Was ist ein Spektrumanalysator?

Ein Spektrumanalysator ist ein weit verbreitetes Messgerät, das die Signalleistung (Amplitude) eines ausgewählten Frequenzbereiches misst und grafisch darstellt. Ganz allgemein erlaubt er, die Leistung und Frequenz bekannter und unbekannter Signale zu ermitteln. Um ein breites Spektrum von Netzwerk- und Signalverhalten bewerten zu können, wurde eine Vielzahl unterschiedlicher Produkte entwickelt. Auch lassen sich die Frequenzen und Bandbreiten der Ausgangssignale mit dem empfangenen Eingangssignal vergleichen.

Mit einem Spektrumanalysator können die vorherrschende Frequenz, Oberschwingungen (Harmonische), die Leistung, Verzerrungen und das Grundrauschen untersucht werden. Häufig eingesetzt werden Spektrumanalysatoren für die Analyse von HF-Funksignalen, zur Entwicklung und zum Testen von elektronischen Schaltungen, in der Tontechnik sowie zur Aktivierung und Wartung von optischen Netzen. Mithilfe moderner digitaler Technologien sind Echtzeit-Spektrumanalysatoren heute in der Lage, selbst kurzzeitig oder sporadisch auftretende (transiente) Ereignisse zu erfassen. Programmierbare Testroutinen, die Aufzeichnung des erfassten Spektrums sowie intuitiv zu bedienende Touchscreens gehören zu den Leistungsmerkmalen der neuesten Generation von Hand-Spektrumanalysatoren. 

Seitdem vor über 100 Jahren die ersten Heterodyn-Analysatoren (Wobbel-Analysatoren) auf den Markt kamen, hat sich die Technologie schrittweise weiterentwickelt. Die digitale Architektur, die es erlaubte, erstmals die schnelle Fourier-Transformation (Fast Fourier Transform, FFT) in einem Spektrumanalysator anzuwenden, ermöglicht die Echtzeit-Spektrumanalyse (RTSA) ohne Abtastlücken oder „blinde Flecken“ im Zeitbereich. Heute werden Spektrumanalysatoren in allen nur denkbaren Abmessungen und Ausführungen sowie für alle Ansprüche angeboten. Für jede spezifische Anwendung hat VIAVI eine breite Lösungspalette entwickelt, die unterschiedliche Tests und Messungen, Wartungsanforderungen und Fehlerdiagnosen unterstützt.  

Tischgeräte
Die mit Netzspannung betriebenen Analysatoren für Labor und Produktion sind zumeist für den Einbau in ein 19″-Standardgestell (Rack) vorgesehen oder bei größeren Abmessungen als Tischgerät ausgeführt. Tischgeräte bieten zahlreiche Vorteile, wie eine größere Rechenleistung und mehr Platz für Module, Anschlüsse, Knöpfe, Tasten und Anzeigen. Im Labor wird ein Vollspektrum-Analysator häufig in Verbindung mit einem Oszilloskop oder einem anderen Highend-Gerät verwendet.

Portable Geräte
Angesichts der sich vervielfachenden Anzahl von Anwendungen gewinnen Portabilität und Robustheit an Bedeutung. Ein portabler Spektrumanalysator wird zumeist über eine Batterie oder einen Akku betrieben, wiegt unter 7,5 kg und ist für den Feldeinsatz optimiert. Kompakte Spektrumanalysatoren sind häufig robust und witterungsbeständig sowie mit blendfreien Bildschirmen und integrierten Handgriffen ausgestattet.

Handgeräte
Seit Kurzem wird eine neue Klasse kleinerer Spektrumanalysatoren, die bequem in der Hand gehalten werden können, angeboten. Trotz der Fortschritte beim Design und bei der Leistung werden an diese hochkompakten Geräte jedoch zumeist keine hohen Leistungserwartungen gestellt. Daher stellen sie auch einen eher begrenzten Funktionsumfang und Frequenzbereich sowie eine geringere Präzision zur Verfügung. Typische Anwendungsbereiche für diese Hand-Spektrumanalysatoren sind HF-Messfahrten zum Lokalisieren von Störquellen und Signalen im Mobilfunk.

Integrierte Geräte
Es ist möglich, die Rechenleistung, den Speicherplatz und die Anzeigefunktionen von Laptops, Tablets und Smartphones in Kombination mit modernen Spektrumanalysatoren zu nutzen. Diese Fortschritte erlauben, erweiterte Messfunktionen für die Optimierung der Genauigkeit, Bandbreite und Reichweite zu verwenden. Diese neue Vielseitigkeit begründet eine neue Klasse von Spektrumanalysatoren, bei der die Konnektivität des angeschlossenen Gerätes auch für Software-Upgrades, für die Berichterstellung und die Speicherung genutzt wird.  

Je vielseitiger und kompakter die Spektrumanalysatoren werden, desto länger wird die Liste der möglichen Anwendungen.In Labor und Produktion helfen sie beim Entwerfen, Charakterisieren und Testen von Produkten, die jede Art von hochfrequenten (HF), optischen oder akustischen Wellen erzeugen oder auf diese reagieren. Da heutzutage praktisch alle nur denkbaren Geräte über das Internet der Dinge (IoT) über Funk drahtlos miteinander verbunden werden können, sind den Feldtest-Anwendungen hier keine Grenzen gesetzt.

Optische Spektrumanalyse: Da Licht naturgemäß eine bestimmte Frequenz und Intensität besitzt, ist ein Spektrumanalysator ideal dafür geeignet, die Spektren und Leistungspegel verschiedener optischer Quellen zu untersuchen. In der Telekommunikationsindustrie werden optische Netze auch mithilfe der Spektrumanalyse bereitgestellt und gewartet. Optische Übertragungstechnologien, wie das dichte Wellenlängenmultiplex-Verfahren (DWDM) und rekonfigurierbare optische Add/Drop-Multiplexer (ROADM) sind auf präzise und einwandfreie Signale angewiesen, die auch überprüft werden müssen.  

  • Verfahren zur Fertigungsprüfung sind für ein breites Spektrum von optischen Komponenten und Systemen entwickelt worden. Universaltester können genutzt werden, um passive Komponenten, Laserquellen und optische Verstärker zu entwerfen, zu testen und zu produzieren. Hochauflösende optische OSA-Testmodule für die Spektrumanalyse ermitteln die Wellenlängen-Merkmale von Produkten, wie von modulierten DWDM-Übertragungssystemen und komplexen optischen Quellen, und ermöglichen Fehlerdiagnosen.  
  • Feldtest-Anwendungen für optische Spektrumanalysatoren werden immer zahlreicher, da DWDM-Systeme, Übertragungen im C-Band und kleine Kanalabstände, die früher nur bei hochbitratigen Glasfaserinstallationen in Metro-/Langestreckennetzen eingesetzt wurden, heute auch in Zugangsnetzen anzutreffen sind. Bei Datenraten von bis 800 Gbit/s pro Kanal ist der optische Signal-Rausch-Abstand (OSNR) ein wichtiger Parameter, mit dem Serviceprovider, Dienstleister und Netzausrüster (NEM) das Leistungsverhalten aller optischen Kanäle gleichzeitig prüfen und während des Netzbetriebs aussagekräftige Fehlerdiagnosen durchführen können.

HF-Spektrumanalyse: Die zunehmende Nutzung von WLAN-Netzen (WiFi) sowie die Einführung der 5G-Mobilfunkgeneration erhöhen die Bedeutung moderner Technologien für Hochfrequenz(HF)-Anwendungen. Mit dem weiteren Ausbau der Telekommunikationsnetze werden Spektrumanalysatoren eingesetzt, um die Belegung der Frequenzbänder zu ermitteln, mögliche Interferenzen zu erkennen sowie die Qualität der Funkübertragung zu überprüfen.  

  • Die Installation von Basisstationen gilt als klassischer Anwendungsfall für die HF-Spektrumanalyse. Mit 5G New Radio (NR) wird technisches Neuland betreten, da HF-Frequenzbänder von über 26 GHz bei Millimeterwellenlängen (mmWave) genutzt werden. Neue 5G-Übertragungsverfahren, wie Zeitduplex (TDD), erfordern die Analyse des Persistenz-Spektrums zur Charakterisierung und Fehlerdiagnose. Kompletttester zur Installation und Wartung von Basisstationen bewältigen diese Herausforderungen, indem sie die HF-Spektrumanalyse mit Interferenzmessungen, mit der Überprüfung von Glasfasern sowie mit Antennentests kombinieren.  
  • Eine HF-Abschirmung ist für viele elektronische Geräte vorgeschrieben, die sich in der Nähe von Krankenhäusern oder von Systemen, die durch Funksignale gestört werden könnten, wie Magnetresonanztomographie-Anlagen (MRT), befinden. Bei der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) geht es darum, unerwünschte Abstrahlungen, die drahtlose oder drahtgebundene Kommunikationskanäle beeinträchtigen könnten, zu vermeiden. Spezielle Spektrumanalysatoren erlauben zudem, Störabstrahlungen (Egress) aus sowie Signaleinstrahlungen (Ingress) in Kabelnetze zu erkennen.
  • WLAN-Anwendungen werden immer häufiger genutzt und auch immer komplexer. In den dicht belegten WLAN-Frequenzbändern von 2,4 GHz bis 60 GHz müssen störende Interferenzen, Kanalüberlappungen und Kapazitätsprobleme vermieden werden. Hier kann ein Spektrumanalysator genutzt werden, um die Signalstärke, die Kanalbelegung sowie HF-Störsignale in Echtzeit zu untersuchen. Diese aussagekräftigen Parameter helfen den Netzbetreibern, die Bereitstellung und Leistung ihrer WLAN-Systeme zu optimieren. 

Was misst ein Spektrumanalysator? 
Das Funktionsprinzip eines Spektrumanalysators wird genutzt, um die Amplitude (Leistung) des Eingangssignals in Abhängigkeit von der Frequenz (Wellenlänge) eines ausgewählten Spektrumbereichs zu messen. Der Unterschied zu einem Oszilloskop, besteht darin, dass Spektrumanalysatoren eine Sichtbarkeit des Signals im Frequenzbereich und im Zeitbereich gewährleisten. Zudem vermitteln sie detaillierte Einblicke in den Signal-Rausch-Abstand (SNR) sowie in das Phasen- und Modulationsverhalten.

Wie funktioniert ein Spektrumanalysator? 
Vom Funktionsprinzip ist ein Spektrumanalysator mit einem einfachen Funkempfänger vergleichbar. Durch Hinzufügen einer leistungsstarken Mischstufe, eines Oszillators und einer grafischen Anzeige der Signalstärke werden die Charakteristika (Signatur) der Wellen in einem messbaren, grafischen Format als Diagramm präsentiert. Im Verlauf der Jahre wurde die Technologie weiterentwickelt und verbessert, sodass sie von immer mehr Branchen und Anwendungen genutzt wird. Trotz dieser Weiterentwicklungen haben sich die Grundfunktionen und Anzeigen kaum verändert.  

Wie wird ein Spektrumanalysator bedient? 
Die Bedienung von Spektrumanalysatoren ist über die Jahre ziemlich gleich geblieben. Nach dem Einschalten des Gerätes und Auswählen des Eingangssignals werden die Mittenfrequenz, die Darstellbreite (Span) und die Referenzpegel der Amplitude (y-Achse) eingestellt. Die Auflösebandbreite (RBW), Videobandbreite (VBW) und Wobbel-/Durchlaufzeit (Sweep Time) erlauben, die Genauigkeit der Messungen und das darzustellende Bild auf dem Display einzustellen.  

Leistungsmerkmal 

  • Grundlegende Leistungsmerkmale: Einstellung der Messparameter und Festlegung, wie die erfassten Daten auszuwerten und dem Nutzer im Display anzuzeigen sind. Heute ermöglichen digitale Technologien sowie die Verbindung zur Cloud den Spektrumanalysatoren, weitere nützliche und noch vielfältigere Leistungsmerkmale zur Verfügung zu stellen. Wenn man sich die einfache Frage gestellt, wofür der Spektrumanalysator in einer bestimmten Anwendung genutzt werden soll, ist man auf einem guten Weg, um sich im Dickicht der zahllosen Produkte und Leistungsmerkmale zurechtzufinden.  
  • Häufige Funktionen: Die ersten kommerziellen Spektrumanalysatoren boten bereits solche praktischen Funktionen wie eine einstellbare Darstellbreite, Frequenzmarker und eine bearbeitbare Durchlaufzeit (Wobbelzeit). Weitere Leistungsmerkmale, die für nahezu jede Anwendung hilfreich sind, umfassen Rauschmarker, die Anzeige von Messwertspitzen (Peak), Mitlaufgeneratoren (Tracking-Generatoren) sowie zusätzliche Eingänge zur Mehrkanalanalyse.
  • Anspruchsvollere Leistungsmerkmale: Ein höherwertiger HF-Spektrumanalysator sollte zudem einen Demodulator besitzen, damit der Techniker in das zu analysierende Signal „hineinhören“ kann. Spektralmasken und eine programmierbare Phasenrauschen-Analyse vereinfachen die Einrichtung und erlauben, einheitliche Testroutinen festzulegen. Weitere anspruchsvolle Funktionen sind die Analyse des Persistenz-Spektrums, die Interferenzanalyse sowie softwarebasierte Funktionen, wie die Touchscreen-Anzeige, das Speichern und Laden von Bildern, die Testprozess-Automatisierung (TPA) und die Cloud-Konnektivität.

Wodurch unterscheidet sich ein Netzwerkanalysator von einem Spektrumanalysator? 
Obgleich beide Geräte umfassend in der Elektronik- und HF-Branche genutzt werden, gibt es wesentliche Unterschiede. Während ein Spektrumanalysator das Verhalten und Schwankungen in Funk- oder Lichtwellen untersucht, wird ein Netzwerkanalysator verwendet, um die Reaktion von Bauteilen, wie von Transistoren, Filtern und Mischern, in einem HF-Schaltkreis zu charakterisieren. Diese Arten von Netzwerkanalysatoren unterscheiden sich ebenfalls in Form und Funktion von den leistungsstarken Lösungen zur Netzwerküberwachung und Datenanalyse, die eingesetzt werden, um Paketdaten in Rechnernetzen zu erfassen, zu speichern und zu untersuchen.  

Wie haben sich Spektrumanalysatoren im Laufe der Zeit weiterentwickelt? 
Vor über 150 Jahren hat James Maxwell uns erstmals das grenzenlose Potenzial elektromagnetischer Wellen erahnen lassen. Seitdem haben sich Spektrumanalysatoren zu einem wichtigen Messgerät für die Elektronik, Hochfrequenztechnik, Akustik und Optik entwickelt. In den vergangenen zehn Jahren hat sich der Umfang der Funktionen und Leistungsmerkmale deutlich erhöht. Diese Fortschritte sind mit dem Entwicklungssprung vergleichbar, als Mitte der 1990er-Jahre die ersten FFT-basierten Geräte die Echtzeit-Spektrumanalyse ermöglichten und sich damit von den analogen Heterodyn(Wobbel)-Analysatoren unterschieden. Automatische Workflows, hochauflösende Farbgrafiken und ein großer Funktionsumfang auf kleinstem Raum haben dazu geführt, dass kompakte Spektrumanalysatoren auch neue Leistungsanforderungen erfolgreich bewältigen.