Spektrumanalysatoren: Wozu werden sie benötigt und welche Typen gibt es

Sind Sie Elektroingenieur...? Haben Sie schon einmal einen Spektrumanalysator verwendet?

Die meisten (und hoffentlich alle!) Elektroingenieure - und vielleicht auch viele Ingenieure aus anderen Disziplinen als der Elektrotechnik - wissen, was ein Oszilloskop ist, und haben ein solches benutzt. Ich stelle mir vor, dass das Oszilloskop den meisten Elektroingenieuren im ersten Jahr ihres Studiums vorgestellt wurde. Wenn man jedoch mit Spektrumanalysatoren arbeitet, wissen einige praktizierende Elektroingenieure vielleicht nicht, was ein solcher ist, geschweige denn, dass sie jemals einen benutzt haben.

Was ist ein Spektrumanalysator?

Für viele Elektroingenieure sieht ein Spektrumanalysator genauso aus wie ein Oszilloskop, nur mit mehr Funktionen und Grafiken. Während jedoch sowohl ein Oszilloskop als auch ein Spektrumanalysator die Amplitude eines Signals auf der vertikalen Achse anzeigen, ist die Differenz zwischen ihnen das, was auf der horizontalen Achse angezeigt wird; ein Oszilloskop zeigt die Zeit an, während der Spektrumanalysator die Frequenz anzeigt. Die Abbildung unten zeigt mehrere Frequenzmessungen, die auf dem Spektrumanalysator DSA815-TG von Rigol angezeigt werden.

Abbildung 1: Spektrumanalysatoren zeigen Frequenzmessungen auf der horizontalen Achse an. (Bildquelle: Rigol Technologies[1])

Laut Keysight Technologies misst ein Spektrumanalysator „die Größe eines Eingangssignals in Abhängigkeit von der Frequenz innerhalb des gesamten Frequenzbereichs des Instruments. Sein primärer Nutzen besteht darin, die Leistung des Spektrums bekannter und unbekannter Signale zu messen“^[2]. Mit anderen Worten: Ein Spektrumanalysator ermöglicht es dem Benutzer, ein „Spektrum zu analysieren“, wobei ein Spektrum als eine Sammlung von Sinuswellen definiert ist, die zu einem Zeitbereichssignal kombiniert werden.

Als Beispiel betrachten wir ein Signal auf einem Oszilloskop (Abbildung 2).

Abbildung 2 : Ein auf einem Oszilloskop angezeigtes Signal (Bildquelle: Agilent Technologies[3])

Obwohl dieses Signal offensichtlich keine reine Sinuswellenform ist, bestimmt ein Spektrumanalysator jede der einzelnen Sinuswellenformen, aus denen dieses Signal besteht. Und nachdem der Spektrumanalysator diese Wellenformen identifiziert hat, stellt er die Amplitude gegen die Frequenz jeder einzelnen Wellenform dar. Wie Sie in Abbildung 3 sehen können, besteht das Signal in Abbildung 2 aus nur zwei sinusförmigen Wellenformen.

Abbildung 3: Beziehung zwischen einem Zeitbereichssignal (auf einem Oszilloskop angezeigt) und Frequenzbereichssignalen (auf einem Spektrumanalysator angezeigt) (Bildquelle: Agilent Technologies[3])

Arten von Spektrumanalysatoren: Technologietypen und Formfaktoren

Es gibt zwei Hauptkategorien von Spektrumanalysatoren: gewobbelte Analysatoren und Echtzeitanalysatoren, auch als Echtzeit-Spektrumanalysatoren oder RTSA bezeichnet. Beide Typen, die seit vielen Jahren verwendet werden, zeigen auf der vertikalen Achse die Amplitude und auf der horizontalen Achse die Frequenz an, aber die Art und Weise, wie sie „ein Spektrum analysieren“, ist das, was sie unterscheidet.

Wenn man bedenkt, dass ein Wobbel-Spektrumanalysator „nichts anderes als ein frequenzselektives Voltmeter mit einem Frequenzbereich ist, der automatisch abgestimmt (gewobbelt) wird“^[4], ist es überhaupt nicht überraschend, dass diese traditionellen Analysatortypen „von Funkempfängern abstammen“^[4]. Und da Wobbel-Spektrumanalysatoren „nicht alle Frequenzen in einem bestimmten Bereich gleichzeitig auswerten können“^[4], werden sie in erster Linie zur Messung stationärer oder sich wiederholender Signale verwendet. Diese Analysegeräte haben der Compliance-Engineering-Gemeinschaft (man denke nur an Vorabprüfungen und EMV/EMI-Tests) seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich gedient.

Im Gegensatz zu Wobbel-Spektrumanalysatoren können Echtzeit-Spektrumanalysatoren alle Frequenzen gleichzeitig auswerten. Ein Echtzeit-Spektrumanalysator arbeitet, indem er zunächst Daten im Zeitbereich erfasst und diese Daten dann mit Hilfe der schnellen Fourier-Transformation (FFT) in den Frequenzbereich konvertiert.

Spektrumanalysatoren gibt es in einer Vielzahl von Formfaktoren, einschließlich Tischgerät (Abbildung 4), Handgerät (Abbildung 5) und tragbar.

Abbildung 4: Der Spektrumanalysator T3SA3200 (Tischgerät) von Teledyne LeCroy bietet einen Frequenzbereich von 9 kHz bis 3,2 GHz. (Bildquelle: Teledyne LeCroy[5])

Abbildung 5: Das RF-Explorer-Modell 2.4G von Seeed Technology ist ein 2,35 GHz bis 2,55 GHz Spektrumanalysator (Handgerät). (Bildquelle: Seeed Technology)

Tischmodelle übertreffen in der Regel die Leistung ihrer handgehaltenen Gegenstücke, können aber teurer sein. Handgehaltene Spektrumanalysatoren sind sowohl kostengünstiger als auch kleiner, aber sie bieten im Vergleich zu Tischgeräten nur einen kleinen Teil der Funktionen. Tragbare Analysegeräte sind einfach solche (einschließlich einiger Tischgeräte), die dank ihrer Akkus zu einem Vor-Ort-Einsatz mitgenommen werden können.

Fazit

Während alle (hoffentlich!) Elektroingenieure wissen, was ein Oszilloskop ist und wie man es benutzt, kann man vermuten, dass nur einige Elektroingenieure jemals einen Spektrumanalysator benutzt haben. Obwohl Oszilloskope und einige Spektrumanalysatoren (die Tischgeräteversionen) sowohl im Formfaktor als auch in der Darstellung ähnlich aussehen mögen, sind sie doch recht unterschiedlich; ein Spektrumanalysator stellt seine erfassten Daten in einer Amplituden-gegen-Frequenz-Methode dar, während ein Oszilloskop seine Informationen in einer Amplituden-gegen-Zeit-Methode anzeigt. Wie bei den Oszilloskopen sind jedoch auch bei den Spektrumanalysatoren verschiedene Typen verfügbar, je nach Bedarf und Budget.

Referenzen:

1 - Rigol Technologies, „Datenblatt zum Spektrumanalysator DSA800„ (Seite 3)

2 - Keysight Technologies, „Was ist ein Spektrumanalysator?„

3 - Agilent Technologies, „Grundlagen der Spektrumanalyse von Agilent„ (Seiten 4-5)

4 - Keysight Technologies, „Verschiedene Arten von Analysatoren„

5 - Teledyne LeCroy, „Datenblatt zum T3SA3100/T3SA3200“ (Seite 2)