Spektrumanalyse und EMV.

Inhaltsverzeichnis.

1. Darstellung der in einem Signal enthaltenen Frequenzen
2. Nutzen der Spektrumanalyse
3. Anwendungsgebiete und -bereiche
4. Benchtop und Handheld

Darstellung der in einem Signal enthaltenen Frequenzen.

Der Spektrumanalysator (engl. Spectrum analyzer) oder Signal-Analysator erfasst die Signale in einem Frequenzbereich und stellt diese in einem Frequenzspektrum (kurz Spektrum) dar. Das Frequenzspektrum wird innerhalb eines Diagramms abgebildet. Dabei wird auf der X-Achse (horizontale Achse - Abszisse) in der Regel die Frequenz in einem linearen Maßstab und auf der Y-Achse (vertikale Achse - Ordinate) die Amplitude meist in einem logarithmischen Maßstab, entweder als Spannung oder als Leistung (dBm), abgebildet. Somit stellen die Spektrumanalysatoren im Gegensatz zum verwandten Messgerät Oszilloskop den Signalverlauf im Frequenzbereich und nicht im Zeitbereich dar.

Die "Parallelität" der Zeit und der Frequenzebene

Unser täglicher normaler Umgang ist in der Zeit und alle Vorkommnisse haben einen Zeitbezug - auch die elektrischen Signalverläufe betrachten wir mit einem Oszilloskop in der Zeitebene. Warum also eine Spektrumanalyse? Was ist Spektrum?

Seit Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830) wissen wir um die „Parallelität" der Zeit- und der Frequenzebene. Ein periodisches Zeit-Signal kann durch eine Summe seiner Harmonischen im Frequenzbereich nachgebildet werden. Es kann z. B. eine Rechteckpulsfolge aus einer Summe von unendlich vielen Sinusfunktionen mit ungeradzahligen Vielfachen der Grundfrequenz und dem entsprechend ungeradzahligen Teil der Grundwellenamplitude zusammengesetzt werden.

Das Frequenzspektrum

Nach Definition ist ein Spektrum eine Sammlung von Sinuskurven unterschiedlicher Amplitude (und unterschiedlicher Phasen), die, wenn aufsummiert wird, eine periodische komplexe Funktion ergeben. Das Bild stellt diesen Zusammenhang dar: Im Zeitbereich ist eine relativ komplexe Funktion sichtbar, die sich, wie in der Frequenzebene dargestellt, aus drei Sinuskurven zusammensetzt. Das von einem Spektrumanalysator dargestellte Bild entspricht dem rechten Bildsegment.

Nutzen der Spektrumanalyse.

Wie hilft die Spektrumanalyse im Messtechnik-Alltag? Ein Beispiel: Will man die Qualität eines Rechtecksignals kontrollieren, so lässt sich die Spektrumanalyse sehr gut anwenden, indem auf dem Spektrumanalysator sowohl die Frequenzen als auch die zugehörigen Amplituden der beteiligten Sinuswellen angezeigt werden. Sehr leicht lässt sich daraus bestimmen, ob die jeweiligen Schwingungen nebst Amplitudenwerten nach der Theorie überhaupt beteiligt sind bzw. sein dürfen. Mit einem Spektrumanalysator erhält man Aufschluss über diese beteiligten Sinusfunktionen mit ihren jeweiligen: 

• Frequenzen und
• Amplituden

Jedoch kann mit einem Spektrumanalysator keine Aussage über die Phasenlage der einzelnen Sinussignale zueinander getroffen werden. Muss auch die Phasenbeziehung der Sinussignale zueinander gemessen werden, sind Vektor-Signal-Analysatoren oder Netzwerkanalysatoren notwendig. Das heißt eine vollständige Beschreibung eines periodischen Signals im Zeitbereich erfordert einen ganzen Parametersatz bestehend aus Frequenzen, den zugehörigen Amplituden und den jeweiligen Phasen bezogen auf das Grundsignal.

Frequenzbereich

Handelsübliche Spektrumanalysatoren umfassen einen Frequenzbereich von 3 Hz bis zu 50 GHz.

Je nach Verwendungszweck kann dieser Frequenzbereich eingeschränkt sein und z. B. für EMV- (Elektromagnetische Verträglichkeit)-Anwendungen von 100 kHz bis 8,5 GHz ausreichend sein.

Fourier-Transformation und Fast Fourier-Transformation (FFT)

Theoretisch muss bei der Transformation vom Zeitbereich in den Frequenzbereich das zeitliche Signal über einen unendlichen Zeitraum betrachtet werden. Aus praktischen Gründen wird jedoch nur eine bestimmte Zeitperiode betrachtet, um Messungen durchzuführen.

Dies ist der Unterschied zwischen der Fourier-Transformation, die den unendlichen Zeit- oder Frequenzbereich umfasst und der Fast Fourier-Transformation (FFT), die aus praktischen Gründen jeweils nur einen begrenzten Zeit- bzw. Frequenzbereich betrachtet.

Messungen im Zeitbereich vs. Messungen im Frequenzbereich

Nun könnte die Frage aufkommen: Warum benötigen wir überhaupt noch Messungen im Zeitbereich?

Einige Messungen können nur im Zeitbereich durchgeführt werden z. B. Messung der Anstiegs- und Abfallzeit, Augendiagrammessungen etc. In Bezug auf die Spektrumanalyse ist die Gegenfrage: Warum Messungen im Frequenzbereich? - viel interessanter.

Zum Beispiel lässt sich der Betrag der Übertragungsfunktion (Dämpfungsverlauf) eines Filters in Abhängigkeit von der Frequenz sehr gut messen. Ingenieure, z. B. aus dem Bereich Telekommunikation, sind sehr daran interessiert, wie hoch die Störungen innerhalb des untersuchten Übertragungsbandes sind bzw. wie hoch die Störungen in benachbarte Übertragungsbänder einstrahlen. So müssen für Mobilfunknetze die Übertragungskanäle daraufhin untersucht werden, dass Harmonische des Trägersignals nicht mit anderen Übertragungssystemen interferieren.

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) / Compliance-Testing

Alle elektronischen Geräte müssen nach den einschlägigen Normen (VDE / EN) daraufhin untersucht werden, welche elektromagnetische Strahlung sie an die Umgebung abgeben und wie hoch diese Werte bei unterschiedlichen Frequenzen bzw. in den Frequenzbereichen sind. Ein geeignetes Messgerät für derartige Tests ist ein Spektrumanalysator. Mit ihm lässt sich feststellen bei welcher Frequenz diese Abstrahlung erfolgt, wie hoch der Leistungspegel dieser Frequenz ist und ob ein zulässiger Grenzwert überschritten wird.

Diese Messungen sind sehr zeitintensiv da die Messantenne in 15°-Schritten vollständig (360°) um das zu testende Gerät geführt werden muss. Anschließend ist es erforderlich die Antenne in einer anderen Höhe zu installieren und diese 24 Messschritte zu wiederholen. Da jede Messung eine sehr geringe Frequenzauflösung verlangt sowie für einen Sweep der Spektrumanalysator über den kompletten Frequenzbereich geführt werden muss, ist dies mit einem enormen Zeitaufwand verbunden.

Diese Messzeit lässt sich deutlich reduzieren indem im Zeitbereich aufgenommen und auf diesen Datensatz die FFT (Fast Fourier-Transformation) angewendet wird. Das Anwenden dieses Tricks erlaubt es einem im Anschluss nur noch die Signale im Frequenzbereich zu untersuchen, deren Signalspitze einer Toleranzmaske zu nahe kommt oder diese gar überschreitet. Der Vorteil ist eine erheblich schnellere Messung. Mehrfache Entwicklungsschleifen lassen sich dadurch vermeiden. Die Amortisation und Rentabilität des Spektrumanalysators steht damit außer Zweifel.

Anwendungsgebiete und -bereiche.

Spektrumanalysatoren kommen unter anderem in folgenden Gebieten zum Einsatz:

• Entwicklung
• EMV-Konformitätsprüfung
• Produktion
• Qualitätssicherung
• Service
• u. v. m.

Innerhalb ihrer Anwendungsgebiete kann die Spektrumanalyse in folgenden Bereichen Anwendung finden:

• Amplitudenmodulation (AM) / Frequenzmodulation (FM)-Demodulation
• Bluetooth Applikation
• Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) / Electromagnetic Compatibility (EMC) Messapplikation
• Phasen-Rauschen
• Rauschzahlmessungen
• Mobilfunk Anwendungen (GSM, GPRS, UMTS, LTE, TETRA, cdma,...)
• Wireless Anwendungen (Bluetooth, RFID, WLAN, ZigBee)
•  u. v. m.

Anwendungsspezifische Spektrumanalysatoren.

Wie oben bereits erwähnt, sind Spektrumanalysatoren für spezifische Anwendungsbereiche (Telekommunikation, Wireless-Verbindungen wie Bluetooth usw.) ausgelegt. So beinhalten sie z. B. für EMV-Messungen die entsprechenden Grenzwertmasken wie sie von den gesetzlichen Bestimmungen gefordert sind. Der Anwender kann direkt erkennen, ob ein mögliches Signal in der Toleranzgrenze liegt oder ob diese bereits berührt oder gar überschritten wird. Des Weiteren sind für die Mobilkommunikation, Geräte verfügbar, die die Toleranzmasken für einen speziellen Übertragungskanal einblenden.

Benchtop und Handheld.

Benchtop

Tisch-Spektrum- und -Signalanalysatoren sind für Forschung und Entwicklung oder Design-Verifikation gut geeignet. Sie werden zur interaktiven Analyse und Fehlerbehebung eingesetzt. Tischanalysegeräte gibt es in einem weiten Preis- / Leistungsbereich, so dass der Anwender Geräte wählen kann, die seinen Anforderungen entsprechen.

Handheld

Handheldgeräte sind robuste, präzise, schnell und einfach zu verwendende portable Spektrum- Analysatoren, gemacht für Herausforderungen mit denen Feldtechniker und Ingenieure konfrontiert sind. Handanalysatoren sind für lange Akkulaufzeit und minimales Gewicht optimiert.