Rauschen; Video-Filter; Empfindlichkeit - Max. Eingangspegel; Frequenzgang - Hameg HM5510 Mode D'emploi

S p e k t r u m - A n a l y s a t o r e n

Rauschen

Die Empfindlichkeit ist ein Maß für die Fähigkeit des Spek-
trum-Analysators, kleine Signale zu messen. Die maximale
Empfindlichkeit 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
Bandbreitenreduzierung der Filter um eine Dekade das Rau-
schen prinzipiell um 10 dB senkt, was wiederum eine
Empfindlichkeitssteigerung des Systems um 10 dB bedingt.
Alle weiteren Rauschquellen des Analysators werden als
nicht-thermisch angenommen. Unerwünschte Abstrahlungen,
Verzerrungen auf Grund nichtlinearer Kennlinien und Fehl-
anpassungen sind Quellen von nicht-thermischem Rauschen.
Unter der Übertragungsgüte oder Rauschzahl versteht man
normalerweise die nicht-thermischen Rauschquellen. Zu die-
sen wird das thermische Rauschen addiert um die Gesamt-
rauschzahl des Systems zu erhalten.
Dieses Rauschen, welches auch auf dem Schirm sichtbar wird,
bestimmt die Empfindlichkeit eines Spektrum-Analysators. Da
der Rauschpegel sich mit der Bandbreite ändert, ist es not-
wendig sich beim Empfindlichkeitsvergleich zweier Analysa-
toren auf die gleiche Filterbandbreite zu beziehen. Spektrum-
Analysatoren werden über ein breites Frequenzband gewob-
belt, sind aber eigentlich schmalbandige Messinstrumente.
Alle Signale, die im Frequenzbereich des Spektrum-Analysa-
tors 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 schma-
len Filterbandbreite liegt. Daher wird auf dem Sichtschirm nur
das Rauschen dargestellt, welches innerhalb des Durchlass-
bereiches des ZF-Filters liegt. Bei der Messung diskreter Si-
gnale wird die maximale Empfindlichkeit 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 Spektrum-Analysators liegt.
Um für diesen Fall die Signale besser sichtbar zu machen lässt
sich im Signalweg des Spektrum-Analysators hinter dem ZF-
Filter ein Video-Filter zuschalten. Durch dieses Filter, mit ei-
ner Bandbreite von wenigen kHz, wird das interne Rauschen
des Spektrum-Analysators 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 eingeschal-
tet werden, da dies zu einer zu niedrig dargestellten Amplitu-
de auf Grund der Bandbreitenbegrenzung führen kann. (Eine
nicht zulässige Kombination der eingestellten Parameter wird
durch die UNCAL Anzeige im Display angezeigt).

Empfindlichkeit - Max. Eingangspegel

Die Spezifikation der Eingangsempfindlichkeit eines Spek-
trum-Analysators ist etwas willkürlich. Eine Möglichkeit der
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Änderungen vorbehalten
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Joule/K)
Spezifikation ist, die Eingangsempfindlichkeit als den Pegel
zu definieren, bei dem die Signalleistung der mittleren Rausch-
leistung des Analysators entspricht. Da ein Spektrum-Analy-
sator immer Signal plus Rauschen misst, erscheint bei Erfül-
lung dieser Definition 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 einem Pegel von +10 dBm für den Eingangsmischer, und
+20 dBm für den Eingangsabschwächer der Fall. Bevor der
,,burn out"-Pegel erreicht wird, setzt eine Verstärkungs-
kompression beim Spektrum-Analysator ein. Diese ist unkri-
tisch, solange eine Kompression von 1dB nicht überschritten
wird. Darüber hinaus kann davon ausgegangen werden, dass
der Analysator Nichtlinearitäten auf Grund von Übersteuerung
erzeugt. Zusätzlich steigt die Gefahr einer unbemerkten Über-
lastung der Eingangsstufe, weil sich einzeln dargestellte Spek-
trallinien in der Abbildung auf dem Bildschirm, auch bei ein-
setzender Verstärkungskompression, meist nur unmerklich
verändern. Auf jeden Fall entspricht die Abbildung der Ampli-
tuden nicht mehr den tatsächlichen Verhältnissen.
Bei jeder Signalanalyse entstehen im Spektrum-Analysator
Verzerrungsprodukte. Diese werden größtenteils durch die nicht-
linearen Eigenschaften der Eingangsstufe verursacht. Sie bewegt
sich beim HM5511 / 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 Spektrum-Analysator
bei jeder beliebigen Stellung des Abschwächers verarbeiten kann
ohne ein bestimmtes Maß an Verzerrungen zu überschreiten,
wird der ,,optimale Eingangspegel" genannt. Das Signal wird
dabei soweit abgeschwächt, dass der Mischer keinen größe-
ren Pegel als –30 dBm angeboten bekommt. Anderenfalls wird
der spezifizierte Oberwellenabstand nicht eingehalten. Der
verzerrungsfreie Bereich wird auch als nutzbarer Dynamik-
bereich des Analysators bezeichnet. Zum Unterschied dazu
wird der darstellbare Anzeigebereich definiert als das Ver-
hältnis vom größten zum kleinsten gleichzeitig angezeigten
Pegel, ohne dass Intermodulationsprodukte des Analysators
auf dem Bildschirm sichtbar sind.
Der verzerrungsfreie Messbereich kann durch eine Reduzie-
rung des Eingangspegels weiter ausgedehnt werden. Die ein-
zige Einschränkung bildet dann die Empfindlichkeit des Spek-
trum-Analysators. Die maximal mögliche Dynamik wird er-
reicht, wenn die Spektrallinie mit dem höchsten Pegel den
Referenzpegel gerade noch nicht überschreitet.

Frequenzgang

Mit diesem Begriff wird das Übertragungsverhalten des Spek-
trum-Analysators beschrieben. Der Frequenzgang soll
möglichst flach und die Genauigkeit des angezeigten Signal-
pegels soll unabhängig von der Signalfrequenz sein. Dabei
müssen sich Filter und Verstärker im eingeschwungenen Zu-
stand befinden.

Mitlaufgenerator (nur im HM5511)

Mitlaufgeneratoren (Tracking-Generatoren) sind spezielle
Sinusgeneratoren, deren Frequenz vom Spektrum-Analysa-
tor gesteuert wird. Die Steuerung des Mitlaufgenerators
erfolgt so, dass seine Frequenz immer gleich der „Empfangs-
frequenz" des Spektrumanalysators ist. Der Mitlaufgenerator
erweitert die Anwendungsmöglichkeiten eines Spektrum-
Analysators wesentlich.
Mit dem Mitlaufgenerator lassen sich Frequenzgang- und
Dämpfungsmessungen an Verstärkern oder Filtern durchfüh-