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Messtechnik oder solche

Messtechnik oder solche mit sehr langen Wiederhol intervallen erfassen und messen. Bild 3: Das obere Bild zeigt eine Einzelmessung mit Schnelldurchlauf auf einem Signalanalysator der Keysight UXA-X-Serie. Der Analysator hat etliche, aber nicht alle Signale erfasst. Im unteren Bild ist der Analysator auf „Max Hold“ eingestellt. Nach mehreren Durchläufen zeigt er daher die Umhüllende aller Signale. Die beste Ergänzung – oder vielleicht ein Ersatz dafür – ist ein Signalanalysator, der Amplitude und Phase messen kann. Nach gängiger Definition kombiniert ein Signalanalysator die Fähigkeiten eines Spektrumanalysators und eines Vektorsignalanalysators in einem Gerät. Vektormessungen braucht man für Aufgaben wie etwa die Betrachtung der Phase über der Zeit, für die Demodulation komplexer Signale oder die Messung einer breitbandigen Leistungsverteilung. Mit Signalanalysatoren, die eine sehr große Analysebandbreite bieten (beispielsweise 510 MHz) und zusätzlich Echtzeitspektrumanalyse und Dichtedarstellung in Schritten unterstützen, kann man unregelmäßig auftretende Signale Schnelldurchlauf Bild 1 zeigt die Funktion eines herkömmlichen, gewobbelten Spektrumanalysators. Das RBW-Filter und der Verlauf des Wobbeldurchlaufs sind in grün gezeigt und über der Zeit aufgetragen. Die gestrichelten Linien zeigen den Rücklauf. Immer dann, wenn die grüne Linie ein Signal schneidet (schwarz dargestellt), erscheint es in der Messkurve. In der Betriebsart „Schnelldurchlauf“ wird der Analysator so konfiguriert, dass er den Messbereich so schnell wie möglich mit einer relativ schmalen Auflösungsbandbreite (RBW, Resolution Bandwidth) überstreicht. Einige Signalanalysatoren setzen dieses Verfahren mittels digitaler RBW-Filter und DSP-basierter Fehlerkorrektur um. Sie erreichen damit erheblich größere Durchlaufgeschwindigkeiten, und zwar ohne Genauigkeitseinbuße bei Frequenz und Amplitude. Durch die Kompensation von Durchlauffehlern erzielen diese Filter bei größeren Durchlaufgeschwindigkeiten sogar noch eine bessere Reproduzierbarkeit. Schnellere Durchläufe (also die Verringerung der für einen Durchlauf nötigen Zeit) sorgen für mehr Schnittpunkte mit Signalen in dem gemessenen Frequenzbereich (siehe Bild 2). Das ist zwar eine Verbesserung gegenüber der herkömmlichen Methode, dennoch kann es sein, dass der Analysator kein vollständiges Bild aller im untersuchten Frequenzband vorhandenen Signale liefert. Echte Messergebnisse sind in Bild 3 dargestellt. Sie wurden mit einem Signalanalysator ermittelt, der über die Betriebsart „Schnelldurchlauf“ verfügt. Der Schritt zur Echtzeitspektrumanalyse Schnelldurchläufe sind nützlich, wenn man nach Signalen 22 HF-Einkaufsführer 2015/2016

Messtechnik Bild 4: Mit einem fest eingestellten Lokaloszillator werden die Daten kontinuierlich analysiert und dargestellt. Sämtlicher Signalinhalt wird unabhängig von Wiederholintervallen erfasst. Man beachte, dass die Bandbreite hierbei kleiner ist als die der Wobbelmessungen in Bild 1 und 2. mit relativ kurzen Wiederholintervallen sucht. In heutigen Anwendungen wird jedoch nach unregelmäßig auftretenden Signalen gesucht, die lange Wiederholintervalle haben oder auch sehr eng beieinanderliegen und praktisch zur gleichen Zeit erscheinen. Die Echtzeitspektrumanalyse erfordert eine lückenlose Erfassung und Verarbeitung aller Signale innerhalb eines Frequenzbandes. In dieser Betriebsart steht der Lokaloszillator (LO) auf einer festen Frequenz, und der Analysator digitalisiert das Eingangsspektrum. FPGAs verarbeiten die erfassten Daten ohne Pause mittels FFT. Die FFT läuft mit gleicher Geschwindigkeit wie die Erfassungsrate oder gar noch schneller (siehe Bild 4). Angesichts der laufenden Verbesserungen bei AD-Wandlern und DSPs hat sich diese Methode von schmalen Bandbreiten (die für heutige Militärelektronik zu schmal wären) zu Bandbreiten von 160 MHz (2013) und 510 MHz (2014) in aktuellen Signalanalysatoren (als Einzelgeräten) weiterentwickelt. Zusätzlich ermöglichen die verfügbaren großen Dynamikbereiche bei gleichzeitig großen Bandbreiten die Identifikation von kleinen Signalen bei gleichzeitiger Anwesenheit von Großsignalen. Neben der Fähigkeit, immer größere Spektren lückenlos zu überwachen, können in Echtzeitmessungen auch sehr kurze Signale erfasst und verarbeitet werden. Ein Analysator kann beispielsweise bei den höheren Abtastraten, die er für größere Bandbreiten braucht, dennoch sehr kurze Signale erfassen. Zum Beispiel kann bei mindestens 60 dB S/N der Analyzer praktisch jedes Signal erkennen, das so schmal ist wie der Kehrwert der effektiven Abtastrate des Analysators (1/fs). Tastet ein Analysator beispielsweise mit 300 MHz ab, kann er jedes Signal erkennen, das länger ist als 3,33 ns (wenngleich nicht 100 Prozent der Zeit). Obwohl also der Analysator Impulse im Nanosekundenbereich erkennen kann, ist es nicht sicher, dass er den Impuls sicher erkennt oder seine Amplitude genau erfasst. Eine Spezifikation, die „Erfassungswahrscheinlichkeit“ heißt (POI, Probability of Intercept) gibt die minimale Impulslänge an, die der Analysator immer erkennt (auch bei einem einmaligen oder sehr selten auftretenden Signal) und zwar mit genauer Amplitude. Die minimale Dauer für 100% Erfassungswahrscheinlichkeit hängt von mehreren Faktoren ab: Abtastrate, Länge einer Zeitaufzeichnung (oder anders gesagt: Größe der FFT), Fensterfunktion, Fenstergröße, Überlappungsverarbeitung und Grundrauschen. Etliche davon kann der Anwender parametrieren, somit kann der Anwender per Einstellung die minimal erforderliche Impulslänge für 100% Erfassungswahrscheinlichkeit beeinflussen. Bei der Nachbearbeitung sind heutige ASICs und FPGAs schnell genug, dass sie nicht nur die FFT durchführen Bild 5: Diese Dichtedarstellung stammt von einem Signalanalysator, der über eine optionale Betriebsart zur Echtzeitspektrumanalyse verfügt. Sie zeigt deutlich übereinanderliegende Signale, etwa zwei Impulse im gleichen Frequenzbereich. HF-Einkaufsführer 2015/2016 23

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel