Oszilloskop oder Spektrumanalysator?

Die unverzichtbare Frequenzanalyse

17. März 2023, 15:00 Uhr | Nicole Wörner

Für eine detaillierte Signalanalyse reicht die reine Zeitbereichsanalyse nicht aus. Wichtig ist darüber hinaus die Betrachtung über die Frequenz. Oszilloskope und Spektrumanalysatoren sind hier die Mittel der Wahl. Welche Vor- und Nachteile bringen beide Geräteklassen in der Frequenzanalyse mit?

Von Boris Adlung, Sales und Marketing Manager von Rigol Technologies Europe

Um die Funktionalität – oder eben auch Nichtfunktionalität – einer Neuentwicklung verständlich und einfach zu vermessen, ist die Zeitbetrachtung das Maß aller Dinge. Sie gibt Aufschluss über das zeitliche Signalverhalten wie etwa Amplitudenwert und Störeinbrüche der Pulse, ebenso gibt sie Informationen über Signalcharakteristika wie beispielsweise Überschwinger und Anstiegs-/Abfallzeiten oder eine logische Abfolge von Signaländerungen der zu messenden DUTs.

Vor allem Oszilloskope bieten mit ihren erweiterten Funktionen wie dem Dekodieren der Daten oder der Suche nach sich sporadisch ändernden Signalen eine fast vollumfängliche Analyse – inklusive einer Mixed-Signal-Darstellung von bis zu 16 digitalen Signalen. Im Zeitbereich lassen sich die Signale allerdings nur bis zu einer gewissen Grenze zu 100 Prozent charakterisieren.

Ein Signal kann in der Zeitbereichsdarstellung rein und sauber erscheinen, obwohl es Störkomponenten enthält, die mit dem bloßen Auge im Zeitbereich nicht wahrgenommen werden können. Hier hilft ein weiteres Tool, das im Folgenden anhand unterschiedlicher Rigol-Geräte etwas detaillierter beschrieben wird: die Frequenzanalyse.

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Methoden der Frequenzanalyse

Es gibt mehrere Technologien, die für die Frequenzanalyse verwendet werden können. Die am häufigsten eingesetzten Technologien in der Messtechnik sind das Sweep-basierte Überlagerungsprinzip und die Verwendung des Fast-Fourier-Transform(FFT)-Algorithmus.

Oszilloskope wie das 2-GHz-Oszilloskop MSO8204 von Rigol bieten dank des selbstentwickelten ASIC namens Phoenix unter anderem für das Front-End eine sehr gute Frequenz und Bandbreitencharakteristik an. Das heißt, dass die Signale linear sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich über den definierten Frequenzbereich gut vermessen werden können. Durch den zweiten digitalen Prozessor-ASIC bietet das Gerät eine hohe Abtastrate von 10 GSamples/s.

Mit dem tiefen Speicher von 500 MPunkten können nicht nur die Signale sauber aufgelöst, sondern auch eine Vielzahl von Signalen mit einer einzigen Erfassung dargestellt werden. Durch die sehr genaue FFT – die bis zu einer Million Abtastpunkte für diesen Algorithmus verwendet – lassen sich die Signale sehr gut im Frequenzbereich darstellen (Bild 1). Das Bild zeigt ein scheinbar sauberes Sinussignal bei 1,5 GHz. In der Frequenzanalyse sieht man aber sehr schnell eine Modulation auf dem Träger, die so im Zeitsignal nicht sichtbar ist.

Einer der Vorteil bei dieser Messung ist der hohe Frequenzbereich von bis zu 2,5 GHz. Ein weiterer Vorteil ist es, mithilfe der »Color Grade«-Funktion sporadische Signale festzuhalten und auf dem Bildschirm einzufrieren. Mittels der Spitzenwert-Suchfunktion kann diese Frequenzanalyse auch für einfache Pre-Compliance-Analysen verwendet werden. Hier können ebenfalls bis zu vier unterschiedliche FFTs gleichzeitig geöffnet werden. Das bringt entweder den Vorteil, dass man eine Messung mit Color Grade und die andere mit der normalen FFT durchführen kann. Oder es lassen sich unterschiedliche Frequenzbereiche gleichzeitig betrachten.

Auf der anderen Seite bringt es den Vorteil, dass zu jedem Kanal eine separate Frequenzanalyse gleichzeitig durchgeführt werden könnte. Weil das MSO8204 auf einer 8-bit-Plattform basiert, gibt es hier allerdings Nachteile bezogen auf den Dynamikbereich. Kleinste Signalkomponenten könnten unterhalb des Rauschteppichs liegen. Der Dynamikbereich beschreibt den maximal zu messenden Amplitudenwert, zu dem der Rauschwert sich auf das Display abbilden lässt. Hier sind in etwa 6 dB pro bit auf dem Bildschirm darstellbar. Das heißt, ein Nachteil der Frequenzanalyse FFT ist neben dem eingeschränkten Frequenzbereich der Dynamikbereich.

Somit ist bei einem Bedarf an höherem Dynamik- und/oder Frequenzbereich an andere Technologien zu denken, etwa an Spektrumanalysatoren, die mit dem Überlagerungsprinzip arbeiten.