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S p e k t r u m a n a l y s a t o r e n
Rauschen
Die Empfi ndlichkeit ist ein Maß für die Fähigkeit des Spek-
trumanalysators, kleine Signale zu messen. Die maximale
Empfi ndlichkeit wird durch das Eigenrauschen bestimmt. Hier
unterscheidet man grundsätzlich zwei Arten: thermisches und
nicht-thermisches Rauschen.
Das thermische Rauschen wird mit folgender Formel be-
schrieben: PN = K × T × B
PN = Rauschleistung in Watt
K = Boltzmann Konstante (1,38 × 10
T = absolute Temperatur (K)
B = Bandbreite des Systems in Hz
Diese Gleichung zeigt, dass die Größe des Rauschens direkt
proportional zur Bandbreite ist. Daraus folgt, dass eine Band-
breitenreduzierung der Filter um eine Dekade das Rauschen
prinzipiell um 10 dB senkt, was wiederum eine Empfi ndlich-
keitssteigerung des Systems um 10 dB bedingt.
Alle weiteren Rauschquellen des Analysators werden als
nicht-thermisch angenommen. Unerwünschte Abstrahlungen,
Verzerrungen auf Grund nichtlinearer Kennlinien und Fehlan-
passungen sind Quellen von nicht-thermischem Rauschen.
Unter der Übertragungsgüte oder Rauschzahl versteht man
normalerweise die nicht-thermischen Rauschquellen. Zu
diesen wird das thermische Rauschen addiert um die Gesam-
trauschzahl des Systems zu erhalten.
Dieses Rauschen, welches auch auf dem Schirm sichtbar wird,
bestimmt die Empfi ndlichkeit eines Spektrumanalysators. Da
der Rauschpegel sich mit der Bandbreite ändert, ist es notwen-
dig sich beim Empfi ndlichkeitsvergleich zweier Analysatoren
auf die gleiche Filterbandbreite zu beziehen. Spektrumana-
lysatoren werden über ein breites Frequenzband gewobbelt,
sind aber eigentlich schmalbandige Messinstrumente. Alle
Signale, die im Frequenzbereich des Spektrumanalysators
liegen, werden auf eine Zwischenfrequenz konvertiert und
durchlaufen dann die ZF-Filter. Der Detektor hinter dem ZF-
Filter sieht nur den Rauschanteil, der innerhalb der schmalen
Filterbandbreite liegt. Daher wird auf dem Sichtschirm nur das
Rauschen dargestellt, welches innerhalb des Durchlassberei-
ches des ZF-Filters liegt. Bei der Messung diskreter Signale
wird die maximale Empfi ndlichkeit immer mit dem schmalsten
ZF-Filter erreicht.
Video-Filter
Die Messung kleiner Signale kann sich immer dann schwierig
gestalten, wenn die Signalamplitude im gleichen Pegelbereich
wie das mittlere Rauschen des Spektrumanalysators liegt.
Um für diesen Fall die Signale besser sichtbar zu machen
lässt sich im Signalweg des Spektrumanalysators hinter dem
ZF-Filter ein Video-Filter zuschalten. Durch dieses Filter, mit
einer Bandbreite von wenigen kHz, wird das interne Rauschen
des Spektrumanalysators gemittelt. Dadurch wird unter Um-
ständen ein sonst im Rauschen verstecktes Signal sichtbar.
Wenn die ZF-Bandbreite sehr schmal im Verhältnis zum ein-
gestellten SPAN ist, sollte das Video-Filter nicht eingeschaltet
werden, da dies zu einer zu niedrig dargestellten Amplitude
auf Grund der Bandbreitenbegrenzung führen kann. (Eine nicht
zulässige Kombination der eingestellten Parameter wird durch
die UNCAL Anzeige im Display angezeigt).
Empfi ndlichkeit - Max. Eingangspegel
Die Spezifi kation der Eingangsempfi ndlichkeit eines Spek-
trumanalysators ist etwas willkürlich. Eine Möglichkeit der
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Änderungen vorbehalten
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Joule/K)
Spezifi kation ist, die Eingangsempfi ndlichkeit als den Pegel zu
defi nieren, bei dem die Signalleistung der mittleren Rauschlei-
stung des Analysators entspricht. Da ein Spektrumanalysator
immer Signal plus Rauschen misst, erscheint bei Erfüllung
dieser Defi nition das zu messende Signal 3 dB oberhalb des
Rauschpegels. Die maximal zulässige Eingangsspannung für
einen Spektrum- Analysator ist der Pegel, der noch nicht zur
Zerstörung (Burn Out) der Eingangsstufe führt. Dies ist bei ei-
nem Pegel von +10 dBm für den Eingangsmischer, und +20 dBm
für den Eingangsabschwächer der Fall. Bevor der ,,burn out"-
Pegel erreicht wird, setzt eine Verstärkungskompression
beim Spektrumanalysator ein. Diese ist unkritisch, solange
eine Kompression von 1dB nicht überschritten wird. Darüber
hinaus kann davon ausgegangen werden, dass der Analysa-
tor Nichtlinearitäten auf Grund von Übersteuerung erzeugt.
Zusätzlich steigt die Gefahr einer unbemerkten Überlastung
der Eingangsstufe, weil sich einzeln dargestellte Spektrallinien
in der Abbildung auf dem Bildschirm, auch bei einsetzender
Verstärkungskompression, meist nur unmerklich verändern.
Auf jeden Fall entspricht die Abbildung der Amplituden nicht
mehr den tatsächlichen Verhältnissen.
Bei jeder Signalanalyse entstehen im Spektrumanalysator
Verzerrungsprodukte. Diese werden größtenteils durch die
nichtlinearen Eigenschaften der Eingangsstufe verursacht. Sie
bewegt sich beim HM5510 in der Größenordnung von >75 dB
unterhalb des Eingangspegels, solange dieser nicht größer als
–30 dBm ist. Um größere Eingangssignale verarbeiten zu kön-
nen, ist dem Mischer ein Eingangsabschwächer vorgeschaltet.
Das größte Eingangssignal, welches der Spektrumanalysator
bei jeder beliebigen Stellung des Abschwächers verarbeiten
kann ohne ein bestimmtes Maß an Verzerrungen zu über-
schreiten, wird der ,,optimale Eingangspegel" genannt. Das
Signal wird dabei soweit abgeschwächt, dass der Mischer
keinen größeren Pegel als –30 dBm angeboten bekommt.
Anderenfalls wird der spezifi zierte Oberwellenabstand nicht
eingehalten. Der verzerrungsfreie Bereich wird auch als
nutzbarer Dynamikbereich des Analysators bezeichnet. Zum
Unterschied dazu wird der darstellbare Anzeigebereich defi -
niert als das Verhältnis vom größten zum kleinsten gleichzeitig
angezeigten Pegel, ohne dass Intermodulationsprodukte des
Analysators auf dem Bildschirm sichtbar sind.
Der verzerrungsfreie Messbereich kann durch eine Redu-
zierung des Eingangspegels weiter ausgedehnt werden. Die
einzige Einschränkung bildet dann die Empfi ndlichkeit des
Spektrumanalysators. Die maximal mögliche Dynamik wird
erreicht, wenn die Spektrallinie mit dem höchsten Pegel den
Referenzpegel gerade noch nicht überschreitet.
Frequenzgang
Mit diesem Begriff wird das Übertragungsverhalten des
Spektrumanalysators beschrieben. Der Frequenzgang soll
möglichst fl ach und die Genauigkeit des angezeigten Signal-
pegels soll unabhängig von der Signalfrequenz sein. Dabei
müssen sich Filter und Verstärker im eingeschwungenen
Zustand befi nden.
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