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Welches Messgerät für welche Anwendung

Oszilloskop oder Signal- und Spektrumanalysator?

13. April 2022, 14:00 Uhr | Nicole Wörner

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

HF-Tests mit Oszilloskopen

Mit ihrer großen Analysebandbreite können die führenden Oszilloskope heute eine breite Palette von Anwendungen abdecken. Dazu gehören auch Radaranwendungen, da mit der Radar-Entfernungsauflösung ein wichtiger Parameter direkt proportional zur verfügbaren Bandbreite ist. In anderen Szenarien, wo das interessierende Signal eine relativ geringe Bandbreite hat, kann das Oszilloskop Außerbandsignale wie Oberschwingungen, Nachbarkanäle und Störsignale messen.

Andererseits kann eine hohe Analysebandbreite...

...bei der Erfassung von Schmalbandsignalen besondere Sorgfalt erfordern. Angenommen, es soll ein 2 MHz breites Bluetooth-Low-Energy-(BLE)-Signal mit einer Mittenfrequenz von 2,4 GHz untersucht werden. An sich mag es einfach sein, das gewünschte Signal zu erfassen. Werden jedoch keine Filter eingesetzt, werden auch alle möglichen Störsignale von DC bis zur maximalen Frequenz des Oszilloskops erfasst. Einige High-End-Oszilloskope ermöglichen es dem Benutzer, das Analysefenster auf das interessierende Signal zu beschränken, indem mit Hilfe von Software-Tools digitale Filter entworfen und die Filterkoeffizienten importiert werden.

Die Anwendung eines geeigneten digitalen Filters...

...verbessert zwar das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Es stellt sich aber die Frage, ob die erreichbare Erfassungszeit für ein solches Schmalbandsignal noch verbessert werden kann. Selbst wenn die Abtastrate auf das vom Nyquist-Shannon-Abtasttheorem vorgegebene Minimum reduziert wird, ergibt sich beim BLE-Signal des vorherigen Beispiels eine Erfassungszeit von weniger als einer Sekunde. Mit Hilfe der digitalen Abwärtsmischung, die bei einigen High-End-Oszilloskopen verfügbar ist, kann der Zeitraum allerdings auf etwa 500 Sekunden ausgedehnt werden.

Leistungsfähiges Triggersystem

Oszilloskope sind in der Regel mit einem wesentlich leistungsfähigeren Triggersystem ausgestattet als Signal- und Spektrumanalysatoren. So können auch kurze, intermittierende, Burst- oder Impulssignale detektiert werden. Dies ist ein großer Vorteil bei Radaranwendungen, wo es auf eine präzise Erkennung des Puls-/Chirp-Starts ankommt.

Während Oszilloskope mit herkömmlichem Analogtrigger das Signal auf zwei Pfade aufteilen, bieten Geräte von Rohde & Schwarz ein vollständig digitales Triggersystem, das direkt mit den Abtastwerten des A/D-Wandlers arbeitet. Dies führt zu einem geringeren Trigger-Jitter und einer flexiblen Trigger-Empfindlichkeit. Außerdem unterstützen alle Triggerarten die volle Bandbreite des Oszilloskops.

Phasenkohärente Mehrkanalanalyse

In vielen drahtlosen Anwendungen werden Mehrantennensysteme aus verschiedenen Gründen immer wichtiger. Im Radarbereich beispielsweise sind Mehrantennensysteme gängige Technik zur Abschätzung des Einfallswinkels (AoA) – der Richtung, aus der in der Umgebung befindliche Objekte kommen – anhand der Phasendifferenz zwischen mehreren Empfangspfaden.

Um diese Art von Systemen zu charakterisieren...

...und sicherzustellen, dass alle Kanäle konstant phasenkohärent sind, sind mehrkanalige Prüfmittel erforderlich. Oszilloskope bieten in der Regel mehrere eng aufeinander abgestimmte Kanäle. Im Gegensatz zu Spektrumanalysatoren benötigen sie für phasenkohärente Messungen keine zusätzlichen Erweiterungen, z. B. zur gemeinsamen Nutzung von Zeitbasis und Lokaloszillator (LO). Sie stellen daher eine kostengünstige und einfach bedienbare Lösung für die Prüfung von Mehrantennensystemen dar.

Zum Testen von Geräten, die Frequenzbereiche jenseits...

...der maximalen Bandbreite des Oszilloskops nutzen – wie z. B. Automotive-Radare mit Frequenzen von 77 GHz bis 81 GHz oder das neue 60-GHz-Radar für die Gestenerkennung – wird die Signalerfassung mit externen Mischern durchgeführt. Ein Oszilloskop, das Echtzeit-Deembedding unterstützt, kann die durch die zusätzlichen Komponenten im Signalpfad verursachten Verluste kompensieren. Während Tools für grundlegende Analysen im Zeit- und Frequenzbereich oft bereits integriert sind (Abbildung 3), kann für eine tiefergehende Puls- und Transientenanalyse eine Speziallösung wie die R&S VSE Software erforderlich werden.

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In ähnlicher Weise werden bei der 5G NR-Kommunikation...

...mehrere Beamforming-Antennen eingesetzt, um das Signal in die gewünschte Richtung zu übertragen. Hierfür wird eine definierte Phasenverschiebung jedes benachbarten Eingangssignalstroms erzeugt. Diese muss konstant gehalten werden, um sicherzustellen, dass der erzeugte Strahl stabil in die gewünschte Richtung weist. Ein Oszilloskop wie das R&S RTP ermöglicht mit seinem Mehrkanaleingang eine phasenkohärente Messung von bis zu vier Eingangsströmen und kann daher mehrere 5G NR-Eingangskanäle verarbeiten. Die R&S VSE Software unterstützt eine Vielzahl an Messungen, darunter auch MIMO-spezifische Messungen wie die Ermittlung der Phasendifferenz zwischen den Eingangssignalen zur Charakterisierung der Strahlen beim Testen von Sendern von 5G NR-Basisstationen oder -Kleinzellen.