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Wellen und Stufen im Eigenrauschen eines Spektrumanalysators

| Autor / Redakteur: Holger Schwarz und Thomas Jungmann * / Hendrik Härter

Selbst die besten Spektrumanalysatoren weisen hie und da Wellen und Stufen im Eigenrauschen auf. Der Beitrag erläutert, wie das Phänomen entsteht und was es über die Güte jener Messinstrumente verrät.

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Spektrumanalysator: Stufen und Wellen im Eigenrauschen und wie das Phänomen entsteht.
Spektrumanalysator: Stufen und Wellen im Eigenrauschen und wie das Phänomen entsteht.
(Bild: Narda STS)

Wellen und sogar Stufen im Eigenrauschen von Spektrumanalysatoren? Gut möglich, dass diese bei näherem Betrachten doch recht merkwürdig anmutenden Phänomene im unteren Teil ihres Displays vielen HF-Messtechnikern gar nicht mehr bewusst ins Auge fallen. Tatsächlich jedoch waren sie mehr oder weniger stark ausgebildet immer schon da.

Zwar ist das Eigenrauschen von Spektrumanalysatoren ein unter anderem frequenzabhängiger Geräteparameter. Nichtsdestotrotz will dieser Wert in der Anzeige partout nicht die gerade Linie ergeben, die eigentlich zu erwarten wäre. Zumindest dann nicht, wenn er über einen größeren Frequenzbereich betrachtet wird.

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Wellen und Stufen sind keine Fehlfunktion

So viel sei an dieser Stelle vorweggenommen: Der augenscheinlichen Diskrepanz zwischen Theorie und tatsächlicher Anzeige zum Trotz entlarvt diese vermeintliche Ungereimtheit keineswegs einen Defekt, Makel oder gar eine Fehlfunktion des Gerätes. Mitnichten. Vielmehr sind hier Wellen und Stufen in seiner Anzeige konstruktions- und verfahrensbedingte Erscheinungen und als solche herstellerübergreifend völlig normal. Was hingegen nicht bedeutet, dass dieses Phänomen so ganz ohne jegliches Hinterfragen hingenommen werden sollte.

Wie so oft lohnt es sich auch in diesem Fall, die Angelegenheit etwas genauer unter die Lupe zu nehmen. Denn bei einem tieferen Verständnis der Wirkzusammenhänge lassen sich hier durchaus interessante Aspekte zu Analysatoren, deren Funktionsweise, Vergleichbarkeit und sogar Güte entdecken.

Was das Eigenrauschen aussagt

Das Eigenrauschen von Spektrumanalysatoren ist die maßgebliche Kenngröße für ihre Empfindlichkeit – per Definition die „Amplitude ihres Grundrauschens über einem vorgegebenen Frequenzbereich“. Ein niedriger Wert steht hier für ihre Fähigkeit, selbst extrem schwache Signale, sehr niedrige Pegel zu empfangen und zu erkennen.

Dabei handelt es sich um einen Geräteparameter, eine Spezifikation, die geknüpft an definierte Einstellungen wie Auflösungsbandbreite (meist RBW = 1 Hz), Eingangsdämpfung und Vorverstärker in ihren Datenblättern hinterlegt ist. Als DANL (Displayed Average Noise Level), normalerweise in [dBm/Hz] oder [dBmW/Hz] angegeben, bzw. Rauschzahl (NF, Noise Figure) ist das Eigenrauschen ein wesentliches Qualitätskriterium dieser komplexen elektronischen Messinstrumente.

Der SignalShark mit einem Unterschied von circa 7 dB zwischen dem niedrigsten und höchsten Eigenrauschen.
Der SignalShark mit einem Unterschied von circa 7 dB zwischen dem niedrigsten und höchsten Eigenrauschen.
(Bild: Narda STS)

Während ein Wert des Eigenrauschens von -174 dB (mW/Hz) das physikalische Limit eines Analysators bei Raumtemperatur darstellt, weist der SignalShark von Narda STS bei Frequenzen zwischen 20 MHz und 3 GHz ohne den Einsatz eines Vorverstärkers einen DANL von -159 dB (mW/Hz) auf. Ein bemerkenswerter Faktor dabei sind die geringen Schwankungen im Verlauf seines Eigenrauschens von nur rund 7 dB über einem Frequenzbereich von 8 GHz.

High-End-Laborgerät - 19'', Preis mindestens das 10-Fache der anderen aufgeführten Analysatoren | SPAN limitiert auf 8 GHz - circa 6-dB-Schwankung.
High-End-Laborgerät - 19'', Preis mindestens das 10-Fache der anderen aufgeführten Analysatoren | SPAN limitiert auf 8 GHz - circa 6-dB-Schwankung.
(Bild: Narda)

Diese Größenordnung verdeutlicht, dass sich der Narda Handheld Analyzer bzw. Receiver in dieser Disziplin nahezu auf dem Niveau von Desktop- respektive Labor-Geräten bewegt.

Die Auswirkungen eines ansteigenden Eigenrauschens

Jeder Spektrumanalysator, jeder Monitoring Receiver, nahezu jede elektronische Komponente in ihrem Inneren wie Filter oder Überträger, Verstärker oder Mischer hat einen „Frequenzgang“. Als eine komplexe Funktion der Frequenz verursacht dieser eine Abweichung von der idealen, also der konstanten Übertragungsfunktion des Signals. Mit steigenden Frequenzen nimmt die Dämpfung vieler Komponenten zu. Von daher kann bei den meisten Analysatoren ein Anstieg des Eigenrauschens zu höheren Frequenzen hin beobachtet werden. Das heißt, ihre Empfindlichkeit verringert sich.

Wenn der Anwender am Eingang seines Messgerätes ein Signal von -20 dBm anlegt, will er unabhängig von der eingestellten Frequenz „hinten“ in der Anzeige auch exakt jene -20 dBm ablesen können. Verändert er die Frequenz, sollte unbenommen davon immer der gleiche Pegel angezeigt werden. Damit das in der Praxis trotz seines internen Frequenzgangs geschieht, muss der Analysator, wenn er über die verschiedenen Frequenzen streicht, hier regelnd einspringen und seinen Frequenzgang ständig kompensieren.

Das Problem mit dem Eigenrauschen des Analysators

Bei all diesen automatisierten Regeleingriffen des Analysators wird sein Eigenrauschen zwangsläufig quasi in Mitleidenschaft gezogen und jedes Mal „unfreiwillig mehr oder weniger stark mitgeregelt“. Die zur Kompensation des eigenen Frequenzgangs erforderlichen Variationen verschieben permanent das Eigenrauschen. Das Phänomen drückt sich im Display als „Wellen im Eigenrauschen“ aus.

Vor dem Hintergrund, dass jeder entstehende „Wellenberg“ das Qualitätskriterium Empfindlichkeit des Receivers herabsetzt, wird deutlich, dass die entstehenden Wellen unter allen Umständen so gering wie möglich gehalten werden müssen. Das heißt, je besser die einzelnen Komponenten im Inneren dieses extrem komplexen Gerätes aufeinander abgestimmt sind – ein untrüglicher Indikator für die Güte des Messinstrumentes –, desto geringer fallen die Wellen aus. Verschwinden werden sie jedoch nie ganz.

Im Blockschaltbild des SignalShark ist links ein Umschalter mit neun Stellungen, die jeweils ein Band darstellt. Davon ist jedes Band für seinen Frequenzbereich optimiert. Mit einem eigenen Schaltungsprinzip, mit eigenen Komponenten wie spezifischen Filtern und Verstärkern.
Im Blockschaltbild des SignalShark ist links ein Umschalter mit neun Stellungen, die jeweils ein Band darstellt. Davon ist jedes Band für seinen Frequenzbereich optimiert. Mit einem eigenen Schaltungsprinzip, mit eigenen Komponenten wie spezifischen Filtern und Verstärkern.
(Bild: Narda STS)

Ein moderner Spektrumanalysator operiert frequenzabhängig mit unterschiedlichen Bändern, in denen er Signale verarbeitet, umsetzt und analysiert. Im Blockschaltbild des SignalShark ist auf der linken Seite ein solcher Umschalter mit neun Stellungen für jeweils eines dieser Bänder dargestellt. Dabei haben die Narda-Ingenieure jedes einzelnen für „seinen“ Frequenzbereich optimiert. Das heißt, dass jedes Band mit einem eigenen Schaltungsprinzip und eigenen Komponenten wie spezifischen Filtern und Verstärkern ausgestattet ist.

Kombination aus Superhet-Empfänger und FFT-Analysator

Arbeitet der Analysator in einem Frequenzspan, der über eine Bandgrenze hinausgeht, schaltet er automatisiert zwischen den Bändern um. Dabei wechselt er für gewöhnlich zu einem für diese Frequenz besser geeignetes Band und korrigiert gegebenenfalls unterschiedliche Pegelniveaus. Das Gerät kann somit auf einen sich ändernden Frequenzbereich reagieren und zwischen den Bändern hin- und herspringen. Je nachdem, wie es die Messsituation gerade erforderlich macht. Bei einem solchen Umschaltvorgang handelt es sich im Unterschied zu den Wellen um einen nicht kontinuierlichen Vorgang. Und folglich entstehen Stufen in der Anzeige des Rauschens.

Die kleinste Stufe im Rauschen ist stark vergrößert dargestellt. Sie wird hervorgerufen durch die Aneinanderreihung von FFT-Prozessen im Abstand der maximalen FFT-Bandbreite, in diesem Fall 40 MHz.
Die kleinste Stufe im Rauschen ist stark vergrößert dargestellt. Sie wird hervorgerufen durch die Aneinanderreihung von FFT-Prozessen im Abstand der maximalen FFT-Bandbreite, in diesem Fall 40 MHz.
(Bild: Narda STS)

Die zweite Ursache für Stufen in der Anzeige hat als Ursache, dass moderne Geräte mit zwei Analysatoren arbeiten. Dank Kombination aus Superhet-Empfänger und FFT-Analysator wird das „Beste aus zwei Welten“ genutzt: die große Bandbreite des Superhet-Empfängers und die Geschwindigkeit des FFT-Analysators. Eine FFT-Analyse zu vertretbaren Kosten, ohne auf den Frequenzbereich eines Superhets zu verzichten.

Der Superhet-Empfänger deckt sehr große Frequenzbereiche ab, geht dabei allerdings langsam vor. Der Grund ist, dass er mit nur einem Analysefilter misst, während der FFT mit Tausenden Analysefiltern parallel rechnet. Der schnellere FFT-Analysator widmet sich kleineren Frequenzbereichen. Dabei erzeugt er mehrere kleine Fenster, die er wie beim SignalShark in 40-MHz-Schritten eins nach dem anderen aneinander setzt. Bei jedem Übergang zum nächsten Fenster kann wieder eine kleine Stufe im Eigenrauschen entstehen.

Die einzelnen Komponenten aufeinander abstimmen

Die Leistung der Entwickler liegt darin, den Analysator superempfindlich zu gestalten und gleichzeitig die sichtbaren Wellen und Stufen so niedrig wie möglich zu halten. Je empfindlicher ein Gerät ist, desto schwieriger wird es, ein einigermaßen gerades Eigenrauschen hinzubekommen. Daher ist es ein gut verstecktes Qualitätskriterium: Je kleiner die Wellen und je geringer die Stufen ausfallen, desto besser sind die vielen Komponenten, aus denen sich solch ein komplexes Gerät zusammensetzt, aufeinander abgestimmt. Dabei kämpfen die Ingenieure sprichwörtlich um die „letzten dB vor dem physikalischen Rauschen“.

Das Eigenrauschen könnte theoretisch problemlos ohne Stufen gestaltet werden. Dazu müsste das Gerät in Bändern, in denen es empfindlicher ist, unempfindlicher gemacht werden, bis die Stufe zum nächsten Band verschwindet. Man müsste so lange mutwillig Empfindlichkeit opfern, bis das Gerät schließlich überall so unempfindlich ist wie an seiner ungünstigsten Stelle.

Ein genau definierter Frequenzbereich

Die Parameter, auf deren Grundlage das Gerät dies alles regelt, werden bei Frequenzgangmessungen bereits in der Konstruktionsphase bestimmt. Hierzu schließt Narda beispielsweise den SignalShark an einen rückführbar kalibrierten Testmessplatz an, wo dem Prüfling verschiedene definierte Signale eingespeist werden. Der angezeigte Pegel wird ausgelesen und das Ergebnis in einem nicht flüchtigen Speicher im Gerät abgelegt.

Am Ende weiß der Receiver genau, unter welchen Bedingungen, in welchen Situationen er wie stark eingreifen bzw. wie viel verstärken muss. Dem gesamten Prozess sind dabei, was die Kompensation angeht, insofern strenge Qualitätsgrenzen gesetzt, als der SignalShark vom Hersteller garantierte Spezifikationen erfüllen muss. Narda gibt für einen definierten Frequenzbereich an, dass sein Eigenrauschen einen gewissen Wert nicht überschreitet.

Ein Fazit – Ständige Regeleingriffe von Geräteseite

Wellen und Stufen im Eigenrauschen von Analysatoren sind im Prinzip fast unvermeidlich. Das Phänomen ist Ausdruck ständiger Regeleingriffe des Gerätes, das den eigenen Frequenzgang permanent kompensieren muss, während es über die verschiedenen Frequenzen streicht. Wenn die Wellen und Stufen nicht allzu mächtig sind, kann mit Fug und Recht behauptet werden, dass die Entwickler einen guten Job gemacht haben.

Möglichst sanfte Wellen und niedrige Stufen sind insofern ein heimlicher, aber sicherer Indikator für einen qualitativ hochwertigen Receiver, als hierzu mit großem Aufwand und jeder Menge Erfahrung alle elektronischen Komponenten optimal aufeinander abgestimmt sein müssen.

Dieser Beitrag ist im Sonderheft Messtechnik, Sensorik und Test I der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF) erschienen.

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* Holger Schwarz arbeitet als Produkt Marketing Manager bei der Narda Safety Test Solutions in Pfullingen. Thomas Jungmann ist Redakteur und Inhaber der Texterei Jungmann in Wangen/Allgäu.

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