Grundlagen der Spektrumanalyse.pdf - Ing. H. Heuermann

Grundlagen der Spektrumanalyse
Aufbau und Bedienelemente eines Spektrumanalysators
max.
Amplitudenfehler
Rechteckfenster
Amplitudenfehler
HANN-Fenster
Leckeffekt
f
f
Bild 3-5 Leckeffekt bei Verwendung von Rechteck- bzw. HANN-Fenster
(MatLab®-Simulation)
f e
Auswertefrequenzen
f(k)
Bild 3-4 Amplitudenfehler bei Rechteckfensterung
in Abhängigkeit von der Signalfrequenz
Durch Erhöhen der Beobachtungsdauer kann zwar die absolute spektrale
Verbreiterung durch die gewonnene höhere Auflösung reduziert werden,
der maximal mögliche Amplitudenfehler bleibt dabei jedoch unverändert.
Beide Effekte können aber durch Verwendung optimierter Fensterfunktionen
anstelle des Rechteckfensters verringert werden. Solche Fensterfunktionen
weisen im Frequenzbereich niedrigere Nebenmaxima auf, wodurch
– wie in Bild 3-5 gezeigt – der Leckeffekt verringert wird. Weitere Informationen
zu Fensterfunktionen finden sich in [3-1] und [3-2].
Um die für die Spektrumanalyse notwendige, hohe Pegelgenauigkeit zu erreichen,
wird in der Regel das sogenannte Flattop-Fenster verwendet. Der
maximale Pegelfehler beträgt bei dieser Fensterfunktion lediglich 0,05 dB.
Nachteilig ist die vergleichsweise breite Hauptkeule, wodurch die Frequenzauflösung
reduziert wird.
Die Anzahl der für die Fourier-Transformation erforderlichen Rechenoperationen
kann durch Anwendung optimierter Algorithmen reduziert
werden. Das hierbei am meisten verbreitete Verfahren ist die sogenannte
Fast-Fourier-Transformation (FFT). Spektrumanalysatoren, die nach diesem
Prinzip arbeiten, werden daher auch als FFT-Analysatoren bezeichnet.
Der Aufbau eines solchen Analysators ist in Bild 3-6 dargestellt.
Eingang
Tiefpaß
A
D
RAM
Speicher
FFT
Bild 3-6 Aufbau eines FFT-Analysators
Anzeige
Um die Einhaltung des Abtasttheorems zu erzwingen, wird die Bandbreite
des Eingangssignals vor dem A-D-Wandler mit einem analogen Tiefpaß
(Grenzfrequenz f g = f e,max ) beschränkt. Nach der Abtastung werden die
quantisierten Werte zunächst in einem Speicher abgelegt und daraus das
Signal im Frequenzbereich berechnet. Das Spektrum wird dann zur Anzeige
gebracht.
Durch die Quantisierung der Abtastwerte entsteht sogenanntes Quantisierungsrauschen,
das den Dynamikbereich nach unten einschränkt. Es fällt
um so geringer aus, je höher die Auflösung (Anzahl der Bits) des verwendeten
A-D-Wandlers ist.
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