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Seit kurzem ist jedes der elf Hauptkapitel dieses Kompendiums auch als E-Book erhältlich. Die E-Book-Versionen bieten eine optimierte Lesbarkeit auf Mobilgeräten wie auch am Desktop. Weitere Infos hier.

Etliche in der Messtechnik und Sensorik bekannte Institutionen haben nach wenigen Wochen der Freischaltung bereits über das Kompendium berichtet, z.B. das Messweb sowie die Strategische Partnerschaft Sensorik. Auch in Wikipedia haben wir etliche Links bereits entdeckt. Einen ausführlichen Bericht finden Sie ab S. 3 der Ausgabe 92 des Sensorik-Magazins. Das Magazin wird herausgegeben vom renommierten, vom Bayerischen Wirtschaftsministerium unterstützten Sensorik-Cluster.

Die Professur für Regelungstechnik und Elektrische Messtechnik verfügt über langjährige Erfahrung in der Durchführung von praxisnahen Studien- und Forschungsarbeiten für Unternehmen. Besonderes Know-How besteht in der Akquisition staatlicher Forschungsfördergelder für kleine und mittelständische Unternehmen (KMUs), welche die Professur im Rahmen geplanter Kooperationen gerne übernimmt. Web: https://www.unibw.de/regelungs-und-messtechnik

Die speziell auf Spezialisten und Führungskräfte in der Entwicklung fokussierte Technikstudie stellt die komplette Bandbreite der am Markt verfügbaren Komponenten bzw. Produkte für die IOT-Integration in eigene Geräte und Systeme dar. Wer ein Entwicklungsprojekt plant, das IOT-Fähigkeiten in das eigene Produkt bringt, erhält mit der Studie ein effizientes Auswahlwerkzeug. Ein zusätzlich enthaltener Grundlagenteil erläutert in übersichtlicher Weise die dabei relevanten Technologien. Zur Studie: https://www.studie-iot.de

Fördern Sie Ihre Mitarbeiter/-innen im technischen Bereich, indem Sie Ihnen einen Gutschein zu unserem Fortbildungszertifikat überlassen. Die notwendige fachliche Vorbereitung – z.B. in Form eines Studiums unseres hier frei zugänglichen Online-Kompendiums – kann der/die Mitarbeiter/-in absolut flexibel zu Zeiten durchführen, die betrieblichen wie privaten Rahmenbedingungen entgegen kommen. Der abschließende Test kann online durchgeführt und beliebig wiederholt werden. Weitere Infos hier.

Um eine entsprechend hohe Auflösung im Frequenzbereich bei möglichst geringer Sweep Time zu ermöglichen, arbeiten Spektrumanalysatoren nicht auf der Basis einer algorithmischen Frequenzanalyse eines zuvor abgetasteten Signalausschnitts, wie sie die FFT durchführt. Wir hatten die FFT kurz als zusätzliche Auswertefunktion genannt, wie sie etwas höherwertigere Oszilloskope u. a. anbieten. Mitunter sind am Markt auch Geräte unter Bezeichnungen wie „FFT-Analysator“ oder „Signalanalysator“ zu finden, die i.d.R. ähnlich wie ein Oszilloskop zuvor eingelesene Signalausschnitte nach verschiedenen Kriterien analysieren, wozu insbesondere auch eine FFT gerechnet wird. Wer sich speziell für die Spektralanalyse per FFT-Algorithmus wie auch zahlreiche weitere numerische Auswerteverfahren interessiert, dem sei das bereits erwähnte „Kompendium Messdatenerfassung und -auswertung“ des Verfassers im gleichen Verlag empfohlen.

Spektrumanalysatoren verfügen dagegen über eine anspruchsvolle Analogelektronik, die den Großteil des schaltungstechnischen Aufwands derartiger Geräte ausmacht. Deren Qualität entscheidet maßgeblich über die erzielbaren Kenndaten (siehe unten). Das prinzipiell verwendete Funktionsprinzip zeigt Bild 57. Das zu messende Spannungssignal wird zunächst an ein Tiefpassfilter geführt, das sicherstellt, dass keine Signalanteile mit Frequenzen oberhalb einer gerätespezifischen Maximalfrequenz fmax die nachfolgenden Stufen erreichen. Im Zuge der nachfolgenden Auswertstufen sind weiterhin keine kleineren Frequenz als ein fmin verarbeitbar. Speziell zur Messung von Signalen mit höheren Spannungswerten kann eine Dämpfungsstufe (Attentuator) manuell oder automatisch einparametriert werden. Typische Spektrumanalysatoren erlauben ohne Dämpfungsstufe z.B. Spannungspegel bis etwa +20 dBm. Dämpfungsstufen sind oftmals bis zu etwa 80 dB Dämpfung parametrierbar. Umgekehrt können sehr kleine Signalspannungen direkt ausgewertet werden. So ist es üblich, dass Antennen und Sonden zum Messen elektrischer, magnetischer bzw. elektromagnetischer Felder ohne weitere Verstärker an den Messeingang angeschlossen werden. Speziell diese Signalquellen werden bei EMV-Messungen (siehe Hinweis hierzu im ersten Kapitel) oder bei Mobilfunkmessungen verwendet.

Bild 57: Funktionsprinzip eines Spektrumanalysators

Von zentraler Bedeutung für die Funktion ist die nach dem Tiefpass befindliche sog. Mischstufe. Diese ist nichts anderes als ein Multiplizierer, der das Signal nach und nach jeweils über eine gewisse Zeitdauer mit einem Sinussignal ansteigender Frequenz – im Bild von fM,min bis fM,max gehend – multipliziert. Wir werden gleich noch sehen, dass dadurch systematisch ein jeweils neu gewählter kleiner Frequenzausschnitt des Signals in einen Bereich um eine feste Zwischenfrequenz fZF herum hochgesetzt wird. Das Signal selbst wird in seiner Struktur dabei nicht verändert, lediglich sämtliche Signalfrequenzen werden um einen festen Frequenzbetrag erhöht.

Ein so in seiner Frequenz angehobener Frequenzausschnitt wird meist noch etwas verstärkt und dann durch ein relativ schmalbandiges Bandpassfilter geführt. Dieses weist als Mittenfrequenz (also der Frequenz, an der die maximale Durchlässigkeit besteht) genau fZF auf. Seine Aufgabe ist es, nur Signalanteile in diesem engen Frequenzbereich passieren zu lassen. Nachfolgend wird das übrig gebliebene Signal durch eine entsprechend schnelle digitale Schaltungselektronik mit bezogen auf  fZF recht hoher Abtastrate abgetastet. Über eine digitale Signalverarbeitungsalgorithmik wird der Signalpegel nach gewissen Kriterien (siehe unten) bestimmt und letztlich als Signalpegel über der ursprünglichen Signalfrequenz im Display angezeigt.

Nochmals zurück zum Bandpassfilter: Er ist meist mit einer Filtercharakteristik in Anlehnung an die Gaußsche Glockenkurve realisiert und nicht, wie man vielleicht annehmen würde, als hart die Frequenzen abschneidendes Rechteckfilter. Der Grund liegt darin, dass schaltungstechnisch Rechteckfilter viel mehr Stufen beinhalten, welche die Signaldurchlaufzeit durch einen solchen Filter massiv erhöhen im Vergleich zu „analogfreundlichen“ Gauß-Charakteristiken. Die Breite der Glocke ist bei allen Spektrumanalysatoren einstellbar. Sie nennt sich Auflösungsbandbreite oder abgekürzt RBW (von Resolution Bandwidth) und ist definiert als Filterkurvenbreite auf der Höhe, wo die Durchlasswerte links bzw. rechts der Mittenfrequenz fZF gegenüber dem in der Mitte befindlichen Maximum um 3 dB abgefallen sind. Diese Art der Definition kennen wir bereits von der Grenzfrequenz bei analogen Messkomponenten (siehe Erläuterungen zu Bild 21).

Wie funktioniert nun die Mischstufe genau? Wir stellen uns dazu vor, dass das zu messende Signal aus vielen einzelnen sinusförmigen Signalanteilen besteht. Ein solcher Sinusanteil der Frequenz f soll nunmehr mit einem sinusförmigen Mischsignal mit der Frequenz fM multipliziert werden. Entsprechend einer trigonometrischen Formel ergibt dies:

(Formel 94)

Das resultierende Signal ist also die Überlagerung von zwei sinusförmigen Signalen – auch wenn rein mathematisch hier Cosinusfunktionen aufgeführt sind – mit den Frequenzen fM – f  bzw. fM + f. Genau dies wird nun ausgenutzt, um mit einer genau dazu passenden Frequenz fM einen Frequenzanteil f des zu messenden Signals auf das Niveau der Zwischenfrequenz fZF zu heben (Bild 58). Die Frequenzverhältnisse werden dabei so gewählt, dass für die nachfolgenden Schaltungen nur eines der beiden Signale zur Weiterverarbeitung kommt. In unserem Fall wird dies durch den Frequenzbereich des Bandpasses sichergestellt. Wir gehen nachfolgend davon aus, dass nur das Signal mit der Frequenz fM – f  ausgewertet wird.

Bild 58: Bildung der Zwischenfrequenz

Als Beispiel wollen wir uns die Verhältnisse bei einem derzeit am Markt erhältlichen höherwertigen Spektrumanalysator für Frequenzen im Bereich 20 MHz…7 GHz ansehen: Der Hersteller gibt in den zugehörigen Produktunterlagen an, dass das Gerät eine Zwischenfrequenz von 8,410 GHz verwendet und dass der das Mischsignal erzeugende Oszillator Frequenzen im Bereich 8,412…15,410 GHz generiert. Um eine Messfrequenz von 20 MHz auf die Zwischenfrequenz fM – f = 8,410 GHz zu heben, ist eine Mischsignalfrequenz von 8,412 GHz notwendig. Eine Messfrequenz von 7 GHz erfordert dagegen ein Mischsignal mit 15,410 GHz. Das zweite beim Mischen erzeugte sinusförmige Signal würde sich durch die Addition der beiden Frequenzen fM und f stets im Frequenzbereich 8,414 … 22,410 MHz und damit (bei nicht zu großer RBW-Einstellung) oberhalb des Durchlassbereichs des Bandpassfilters befinden. Ergänzend sei gesagt, dass dieses Gerät auch Frequenzen oberhalb 7 GHz bis zu 40 GHz verarbeiten kann, wobei hierbei dann das andere in der Mischstufe erzeugte Signal mit der Frequenz fM + f zur Anwendung kommt mit einer niedrigeren Zwischenfrequenz. Außerdem können auch Signalfrequenzen unterhalb 20 MHz bis zu 10 Hz hinab analysiert werden, was durch eine direkte Abtastung des Signals mit algorithmischer FFT-Berechnung erfolgt.

Eine Frage zum Funktionsprinzip ist möglicherweise noch offen: Wieso schaltet man nicht einfach direkt in den Signalpfad des Messsignals nach und nach einen Bandpassfilter, dessen Mittenfrequenz systematisch erhöht wird? Die Antwort liegt im Schaltungsaufwand: Bandpassfilter in Qualitäten, wie sie hier benötigt werden (möglichst kurze Signaldurchlaufzeit, einstellbare Bandbreiten bis zu sehr kleinen Werten hinab), sind bei zusätzlich einstellbarer Mittenfrequenz mit heutiger Technologie praktisch nicht herstellbar. Deshalb muss der Umweg über die Mischstufe gegangen werden. Das ist übrigens eine erprobte Schaltungstechnik, die auch im Bereich von Sende- und Empfangsgeräten der Kommunikationstechnik seit langem zum Einsatz kommt.

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