Spectrum-Analysatoren im Einsatz bei Funkamateuren
und fortgeschrittenen Hobbyelektronikern
und fortgeschrittenen Hobbyelektronikern
Fortschreitende Elektronik und vor allem auch die Miniaturisierung von Bauteilen sowie der damit verbundene starke Kostenabfall sorgen dafür, das so hochwertige Messtechnik, die vor wenigen Jahren für Privatpersonen fast unbezahlbar war auch im heimischen Elekroniklabor oder Funk Schack Einzug hält.
Als erstes einige grundlegende Informationen zum Thema Spektrum Analyser. Ein Spektrum Analysator ist ein in der elektrischen Messtechnik eingesetztes Messgerät zur Erfassung und Darstellung eines Signals im Frequenzbereich. Die Darstellung erfolgt üblicherweise auf einem in das Messgerät eingebauten Bildschirm, wobei die horizontale Achse die Frequenzachse ist und die Amplitude auf der vertikalen Achse abgebildet wird. Doch auch Messgeräte, bei denen die Darstellung auf dem Computer erfolgt, sind auf dem Markt. Das so entstehende Bild wird als Frequenzspektrum, oder kurz Spektrum, bezeichnet. Spektrum Analysatoren werden unter anderem im Bereich der elektrischen Schaltungsentwicklung und der Hochfrequenztechnik eingesetzt, sowie auch bei fortgeschrittenem Hobbyelektronikern und Funkamateuren. Das mit einem Spektrum Analysator verwandte Messgerät Oszilloskop stellt im Gegensatz dazu den Signalverlauf im Zeitbereich dar. Grob gesagt wäre ein Oszilloskop bei einem Arzt ein Röntgengerät, mit dem sich schon vieles sehen lässt, aber eine Spektrum Analysator sei dann mit einem Tomographen zu vergleichen, da hier eine andere Art dargestellt wird.
Es gibt mehrere Methoden, um aus einem Signal das komplexwertige Frequenzspektrum zu messen. Da ein Spektrum Analysator im Allgemeinen keinen zeitlichen Bezug zu einer Referenzphase und dem gemessenen Signal und dessen Phasenlage herstellen kann, wird nur der Betrag des Frequenzspektrums, das sogenannte Amplitudenspektrum |, ermittelt und dargestellt. Es gibt mehrere verschiedene Verfahren, wie so ein Spektrum Analysator grundliegend aufgebaut ist.
Als erstes einige grundlegende Informationen zum Thema Spektrum Analyser. Ein Spektrum Analysator ist ein in der elektrischen Messtechnik eingesetztes Messgerät zur Erfassung und Darstellung eines Signals im Frequenzbereich. Die Darstellung erfolgt üblicherweise auf einem in das Messgerät eingebauten Bildschirm, wobei die horizontale Achse die Frequenzachse ist und die Amplitude auf der vertikalen Achse abgebildet wird. Doch auch Messgeräte, bei denen die Darstellung auf dem Computer erfolgt, sind auf dem Markt. Das so entstehende Bild wird als Frequenzspektrum, oder kurz Spektrum, bezeichnet. Spektrum Analysatoren werden unter anderem im Bereich der elektrischen Schaltungsentwicklung und der Hochfrequenztechnik eingesetzt, sowie auch bei fortgeschrittenem Hobbyelektronikern und Funkamateuren. Das mit einem Spektrum Analysator verwandte Messgerät Oszilloskop stellt im Gegensatz dazu den Signalverlauf im Zeitbereich dar. Grob gesagt wäre ein Oszilloskop bei einem Arzt ein Röntgengerät, mit dem sich schon vieles sehen lässt, aber eine Spektrum Analysator sei dann mit einem Tomographen zu vergleichen, da hier eine andere Art dargestellt wird.
Es gibt mehrere Methoden, um aus einem Signal das komplexwertige Frequenzspektrum zu messen. Da ein Spektrum Analysator im Allgemeinen keinen zeitlichen Bezug zu einer Referenzphase und dem gemessenen Signal und dessen Phasenlage herstellen kann, wird nur der Betrag des Frequenzspektrums, das sogenannte Amplitudenspektrum |, ermittelt und dargestellt. Es gibt mehrere verschiedene Verfahren, wie so ein Spektrum Analysator grundliegend aufgebaut ist.
Üblich sind bei Spektrum Analysatoren unterschiedliche Messmethoden:
FFT-Analysatoren, basierend direkt auf der Schnellen Fourier-Transformation (englisch Fast Fourier Transform, abgekürzt FFT).
Analysatoren mit einem über die gesamte Bandbreite abstimmbaren Bandpassfilter.
Spektrum Analysatoren basierend auf dem Superprinzig (Heterodynprinzip) mit Messempfängern, Mischstufen und Zwischenfrequenzstufen.
FFT-Analysatoren, basierend direkt auf der Schnellen Fourier-Transformation (englisch Fast Fourier Transform, abgekürzt FFT).
Analysatoren mit einem über die gesamte Bandbreite abstimmbaren Bandpassfilter.
Spektrum Analysatoren basierend auf dem Superprinzig (Heterodynprinzip) mit Messempfängern, Mischstufen und Zwischenfrequenzstufen.
Digitale Spektrum Analysatoren enthalten unter Umständen auch mehrere Messmethoden in einer Kombination, um die Vorteile der einzelnen Verfahren ausnützen zu können.
Das Bild rechts zeigt einen Spektrum Analysatoren nach dem Heterodynprinzip, dieses Prinzip wird auch bei Überlagerungsempfängern verwendet und ist durch einen lokalen Oszillator (LO) und einer Mischstufe zu Frequenzversetzung charakterisiert. Dabei wird das zu vermessende Frequenzband über einen Sägezahngenerator durchgestimmt. Das Sägezahnsignal steuert den lokalen Lokaloszillator an, üblicherweise als spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) ausgeführt, der die Frequenz für die am Eingang angeordnete Mischstufe liefert. Der Mischer setzt das Eingangssignal auf die Zwischenfrequenz um. Am Eingang des Analysers sind noch schaltbare Dämpfungsglieder und evtl. Hoch-, Tief-, oder Bandpässe vorgeschaltet.
Das durch den Mischer gebildete Zwischenfrequenzsignal wird verstärkt, für Vergrößerung der Dynamik und zur Vermeidung von Übersteuerung einem Logarithmierer zugeführt, und anschließend über den Hüllkurvendemodulator das Amplitudensignal gebildet. Der Logarithmierer erlaubt in Folge auch die Anzeige des Amplitudenspektrums direkt in Dezibel. Der sogenannte Videofilter, unmittelbar vor der Anzeige angeordnet, ist ein einstellbares Tiefpassfilter. Die Bezeichnung Videofilter hat historische Gründe, er dient im Prinzip der Minderung von Rauschen durch Mittelung des Amplitudenspektrums. Das so gefilterte Hüllkurvensignal wird der Anzeige in vertikaler Richtung (y) zugeführt. Heute folgt die Signalverarbeitung vielfach digital, oder zumindest die Darstellung auf dem Bildschirm wir digital mit den entsprechenden Messwerten ausgegeben.
Spektrum Analysatoren, die nach diesem Verfahren arbeiten, sind als Messgerät deutlich komplexer aufgebaut als in dem vereinfachten Blockschaltbild. Damit wird klar, dass ein Selbstbau eines so komplexen Messgerätes schnell an die Grenzen für die meisten Hobbyelektroniker ausgeschlossen wird. Es werden dazu unter anderem mehrere Zwischenfrequenzen verwendet. Die erste Zwischenfrequenz ist üblicherweise größer als die höchste einstellbare Messfrequenz, um die Eindeutigkeit zu gewährleisten und unerwünschte Mischprodukte zu vermeiden. In realen Heterodyn-Analysatoren wird diese hohe Zwischenfrequenz über zusätzliche Zwischenfrequenzstufen, üblich sind zwei weitere ZF-Stufen, auf das Signal vor Hüllkurvendemodulator umgesetzt.
Spektrum Analysatoren, die nach diesem Verfahren arbeiten, sind als Messgerät deutlich komplexer aufgebaut als in dem vereinfachten Blockschaltbild. Damit wird klar, dass ein Selbstbau eines so komplexen Messgerätes schnell an die Grenzen für die meisten Hobbyelektroniker ausgeschlossen wird. Es werden dazu unter anderem mehrere Zwischenfrequenzen verwendet. Die erste Zwischenfrequenz ist üblicherweise größer als die höchste einstellbare Messfrequenz, um die Eindeutigkeit zu gewährleisten und unerwünschte Mischprodukte zu vermeiden. In realen Heterodyn-Analysatoren wird diese hohe Zwischenfrequenz über zusätzliche Zwischenfrequenzstufen, üblich sind zwei weitere ZF-Stufen, auf das Signal vor Hüllkurvendemodulator umgesetzt.
Es gibt aber auch Bauanleitungen auf höchstem Niveau, die den Selbstbau bei visierten Bastlern ermöglichen. Siehe zum Beispiel auf den Webseiten von Matjaž Vidmar, S53MV, http://lea.hamradio.si/~s53mv/
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Um mit einem Spektrum Analysator Frequenzgänge von Komponenten wie Verstärkern oder Filtern direkt aufnehmen zu können, sind manche Geräte mit einem sog. Trackinggenerator (Mitlaufgenerator) ausgestattet, einem Sinussignalgenerator, der ähnlich einem Wobbelgenerator eine Frequenz gleichbleibender Signalamplitude synchron zur Anzeige zur Verfügung stellt. Damit lässt sich mit einem Spektrum Analysator z. B. auch der Frequenzgang der Komponenten in skalarer Weise sichtbar machen. Ergänzt man dieses System noch um einen Richtkoppler, dann lassen sich an einem 1-Tor auch skalare Messungen des Reflexionsfaktors durchführen. Zusammen mit der Transmissionsfaktormessung kann man dadurch die Basisfunktionalitäten eines skalaren Netzwerkanalysators mit einem Tor nachbilden. Richtige Netzwerkanalysatoren sind allerdings anders als Spektrum Analysatoren ausgestattet und können in der Regel als vektorielle Netzwerkanalysatoren neben dem Betragsverlauf auch den Phasenverlauf durchführen.(Vektornetzwerkanalyser = kurz: NWA, VNA oder NA)
Einen einfachen Aufbau mit simpler und einfacher Darstellung bis 100 Mhz ist auch Einschränkungen mit folgender Schaltung möglich.
Siehe 100MHz Spektrum Analyzer von Iulian Rosu, VA3IUL / YO3DAC unter der Webadresse http://www.qsl.net/va3iul/
YO3DAC - VA3IUL
Iulian Rosu
Iulian Rosu
Auch wenn in den vergangenen Jahren immer wieder Spectrum-Analysatoren zum großen Teil auch aus der Industrie im Hobbybereich zum Einsatz kommen, handelt es sich in der Regel doch um Messtechnik, die nicht selten bis in den 5stelligen Bereich gehandelt wurden. Also neu, unerschwinglich, alt und gebraucht, zwar erschwinglich, aber doch eben z.T. Messtechnik aus den vergangenen Jahrzehnten.
Seit der Öffnung der Märkte in Richtung Fernost und über das Internet, sind mittlerweile Messgeräte auf dem Markt für einen Preis, für den man vor wenigen Jahren noch hätte eine Null anfügen müssen. Für weniger als 2000 Euro ist ein Spectrum-Analyser mit integrierten Trackinggenerator und einem Farb-TFT-Bildschirm erhältlich. So zum Beispiel vom chinesischen Hersteller Rigol. Freunde von mir und ich selber haben uns den DSA 815, wie dieses Model heißt, gekauft. Ein supertolles Messgerät mit ungeahnten Möglichkeiten im heimischen Schack.
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Rigol Spectrum-Analysator DSA815-TG im Einsatz bei Funkamateuren
9 kHz to 1.5 GHz Frequency Range
Typical -135 dBm Displayed Average Noise Level (DANL)
-80 dBc/Hz @10 kHz offset Phase Noise
Total Amplitude Uncertainty <1.5 dB
100 Hz Minimum Resolution Bandwidth (RBW)
Hochwertiger Spektrum Analyser von 9 kHz bis 1,5 GHz mit Tracking Generator
Der Rigol DSA815-TG Spektrum Analyser ist ein kompaktes und leichtes Gerät mit herausragenden Eigenschaften für den portablen Einsatz. Das sehr große Display (20,3 cm, 8") des Rigol DSA815-TG Spektrum Analyser mit einer Auflösung von 800 × 480 Pixeln bietet eine gute Übersicht über die vielen Komfortfunktionen wie z.B. Auto-Tuning, Auto-Ranging, automatischer Skalierung und Kopplung. Mit diesen Funktionen können Signale schnell automatisch dargestellt werden und es muss nicht mehr so viel von Hand eingestellt werden wie bei traditionellen Geräten. Die Geräte unterstützen ein Dateisystem zur Speicherung von Signalformen im internen Speicher (1GB Flashdisk) sowie auf USB Sticks. Doch auch über die integrierten Schnittstellen (LAN und USB) ist eine problemlose Kommunikation mit einem PC möglich.
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Gezeigt wird hier die Möglichkeit der skalaren Messung an einer Dipolantenne in Verbindung mit einem Mini-Circuits ZFDC-20-5, 0.1 to 2000 Mhz Reflexitionsmesskopf. Das errechnete VSWR bei dieser Dipolantenne wird unmittelbar auf dem Farbdisplay ausgegeben.
Hier wurde ein VSWR von 1:2 bei einer Frequenz von 91 Mhz gemessen
Die Bilder zeigen die Messungen eines amerikanischen Amateurs aus dem EDN-Network bei einer Frequenz von ca 90 Mhz
Im gesamten Frequenzbereich von wenigen Herz bis 1500 Mhz haben wir somit ungeahnte Mess- und Analysemöglichkeiten, Auch das Einmessen von Relaisfunkweichen im Frequenzgang und der Dämpfung lassen sich sehr gut durchführen. Gerade für uns als Funkamateure eine tolle Möglichkeit. Ebenso die Darstellung und Messung der eigenen Aussendung nebst der unerwünschten Abstrahlungen entsprechender harmonischer Frequenzen.
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Selbstbau Mikrowellen-Premixer für Rigol DSA815TG
Selbstbau Frequenzsythesizer 35Mhz - 4.4Ghz