Benötige ich einen Spektrumanalysator oder ein Oszilloskop?

Seit Generationen galten einfache Regeln für HF-Techniker: Frequenzbereichsmessungen (Ausgangsfrequenz, Bandleistung, Signal-Bandbreite usw.) wurden mit einem Spektrumanalysator erledigt, und Zeitbereichsmessungen (Impulsbreite und Wiederholfrequenz, Signaltakt usw.) mit einem Oszilloskop. Dann machte die digitale Revolution Signalverarbeitungstechnik einfacher und sorgte für größere Verbreitung und die Grenzen zwischen beiden Plattformen begannen zu verschwimmen. Oszilloskope verfügten bald über integrierte FFT-(Fast Fourier Transform-)Techniken, mit deren Hilfe Zeitbereichskurven in den Frequenzbereich umgerechnet werden. Und Spektrumanalysatoren konnten ihre Daten bald im Zeitbereich erfassen und mithilfe von Nachbereitung Darstellungen generieren. Dennoch gab es noch einige klare Unterschiede zwischen den beiden Plattformen. Beispielsweise waren Oszilloskope in Sachen Abtastgeschwindigkeit eingeschränkt. Zwar konnten sie Signale bis hinunter zu DC erkennen, aber nur bis zu wenigen GHz. Spektrumanalysatoren dagegen konnten bis hoch in den Mikrowellenbereich erfassen, aber sie verpassten flüchtige Signale im Spektrum. Was, wenn es notwendig war, ein Signal im Zeitbereich mit einer Trägerfrequenz von 40 GHz zu erkennen oder einen kompletten Breitbandimpuls im X-Band? Im Zuge der Weiterentwicklung von elektronischer Kriegsführung, Radar und im Kommunikationsbereich werden auch die Ansprüche an Prüfausrüstung größer. Für HF- und Mikrowellengeräte haben sich aufgrund neuer digitaler Verarbeitungstechnologien neue Möglichkeiten aufgetan und im gleichen Maß haben die Möglichkeiten von Prüfgeräten zugenommen. Spektrumanalysatoren und Oszilloskope können jetzt viel mehr als noch vor wenigen Jahren. Ihre Funktionen nehmen auch weiter zu, während die Grenzen zwischen ihnen zunehmend verschwimmen und irgendwann ganz verschwunden sein werden.

Veränderungen in der Technologie

Die digitale Revolution hat die Art und Weise fundamental verändert, wie Spektrumanalysatoren und Oszilloskope funktionieren:

Spektrumanalysatoren
Die meisten Spektrumanalysatoren verfügen jetzt über einen DSP-(Digital Signal Processing-) Bereich. Wie bei einem klassischen Spektrumanalysator wird das eingehende Signal zu einer wesentlich niedrigeren Zwischenfrequenz (IF) herunterkonvertiert. Dieses Signal wird abgetastet, von einem Analog/Digital-Wandler (ADC) digitalisiert und mit DSP-Techniken verarbeitet. Der Spektrumanalysator bietet nunmehr zwei Betriebsmodi: Abtasten des LO, um Signale über einen weiten Bereich zu erfassen oder den LO „zu unterbrechen“, damit gleichzeitig alles im Rahmen der von der Abtastrate zugelassenen Bandbreite für die Analyse erfasst werden kann. Die Hauptvorteile dieser Technik sind verbesserte Genauigkeit und Zuverlässigkeit: Indem analoge Komponenten durch digitale Verarbeitung ersetzt worden sind, können die in analogen Komponenten angelegten Unsicherheiten erheblich verringert werden. Klassische Komponenten von Spektrumanalysatoren wie RBW-Filter (für die Auflösungsbandbreite) und Protokollverstärker sind jetzt digital implementiert und präziser sowie wiederholbarer.

Zwei zusätzliche Vorteile sind durch das „Unterbrechen“ des lokalen Oszillators und das Sammeln von Daten um eine Frequenz herum gegeben. Der erste Vorteil ist die Möglichkeit, ein Breitbandsignal in der Zeitdomäne anzuzeigen. Weil das Signal jetzt abgetastet und digitalisiert wird, kann es wie bei einem Oszilloskop in der Zeitdomäne angezeigt werden. Der Hauptunterschied ist, dass die Daten beim Spektrumanalysator herunterkonvertiert worden sind, damit die angezeigten Daten auf die Mittelfrequenz der Messung bezogen sind. Der zweite Vorteil ist die Möglichkeit, die Phasendaten des Signals anzuzeigen. Durch Ausführung einiger grundlegender DSP-Verarbeitungsschritte kann die Phase von Signalen wie Kommunikations- und Radarsignalen demoduliert und analysiert werden. Einige Hersteller bezeichnen Spektrumanalysatoren mit dieser Funktion als „Signalanalysatoren“, um auf diese neue Möglichkeit der Demodulation und Analyse von Signalen über dem Trägersignal hinzuweisen. Der „Signalanalysator“ weist allerdings weiterhin eine wichtige Einschränkung auf, nämlich die Abtastrate des ADC im digitalen IF-Bereich. Das bedeutet eine Einschränkung der Bandbreite auf nicht mehr als ein paar Hundert MHz.

Abbildung 1. Vereinfachtes Blockdiagramm eines Spektrumanalysators.

Oszilloskope
Wie beim IF-Abschnitt eines Signalanalysators werden Signalereignisse im Frontend des Oszilloskops digital abgetastet und verarbeitet, allerdings mit weitaus höherer Rate. Mittlerweile gibt es Echtzeit-Oszilloskope, die bei Geschwindigkeiten bis zu 240 GSa/s abtasten können. So ist das Oszilloskop in der Lage, Signale von DC bis 100 GHz und darüber hinaus zu erkennen.

Es gibt einige Überlegungen, die zur Einschränkung der Nützlichkeit dieser Architektur führen können. Eine dieser Überlegungen gilt der Flut von Daten, die aus einer solchen schnellen Abtastrate resultiert. Pro Sekunde werden Hunderte Gigabyte Daten generiert und in aller Regel können jeweils nur Sekundenbruchteile erfasst und analysiert werden, wenn die volle Bandbreite verwendet wird. Datenverarbeitungstechniken wie segmentierte Speicher können den Erfassungszeitraum verlängern, funktionieren aber nur bei Impuls- oder wiederholten Signalen. Eine weitere Überlegung gilt der Tatsache, dass Hochgeschwindigkeits-ADCs in der Regel nur 8-Bit-Auflösung bieten, im Vergleich mit den 14 oder 16 Bit bei Signalanalysatoren. Wenn Sie Signale auf niedrigem Pegel über einen weiten Frequenzbereich suchen (z. B. bei einer Störsignalsuche), ist der Spektrumanalysator im Vorteil, aber im Fall der meisten Kommunikations- und Radaranwendungen sind die Unterschiede zwischen den beiden Geräten möglicherweise nicht signifikant.

Welches Instrument ist das richtige Instrument für die Aufgabe?
Obwohl sich die beiden Technologien überschneiden, gibt es einige grundlegende Unterschiede:

Trägerfrequenz und Signalbandbreite
Der wichtigste zu beachtende Parameter ist die Bandbreite des Signals, das analysiert werden soll. Liegt ihr Signal innerhalb der Bandbreite des Spektrumanalysators und ist die Trägerfrequenz höher als ein paar GHz, handelt es sich beim Spektrumanalysator häufig um die bessere Option. Die niedrigere Abtastrate des Spektrumanalysators macht es Ihnen möglich, Daten über längere Zeit zu erfassen und zu analysieren. Außerdem sind Spektrumanalysatoren in der Regel weniger kostspielig als ihre Oszilloskop-Gegenstücke mit Frequenzen von 10 GHz oder mehr. Wenn Sie jedoch Signale mit höherem Umfang als ein paar Hundert MHz analysieren oder Anstiegs- und Abfallzeiten unter 20 ns anzeigen müssen, ist das Oszilloskop die bessere Wahl.

Spannungs-(Leistungs-)Auflösung und Grundrauschen
Auch über die Datenauflösung könnte nachgedacht werden. Typische Spektrumanalysatoren tasten Daten mit 14 Bit ab, während typische Oszilloskope 8-Bit-Geräte sind. Im Gegensatz zum Spektrumanalysator verfügt das Oszilloskop weiterhin über ein weit offenes Frontend (keine Filterung) und mehr Breitbandrauschen kann in die Messung Eingang finden. Das kann ein Problem in Umgebungen sein, in denen ein hohes Maß an Rauschen oder Hintergrundsignalen zu verzeichnen ist. Bei vielen Anwendungen können Datenverarbeitungstechniken im Oszilloskop diesen Unterschied verringern oder beseitigen.

Anzahl der Datenkanäle
Der Spektrumanalysator ist ein Gerät mit einem Kanal. Oszilloskope sind in der Regel Geräte mit zwei oder vier Kanälen. Obwohl Spektrumanalysatoren einheitlich miteinander verbunden werden können, ist diese Möglichkeit weder trivial noch kostengünstig. Bei Messungen über zwei, drei oder vier Kanäle verfügt ein Oszilloskop über natürliche Vorteile.

Abbildung 2. Vereinfachtes Blockdiagramm eines 4-Kanal-Oszilloskops

Zur Veranschaulichung der praktischen Auswirkungen dieser Unterschiede seien hier einige der Vor- und Nachteile von Spektrumanalysatoren und Oszilloskopen bei typischen Signalen aufgeführt:

Radarsignale (statische Trägerfrequenz)
Typische Radarsignale weisen relativ geringe Bandbreiten, aber hohe Trägerfrequenzen auf. Wenn die Bandbreite in die Analysebandbreite des Spektrumanalysators fällt, ist dieses Gerät die folgerichtige Wahl. Der Signalanalysator bietet eine höhere Auflösung und längere Erfassungszeiten, in der Regel auch für einen geringeren Preis. Für breitere Radarsignale kann ein Oszilloskop erforderlich sein, damit das gesamte Signal ohne Abtasten gleichzeitig angezeigt werden kann.

Frequenzsprungsignale
Springt das Signal im Rahmen der Analysebandbreite des Signalanalysators, können lückenlose Daten für mehrere Sekunden erfasst werden (in manchen Fällen mehrere Minuten oder Stunden mithilfe eines externen RAID-Arrays), im Vergleich mit mehreren Millisekunden bei einem Hochgeschwindigkeitsoszilloskop. Wenn der Frequenzbereich des Sprungsignals breiter ist, muss zu einem Oszilloskop gewechselt werden.

Breitbandkommunikationssignale
Ein Hochgeschwindigkeitsoszilloskop kann ein großartiges Werkzeug für die Demodulation und Analyse von Kommunikationssignalen mit Schrittgeschwindigkeiten über 100 MHz sein. Die Messungen von Signalen in Ka- und Ku-Bändern mit Schrittgeschwindigkeiten von mehreren GHz sind üblich.

Kleinsignal-Suche
Der Schlüssel zur Suche nach Stör- und anderen Niedrigstromsignalen ist die Begrenzung des Störungsumfangs in der Messung. Der Signalanalysator kann eine Schmalbandabtastung über eine breite Palette von Frequenzen durchführen, wodurch die meisten Breitbandstörungen herausgefiltert werden. Damit ist das Gerät das ideale Werkzeug für die Kleinsignal-Suche.

Mehrkanalsignale
Für einige Anwendungen wie Phased-Array-Radar, Systeme für Mehrfachantennenerkennung und MIMO-Kommunikationssysteme kann es wünschenswert sein, ein Dutzend oder mehr Signale parallel zu analysieren und miteinander zu vergleichen. Hier hat das Oszilloskop den natürlichen Vorteil eines 4-Kanal-Geräts mit zeitgleichen Kanälen. Bei mehr als 4 Kanälen könnte es die richtige Entscheidung sein, beide besprochenen Technologien beiseite zu lassen und einen Verbund aus Digitalisierern heranzunehmen. Ohne den Overhead und die zusätzlichen Komponenten, die oft in Spektrumanalysatoren und Oszilloskopen zu finden sind, können Digitalisierer eine kompakte und kostengünstige Lösung für die Analyse von mehreren Kanälen sein. Der Nachteil ist in der Regel die zusätzliche Arbeit, die für die Konfiguration dieser Geräte und für die Verarbeitung der Daten erforderlich ist.

Fazit

Das Eingehen von Techniken zur digitalen Signalverarbeitung in Spektrumanalysatoren und Oszilloskopen hat dazu geführt, dass die Grenzen zwischen beiden Technologien bis zu einem Punkt verschwommen sind, an dem bei einigen Anwendung ein Oszilloskop „der bessere Spektrumanalysator“ und umgekehrt sein kann. Aber wie auch immer: Anwender werden feststellen, dass heutige Instrumente weitaus funktionsreicher und leistungsfähiger sind als diejenigen vor einem Jahrzehnt.

… ABER … kann wirklich EIN Instrument die Aufgaben für beide erledigen?

Das Oszilloskop Keysight 3000T verfügt über einige erweiterte FFT-Funktionen, die eine ähnliche Leistung wie bei einem Spektrumanalysator bieten, jedoch mit der zusätzlichen Möglichkeit zur Durchführung von Analysen in mehreren Domänen: Zeitdomäne, Frequenzdomäne sowie darüber hinaus gleichzeitige serielle Datentriggerung und Decodierung und digitale Signalanalyse. Wenn also ihr Design beispielsweise ein Kommunikationsprotokoll umfasst, das einen HF-Transceiver einschaltet, verfügen Sie über eine Allzwecklösung.

Abbildung 3: Analyse eines HF-Burst von 400 MHz, Triggern eines bestimmten seriellen SPI-Datenbefehls.