Analysatoren Frequenzagile Signale sicher analysieren

Analysatoren-Umgebung mit frequenzagile Signale
Analysatoren-Umgebung mit frequenzagile Signale

Für einen guten HF-Ingenieur stellen Dauerstrichsignale und Signale, die sich vorhersehbar wiederholen, keine große Herausforderung dar. Design und Fehlersuche werden aber ziemlich knifflig, wenn man es mit „frequenzagilen“ Signalen zu tun hat - also mit Signalen, die in nicht vorhersehbaren Intervallen ihre Frequenz wechseln.

Die Analyse von frequenzagilen Signalen ist an sich nicht einfach, und sie wird noch schwieriger, wenn diese Signale in einer mit anderen Signalen derselben Art überlagerten Umgebung vorkommen, also beispielsweise bei Radaranwendungen, in der Wehrtechnik, bei mobiler Netzanbindung und beim Mobilfunk. Um einen Ingenieur in einem solchen komplexen, sich ständig weiterentwickelnden Umfeld zu unterstützen, sind in den letzten Jahren einige neue Signalanalysatoren mit zugehörigen Software-Applikationen auf den Markt gekommen.

Arbeit in einer Umgebung voller dynamischer Signale

Überall auf der Welt ist das ISM-Band (Industrial, Scientific and Medical) bei 2,45 GHz die vermutlich vielgestaltigste Umgebung dynamischer Signale.  Das Frequenzband wird von vielen Geräten benutzt, ist aber vielerorts nur wenig reguliert. WLANs, Bluetooth-Netze, schnurlose Telefone und leistungsstarke Mikrowellenöfen tummeln sich in diesem Frequenzband. Weil Sender in diesem Bereich nicht übergeordnet koordiniert sind, gibt es viele komplexe Interaktionen zwischen ihnen: Interferenzen, Kollisionen, Sendewiederholungen und so weiter. Ab einer bestimmten Belastung des Kanals gibt es so viele Kollisionen (und infolgedessen Sendewiederholungen), dass der Durchsatz plötzlich scharf abfällt. Man nennt diesen abrupten Abfall „Klippeneffekt“.

Vorgänge wie Abscannen der Kanäle sind kurz, breitbandig und selten: nur Bruchteile einer Sekunde lang, einige zig MHz breit, einmal alle paar Sekunden oder gar Minuten. Mit herkömmlichen FFT-Analysetechniken sind solche Vorgänge schwer zu erkennen. Hingegen erweist sich die Echtzeit-Spektrumanalyse (RTSA, Real Time Spectrum Analysis) bei dieser Aufgabe als ausgesprochen nützlich. Erfreulicherweise braucht man für diese Funktion kein teures Spezialmessgerät mehr, sondern man kann sie nun auch als Aufrüst-Option für die Signalanalysatoren PXA und MXA (Agilent Technologies) bekommen.

Über die Spitzenwertspeicherung hinaus Das 2,4-GHz-ISM-Band ist sowohl dynamisch als auch komplex. Man kann an ihm beispielhaft die typischen Schwierigkeiten der Analyse agiler Signale demonstrieren. Bild 1 zeigt, dass man mittels herkömmlicher Spektrumanalyse nach dem Wobbelprinzip nicht vernünftig herausbekommen kann, was in diesem Band vor sich geht.

Je nachdem, wie viel Zeit und Spektrum ein solches Signal prozentual belegt, zeigt ein herkömmlicher Spek-trum-analysator bei einem Durchgang nur einen Teil eines oder mehrerer Signal-Bursts. Eine solche Messung ist schwer zu interpretieren, speziell weil die Dynamik der Auflösebandbreite (RBW, Resolution Bandwidth) des Analysators mit der Dynamik des Mess-signals interagiert. Spitzenwertspeicherung ist nützlich, wenn man einige Aspekte des Signalumfelds verstehen will.

Wenn man die Haltezeit groß genug wählt, wird man vermutlich die meisten Signale in dem betreffenden Band erwischen. Wählt man die Haltezeit aber zu lang, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Signal das andere verdecken (Bild 1 rechts). Ein Echtzeitanalysator ist in einer solchen Situation eine hocheffektive Alternative, wenn man Umgebungen mit dynamischen Signalen untersuchen will (Bild 2).

Der Bildschirm eines Echtzeit-Spektrumanalysators zeigt die Belegungsdichte eines Frequenzbandes und liefert damit unmittelbar einen Überblick über alle vorhandenen Signale. Weil die Messung kontinuierlich läuft und alle Signale auf dem Bildschirm angezeigt werden, können die meisten Ereignisse im untersuchten Band entweder auf einen Blick oder mit kurzer Messzeit gesehen werden.

Der sogenannte „Dichte-Darstellungs-Modus“ zeigt viele Daten an und reagiert flink. Er zeigt etwa 30 Bilder pro Sekunde, und man kann die Nachleuchtdauer einstellen. Pro Sekunde werden fast 300.000 FFT-Spektren gerechnet, somit entspricht jedes Bild 10.000 Spektren. Das Ergebnis ist eine reaktionsschnelle Darstellung, die mit jeder Änderung im Frequenzband Schritt hält und auch feine Details zeigt, etwa Signale innerhalb anderer Signale oder nahe am Grundrauschen, selbst wenn solche Signale klein und selten sind.

Wohlgemerkt: Es kann schon sein, dass sich im Zuge der Kombination von 10.000 Spektren die Signale, die zu verschiedenen Zeiten aufgetreten sind, im gleichen Bild wiederfinden. Beispielsweise sind in Bild 2 die Signale, die in mehreren Farben erscheinen, in Wirklichkeit auf verschiedenen Frequenzen wiederholte Bluetooth-Muster (weil Bluetooth im Frequenzsprungverfahren sendet).