzbereich von 12 GHz notwendig. In Bezug auf 5G-Geräte, die im n258-Band von 24,25 GHz bis 27,50 GHz arbeiten, gibt es nur sehr wenige Spektrumanalysatoren, die die notwendige Maximalfrequenz von 82,5 GHz erreichen. Viele Normen von Organisationen wie ETSI, ANSI oder 3GPP spezifizieren Grenzwerte für Außerband-Aussendungen, die deutlich näher an der Grundfrequenz liegen. Prüfen Sie in jedem Fall die für den Gerätetest einschlägigen Normen. Als Faustregel sollte man eine Maximalfrequenz anstreben, die 20 % über dem voraussichtlichen Maximum liegt.

Im Allgemeinen beschreibt der Dynamikbereich die maximalen und minimalen Werte, die ein Gerät messen kann; bei einem Spektrumanalysator, der für die gleichzeitige Detektion mehrerer Signale entwickelt wurde, entspricht dies der Fähigkeit des Analysators, ein schwaches Signal in Gegenwart eines starken Signals zu detektieren. Der Dynamikbereich eines Spektrumanalysators ist als das Verhältnis in dB eines größeren zu einem kleineren Signal definiert, bei dem der Spektrumanalysator das kleinere mit einer vorgegebenen Genauigkeit in Gegenwart des größeren messen kann.

Da Spektrumanalysatoren häufig für die Suche nach Nebenaussendungen in Gegenwart des Nutzsignals verwendet werden, ist die Fähigkeit des Analysators, ein schwaches Signal in Gegenwart eines starken Signals zu detektieren, ein fundamentales Leistungskriterium. Maximaler Signalpegelbereich, Grundrauschen, Phasenrauschen und Nebenempfang des Messgeräts spielen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Dynamikbereichs.

Der Dynamikbereich ist im Hinblick auf das schwächere Signal durch das Eigenrauschen des Analysators und in Bezug auf das stärkere Signal durch Nichtlinearitäten begrenzt.

Das Eigenrauschen wird anhand des gemittelten angezeigten Rauschens (DANL) spezifiziert. Die Angabe erfolgt in dBm und normalisiert auf 1 Hz Auflösebandbreite. Ein Vorverstärker reduziert das gemittelte angezeigte Rauschen, sodass man schwache Signale besser detektieren kann. Allerdings wird der Gesamtdynamikbereich verringert.

Die Nichtlinearitäten werden durch den 1-dB-Kompressionspunkt, die zweite Harmonischenverzerrung und den Interceptpunkt 3. Ordnung (IP3) angezeigt.

Unter dem Phasenrauschen eines Signals versteht man kurze, schnelle Fluktuationen in der Frequenz, die man auf dem Bildschirm des Spektrumanalysators als Trübung oder Verwackelung der Signalform erkennen kann. Phasenrauschen verteilt die Leistung eines Signals auf benachbarte Frequenzen und führt zu Eigenrauschen, Abschwächung der Nutzsignalleistung und geringerer Signalqualität. Ein schwaches Signal kann im Phasenrauschen eines starken benachbarten Signals verschwinden.

Phasenrauschen im Frequenzbereich entspricht Jitter im Zeitbereich; eine Fluktuation in der Frequenz entspricht ebenso einer Abweichung einer Signalflanke in der Zeit.

Die Ursache für Phasenrauschen (und Jitter) liegt in Unregelmäßigkeiten hinsichtlich der Performance des Oszillators, der das Signal taktet.

Ein idealer Oszillator würde eine reine Sinuskurve erzeugen; die gesamte Leistung des Signals ist auf einer einzigen Frequenz konzentriert. Jedoch weisen alle realen Oszillatoren Instabilitäten auf, die phasenmodulierte Rauschanteile verursachen. Die Phasenrauschkomponenten verteilen die Leistung eines Signals auf benachbarte Frequenzen. Das Phasenrauschen von Oszillatoren beinhaltet oftmals niederfrequentes Funkelrauschen und unter Umständen auch weißes Rauschen. Phasenrauschen beschreibt die Stabilität eines Oszillators im Frequenzbereich, während Jitter die Stabilität im Zeitbereich beschreibt.

Phasenrauschen kann mithilfe eines Spektrumanalysators gemessen werden, solange das Phasenrauschen des Prüflings im Vergleich zum Phasenrauschen des Lokaloszillators im Spektrumanalysator ausreichend groß ist.

Das Eigenphasenrauschen des Spektrumanalysators begrenzt die Möglichkeit zur Durchführung von Phasenrauschmessungen und wirkt sich auf EVM-Messungen (Fehlervektorbetrag) an digital modulierten Signalen aus. Dies trifft insbesondere auf Schmalbandsignale zu.

Optional werden für einige Spektrumanalysatoren aufpreispflichtige Oszillatoren mit höherer Genauigkeit angeboten, um die Empfindlichkeit von Phasenrauschmessungen zu verbessern.

Auf diese Frage gibt es keine pauschale Antwort, die Wahl des besten Spektrumanalysators hängt von den individuellen Gegebenheiten ab. Zu den wichtigsten Entscheidungskriterien zählen die Frequenz und die Eigenschaften der zu messenden Signale, welche Messungen genau erforderlich sind, an welchem Ort die Signale gemessen werden sollen und das verfügbare Budget. Der Frequenzbereich des Spektrumanalysators bestimmt die minimale und maximale Frequenz, die gemessen werden kann. Die erforderliche Messgeschwindigkeit, Messdynamik, Analysebandbreite und Empfindlichkeit sowie das Phasenrauschen hängen allesamt von den zu messenden Signalen und der benötigten Genauigkeit ab. Auch die Analysemöglichkeiten müssen zum jeweiligen Anforderungsprofil passen. Weitere Kriterien umfassen Aspekte wie Portabilität und Gewicht, Optionskonzepte zur Leistungserweiterung nach dem ursprünglichen Kauf, Service und Kalibrierunterstützung und die Eignung für die bestehende messtechnische Infrastruktur; kann der neue Analysator einfach anstelle des alten Geräts eingeschoben werden?

Das Spektrumanalysator-Portfolio von Rohde & Schwarz umfasst Lösungen sowohl für allgemeine Messaufgaben als auch für spezielle Industriestandards. Es beinhaltet:

• Spektrumanalysatoren der Einstiegsklasse wie der R&S®FPC1500 mit einem Frequenzbereich, der bei 5 kHz bis 1 GHz beginnt und auf 3 GHz erweiterbar ist, für Budgets von Einführungsveranstaltungen in der Lehre bis hin zum professionellen Einsatz, einschließlich umfassender Upgrade-Möglichkeiten.
• Tragbare, batteriebetriebene Spektrumanalysatoren für alle Einsatzszenarien im Feld mit Frequenzen bis 31 GHz, wie der R&S®FPH.
• Universal-Tischgeräte wie der R&S®FSV3000 oder der R&S®FPL1000. Sie bieten eine herausragende HF-Performance und viele Signalanalyseoptionen einschließlich 5G NR. Zudem zeichnen sie sich durch eine umfangreiche Bedienoberfläche und automatisierte Steuerung aus.
• Kompakte Geräte ohne integrierte Bedienoberfläche für Anwendungen in den Bereichen Produktion, Systeme und Monitoring, wie der R&S®FPS Signal- und Spektrumanalysator. Ultraschnelle Messungen, hervorragende Performance, minimale Größe und Leistungsaufnahme, geringes Gewicht.
• Hochleistungs-Messgeräte wie der R&S®FSW. Diese Geräteklasse bietet konkurrenzlose HF-Performance, eine einzigartige Maximalfrequenz von 90 GHz und 8,3 GHz Analysebandbreite.