Grundlagen der Spektrumanalyse.pdf - Ing. H. Heuermann

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Grundlagen der Spektrumanalyse Praktische Realisierung eines Analysators mit U AV mittlere Spannung, in V N Anzahl der Abtastwerte (Samples), die dem entsprechenden Pixel zugeordnet sind u i Abtastwerte der Hüllkurve, in V Wie beim RMS-Detektor kann daraus mit dem Bezugswiderstand R die Leistung berechnet werden (vgl. Gl. 4-12). • Quasi-Peak-Detektor Der Quasi-Peak-Detektor ist ein Spitzenwertdetektor für die Störmeßtechnik mit definierter Lade- und Entladezeit. Diese Zeiten sind in der Vorschrift für Geräte zur Messung von Störemissionen CISPR 16-1 [4-4] festgelegt. Der Detektor wird hier nicht im Detail betrachtet. Eine genaue Beschreibung findet sich in Kapitel 6.2.5.1. Ist die Abtastrate des A-D-Wandlers konstant, so erhöht sich bei längerer Sweep-Zeit auch die Anzahl der Meßwerte (Samples), die einem bestimmten Pixel zugeordnet sind. Die Auswirkungen auf die dargestellte Meßkurve hängen von der Art des Eingangssignals und dem gewählten Detektor ab. Sie werden im folgenden Abschnitt beschrieben. Auswirkungen der Detektoren auf die Darstellung verschiedener Eingangssignale Abhängig von der Art des Eingangssignals führen die verschiedenen Detektoren teilweise zu unterschiedlichen Meßergebnissen. Geht man wieder davon aus, daß der Spektrumanalysator auf die Frequenz des Eingangssignals fest abgestimmt ist (Span 0 Hz), so ist die Hüllkurve des ZF- Signals und damit auch die Videospannung bei einem sinusförmigen Eingangssignal mit ausreichendem Signal-Rausch-Abstand konstant. Der Pegel des angezeigten Signals ist deshalb unabhängig vom gewählten Detektor, da alle Samples den gleichen Pegel aufweisen und auch der daraus berechnete Mittelwert (AV-Detektor) sowie der Effektivwert (RMS- Detektor) dem Pegel eines jeden einzelnen Samples entspricht. Anders ist dies jedoch bei zufälligen Signalen wie z. B. Rauschen oder rauschähnlichen Signalen, bei denen die Momentanleistung über der Zeit variiert. Maximaler und minimaler Momentanwert sowie Mittelwert und Effektivwert der Hüllkurve des ZF-Signals sind in diesem Fall voneinander verschieden. Für die Leistung eines beliebigen Signals gilt: ( ) 1 1 P = · lim · ∫ u 2 (t)dt (Gl. 4-14) R T→∞ T – T 2 + T 2 bzw. bei Betrachtung in einem bestimmten, eingeschränkten Zeitraum T 1 1 P = · · ∫ u 2 (t)dt (Gl. 4-15) R T t– T 2 t+ T 2 Ebenso läßt sich im gegebenen Betrachtungszeitraum T auch ein Spitzenwert der Momentleistung finden. Der Zusammenhang zwischen diesem Spitzenwert und der Leistung wird durch den sogenannten Crest-Faktor angegeben. Es gilt: P ( S ) CF = 10 · lg (Gl. 4-16) P mit CF Crest-Faktor, in dB P S Spitzenwert der Momentanleistung im Betrachtungszeitraum T, in W P Leistung, in W Bei Rauschen können theoretisch alle Spannungswerte auftreten, d. h. der Crest-Faktor wäre beliebig hoch. Da aber die Wahrscheinlichkeit für sehr hohe bzw. sehr niedrige Spannungswerte gering ist, erhält man in der Praxis bei hinreichend langer Beobachtungszeit für Gausssches Rauschen einen Crest-Faktor von etwa 12 dB. Digital modulierte Signale weisen oft ein rauschähnliches Spektrum auf. In der Regel weicht aber der Crest-Faktor von dem des GAUSSschen Rauschens ab. In Bild 4-23 sind Spitzenwert und Effektivwert von GAUSSschem Rauschen und einem IS95-CDMA-Signal (Forward Channel) dargestellt. 68 69
Grundlagen der Spektrumanalyse Praktische Realisierung eines Analysators Ref -50 dBm Att 10 dB -50 -55 RBW 3 MHz VBW 10 MHz SWT 100 s A Die Auswirkungen des gewählten Detektors und der Sweep-Zeit auf die Ergebnisse von Messungen an stochastischen Signalen werden im folgenden beschrieben. 1 RM * VIEW 2 PK * VIEW -60 -65 -70 -75 -80 -85 -90 -95 SGL PRN EXT • Max-Peak-Detektor Bei Verwendung des Max-Peak-Detektors werden stochastische Signale überbewertet, man erhält damit die höchste Pegelanzeige. Mit zunehmender Sweep-Zeit wird die Verweildauer in einem Frequenzbereich, der einem Pixel zugeordnet ist, erhöht. Bei GAUSSschem Rauschen steigt damit auch die Wahrscheinlichkeit, daß höhere Momentanwerte auftreten. Die Pegel der angezeigten Pixel werden daher ebenfalls höher (siehe Bild 4-24a). Bei kleinem Verhältnis von Span und Auflösebandbreite ist die Rauschanzeige bei kurzen Sweep-Zeiten gleich der Anzeige mit dem Sample-Detektor, da je Pixel nur noch ein Meßwert aufgenommen wird. -100 Center 2.2 GHz a) Crest-Faktor 12 dB 10 s/ RBW 3 MHz VBW 10 MHz Ref -10 dBm Att 20 dB SWT 100 s -10 -15 1 RM * CLRWR -20 2 PK * CLRWR -25 -30 -35 -40 * A SGL PRN EXT • Min-Peak-Detektor Durch den Min-Peak-Detektor werden stochastische Signale unterbewertet, man erhält damit die niedrigste Pegelanzeige. Das am Spektrumanalysator angezeigte Rauschen wird dadurch stark unterdrückt. Bei GAUSSschem Rauschen steigt mit zunehmender Sweep-Zeit auch die Wahrscheinlichkeit, daß niedrigere Momentanwerte auftreten. Die Pegel der angezeigten Pixel werden daher ebenfalls niedriger (siehe Bild 4-24b). Bei Messungen an Sinussignalen mit geringem Signal-Rausch-Abstand wird auch das Minimum des dem Signal überlagerten Rauschen angezeigt, so daß Pegelmessungen zu niedrige Werte ergeben. Bei kleinem Verhältnis von Span und Auflösebandbreite ist die Rauschanzeige bei kurzen Sweep-Zeiten gleich der Anzeige mit dem Sample-Detektor, da je Pixel nur noch ein Meßwert aufgenommen wird. -45 -50 -55 -60 Center 2.2 GHz b) Crest-Faktor 13,8 dB 10 s/ Bild 4-23 Spitzenwert (rote Kurven) und Effektivwert (blaue Kurven) von GAUSSschem Rauschen (a) sowie von einem IS95-CDMA-Signal (b), aufgenommen mit dem Max-Peak- bzw. RMS-Detektor • Auto-Peak-Detektor Bei Messung mit dem Auto-Peak-Detektor werden die Ergebnisse des Max-Peak- und Min-Peak-Detektors, mit einer Linie verbunden, gleichzeitig angezeigt. Mit zunehmender Sweep-Zeit wird dadurch das dargestellte Rauschband deutlich breiter. Bei kleinem Verhältnis von Span und Auflösebandbreite ist die Rauschanzeige bei kurzen Sweep-Zeiten gleich der Anzeige mit dem Sample-Detektor, da je Pixel nur noch ein Meßwert aufgenommen wird. 70 71
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