Oszilloskop und Spektrum-Analyzer Teil 2/2
Aus ELVjournal
05/2006
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Um
die Arbeitsweise eines digitalen Spektrumanalysators richtig zu
verstehen, ist ein Ausflug in die Grundlagen der digitalen Signalanalyse
notwendig. Es würde den Rahmen dieses Artikels sprengen, wenn wir dabei
zu sehr ins Detail gingen. In einer kommenden Folge „Einführung in die
digitale Signalverarbeitung“ kann der interessierte Leser eventuelle
Lücken schließen.Der Spektrumanalysator
Die
Ermittlung der Frequenzkomponenten eines elektrischen Signals ist die
Aufgabe eines Spektrumanalysators. Er analysiert also die spektrale
Zusammensetzung des Signals, woraus sich der Name ableitet.Echtzeitanalysator

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9: Aus dem Spektrum des Signals werden die einzelnen
Frequenzkomponenten herausgefiltert und zur Anzeige gebracht. Nichts
anderes macht die Fourieranalyse |
Eine
unmittelbar einleuchtende, aber in der Praxis aus Aufwandsgründen kaum
anzutreffende Methode verwendet eine Filterbank. Dabei wird das zu
analysierende Frequenzband von Bandfiltern gleichzeitig in Teilbänder
zerlegt. Die Frequenzkomponenten des Signals erscheinen nun je nach
ihrer Intensität mehr oder weniger stark an den zugeordneten
Filterausgängen. Abbildung 9 zeigt schematisch, wie eine Filterbank mit
den Mittenfrequenzen f1 bis fn das Zeitsignal s(t) in die Teilspektren
S(f1) bis S(fn) zerlegt, die zusammengefasst das Gesamtspektrum S(f)
ergeben. Bildet man auf einem Display die Werte S(fμ) für M=1...n über
einer f-Achse ab, ergibt sich die grafische Darstellung von S(f). Bei
einer feinen spektralen Auflösung ist natürlich eine unwirtschaftlich
hohe Anzahl von Filtern mit anspruchsvollen Eigenschaften (exakte
Mittenfrequenz, steile Flanken, kurze Einschwingzeiten, zeitliche
Stabilität …) erforderlich.Analoger Spektrumanalysator

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10: Der analoge Spektrumanalysator hat große Ähnlichkeit mit einem
herkömmlichen Radio, das zyklisch über einen bestimmten Empfangsbereich
abgestimmt wird |
Die
Analyse aller interessierenden Frequenzkomponenten durch eine Filterbank
lässt sich mit weniger Aufwand realisieren, indem man das zu
analysierende Frequenzband an einem festen Filterfenster vorbeischiebt
(Abbildung 10). Dazu wird das Eingangssignal mit einer variablen
Lokalsoszillatorfrequenz in eine ZF-Lage gemischt, wo ein Bandpassfilter
mit fester Mittenfrequenz, aber einstellbarer Bandbreite die jeweiligen
Frequenzkomponenten selektiert. Nach deren Gleichrichtung und
Verstärkung dienen sie der vertikalen Ablenkung einer
Katodenstrahlröhre. Dieser vertikalen Auslenkung des Elektronenstrahls
wird eine waagerechte überlagert, die der Frequenz des gefilterten
Signals in der Ursprungslage entspricht. Die starre Verkopplung des
Lokaloszillators mit der horizontalen Ablenkung ist durch deren
Ableitung von einer gemeinsamen Grundfrequenz (im Bild die Frequenz des
Sägezahngenerators) sichergestellt.Bei
dieser Art der seriellen Analyse wird also gewissermaßen das Spektrum
des Eingangssignals am Analysefilter „vorbei geschoben“. Dabei darf die
Geschwindigkeit der Frequenzänderung (sweep time, Wobbelgeschwindigkeit)
nicht zu groß sein, damit das Analysefilter genügend Zeit zum
Einschwingen hat. Seine Einschwingzeit hängt von der gewählten
Bandbreite ab – je schmalbandiger, umso langsamer der Einschwingvorgang.
Darin drückt sich das Zeit- Bandbreite-Gesetz der Nachrichtentechnik
aus. Bei hoher spektraler Auflösung (schmale Bandbreite) muss der Sweep-
Zyklus deshalb so langsam erfolgen, dass sich kein stehendes Bild mehr
auf dem Schirm der Katodenstrahlröhre ergibt. Für diesen Fall gibt es
Röhren mit Speicherdisplay oder langer Nachleuchtdauer. Die
Zwischenfrequenz wird meist oberhalb des Arbeitsbereichs des
Spektrumanalysators gewählt, um mit einem einfachen Eingangstiefpass
Spiegelfrequenzen zu unterdrücken. Nehmen wir zum Beispiel einen
Spektrumanalysator mit einem Arbeitsbereich von wenigen kHz bis 100 MHz
mit einer Zwischenfrequenz von 150 MHz an. Der Lokaloszillator muss dann
zwischen 150 und 250 MHz abstimmbar sein. Das Spiegelband (fEingang+ 2
fZF) von 300 bis 400 MHz kann also von einem Tiefpass, der keine
scharfen Anforderungen erfüllen muss, unterdrückt werden. Digitaler Spektrumanalysator

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11: Der digitale Spektrumanalysator digitalisiert das Eingangssignal
zunächst und füllt mit den digitalen Signalwerten einen Speicher. Alle
weiteren Verarbeitungsschritte beruhen auf diesem Speicherabbild des
digitalisierten Signalabschnitts |
Für
die digitale Verarbeitung des Eingangsspektrums muss man es
bandbegrenzen, einer A/D-Wandlung unterziehen, einen geeigneten
Abschnitt (time record) speichern und den Speicherinhalt digital
aufbereiten (Abbildung 11). Man entnimmt dem Signal also Proben
(Abtasten und Halten, engl. Sample und Hold), wandelt diese in binäre
Zahlenwerte einer bestimmten Wortlänge, speichert sie und unterwirft den
Speicherinhalt (time record) einer diskreten Fouriertransformation
(DFT), bzw. seiner schnellen Variante, der Fast Fourier Transformation
(FFT, dafür muss die Anzahl der Abtastwerte eine Zweierpotenz sein:
29=512, 210=1024, 211=2048 …). Die Darstellung der resultierenden
Spektren und vieler weiterer Signal- und Verarbeitungsparameter wird
heute meist von Flüssigkristalldisplays übernommen.Abtasttheorem

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12: Die blaue Kurve wird unter Einhaltung des Abtasttheorems
abgetastet, d. h., es werden ihr mehr als zwei Proben pro Periode
entnommen. Anders dagegen die höherfrequente rote Kurve. Beide
Abtastungen liefern das gleiche Signal – eine Folge des Alias-Effekts |
Der
erwähnte bandbegrenzende Tiefpass am Eingang stellt die Einhaltung des
Abtasttheorems sicher. Es besagt, dass der höchsten Frequenzkomponente
im abzutastenden Signal mindestens zwei Werte pro Periode zu entnehmen
sind, um den so genannten Alias-Effekt zu vermeiden und die betreffende
Frequenzkomponente wieder restaurieren zu können (Abbildung 12).
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13: Oben: Überabgetastetes Spektrum (links) und das zugehörige Spekt
rum (rechts). Unten: Unterabtastung führt zur Überlappung der
periodischen Abtastspektren. Durch den Alias-Effekt lässt sich das
Ausgangssignal nicht mehr fehlerfrei rekonstruieren |
Bei
der Abtastung ergeben sich nämlich bei Vielfachen der Abtastfrequenz
periodisch wiederkehrende Spektren, die sich bei Verletzung des
Abtasttheorems überlappen würden. Das Basisbandspekt - rum enthielte
dann Anteile aus dem ersten Nachbarspektrum und wäre auch nach dem
Ausfiltern durch einen Tiefpass irreversibel verfälscht (Abbildung 13).Diskrete Fouriertransformation
Wir
hatten einen Punkt bisher nur etwas beiläufig erwähnt, der aber von
großer Wichtigkeit für das Verständnis der Funktionsweise eines
Spektrumanalysators ist. Die Fourieranalyse setzt periodische Signale
voraus, d. h. Signale, die schon immer eingeschaltet waren und bis in
alle Ewigkeit sein werden und deren zeitlicher Verlauf von regelmäßig
wiederkehrenden Abschnitten gekennzeichnet ist. Solche Signale sind
natürlich nur in der Theorie möglich. In der Praxis sind Signale schon
deshalb nicht streng periodisch, weil sie nur eine bestimmte endliche
Zeit lang existieren. Aber auch sie haben eine spektrale Darstellung,
die wir über die zeitdiskrete Version des Fourierintegrals gewinnen
können. An dieser Stelle soll nur kurz, ohne in die Tiefe zu gehen, der
Zusammenhang zwischen einer endlichen Folge von Abtastwerten im
Zeitbereich und den zugehörigen Spektralwerten im Frequenzbereich
abgeleitet werden. Nehmen wir an, es läge ein kontinuierliches
Zeitsignal x(t) vor. Dann ist seine Fouriertransformierte die zugehörige
Darstellung im Frequenzbereich:Es sei darauf hingewiesen, dass sowohl x(t) als auch X(ω) komplex sein können. Von der Abtastfolge zum diskreten Spektrum
Das
Abtasten von x(t) entspricht einer Diskretisierung der Zeit, d. h. nur
die Signalwerte zu gewissen Zeitpunkten, den Abtastzeitpunkten nTA (im
Weiteren wird aus Gründen der Schreibvereinfachung der Index A
weggelassen), werden in die weitere Betrachtung einbezogen:Setzt
man dies in das Fourierintegral ein, reduziert sich die Integration auf
die Summation der zu den Abtastzeitpunkten herrschenden Werte des
Integranden, also wird aus dem komplexen Fourierintegral das komplexe
Abtastspektrum der diskreten Fouriertransformation (DFT): Dies ist das Abtastspektrum einer „immerwährenden“ Zeitfunktion (-∞ Beschränken der Abtastwerte
In
der Praxis muss aus Aufwands- und Zeitgründen eine begrenzte Anzahl von
Abtastwerten aus der unendlich langen Folge zur Berechnung genügen –
gewissermaßen ein endlicher Abschnitt daraus. Wer möchte schon gerne
unendlich lange auf sein Messergebnis warten? Jede Zeitaufnahme ist als
Ausschnitt zu verstehen, der durch Multiplikation der unendlich langen
periodischen Ursprungsfolge mit einer gleich langen Rechteckfunktion
(uniform window) gewonnen wird. Bei der Beschränkung der Zahl der
Messwerte kann es zu gravierenden Fehlern kommen, die man durch
„Fenstern“ (d. h. Multiplizieren der gespeicherten Abtastwerte mit einer
Gewichtsfunktion) der Zeitaufnahme zu mildern versucht. Das Fenster ist
meist so breit wie der gespeicherte Signalabschnitt. In der Regel ist
es zur Mitte des gespeicherten Signalabschnitts symmetrisch und hat dort
den Wert 1. Zu den Rändern fällt es mit unterschiedlichem Verlauf auf
null ab.Der Leakage-Effect

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14: Wenn die periodische Fortsetzung des gespeicherten Signalabschnitts
zum periodischen Ursprungssignal führt, tritt kein Leakage-Effect auf
(links) |
Wie bereits
gesagt, setzt die Fouriertransformation voraus, dass ein für alle Zeit
wiederholtes Signal vorliegt. In dem in Abbildung 14 links gezeigten
Fall führt die Bearbeitung des gewählten Abschnittes einer
Sinusschwingung mit zwei kleinen Harmonischen zu keinen
Transformationsfehlern, weil im Speicher eine ganze Anzahl von
Sinusschwingungen vorliegt. Deren periodische Fortsetzung führt zu einer
mit dem tatsächlichen Eingangssignal identischen Sinusschwingung, die
der Fouriertransformation zugrunde liegt. Dagegen führt die Zeitaufnahme
in Abbildung 14 rechts zu Phasensprüngen im wiederholten Zeitsignal.
Damit weicht dieses erheblich vom tatsächlichen Eingangssignal ab. Es
verwundert deshalb nicht, dass dies auch Auswirkungen auf die
Frequenzdarstellung hat. Wir erhalten ein „verschmiertes“ Abbild des
Spektrums (welches sogar die Harmonischen überdeckt) der sauber
durchlaufenden Sinusschwingung (leakage effect). Es lässt sich natürlich
in der Praxis nicht immer garantieren, ob eine ganzzahlige Anzahl von
Schwingungen den Speicher belegt. Damit hängt der Leakage-Effect von
Zufälligkeiten ab und das Messergebnis ist nicht verlässlich. Hier setzt
das „Fenstern“ an.Fenstern

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15: Mit einer Fensterfunktion (hier ein Rechteck: uniform windowing)
wird das abgetastete Signal auf eine bestimmte Anzahl von Werten
reduziert. Das hat bei ungünstiger Wahl des Ausschnitts Verfälschungen
des Signalspektrums zur Folge: Das Spektrum verbreitert sich (leakage
effect) |
Mathematisch
wird die Fensterung durch Multiplikation des gespeicherten
Zeitfunktionsabschnitts (time record) mit einer Fensterfunktion
beschrieben (Abbildung 15). Bei dieser „Fensterung“ macht man natürlich
einen Fehler, der umso größer ist, je mehr die ursprüngliche
Zeitfunktion durch die Fensterung verformt wird. Den Effekt einer
Fensterung richtig abschätzen zu können, ist eine wesentliche
Voraussetzung für die korrekte Interpretation des Ergebnisses einer
digitalen Spektrumanalyse. Durch geeignete Wahl der Fensterform
(rechteckig, dreieckig, Hanning, Hamming, Kaiser …) lässt sich der
Leakage-Effect verringern.
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16: Wenn die periodische Fortsetzung des gespeicherten Signalabschnitts
nicht zum periodischen Ursprungssignal führt, verringert „Fenstern“ den
Schmiereffekt |
Wenn
wir in Abbildung 14 rechts den nicht-periodischen Speicherinhalt mit
einem sog. Hanning-Fenster bewerten, wird das Spektrum deutlich weniger
„verschmiert“ und die stark gedämpften Harmonischen tauchen wieder auf
(Abbildung 16). Das liegt daran, dass die Phasensprünge des rechten
Signals in Abbildung 14 „wegmultipliziert“ werden. Das Analyseergebnis
bezieht sich jetzt allerdings auf eine periodische Folge anund
abklingender Bursts, deren Spektrum dem des ursprünglichen Zeitsignals
aber schon deutlich näher kommt. Eine schöne, mathematikfreie Einführung
in die Grundlagen der Signalanalyse ist die Application Note 243 von
Hewlett-Packard, der auch die Abbildungen 14 und 16 entnommen wurden
(http://cp.literature.agilent.com/ litweb/pdf/5952-8898E.pdf).Frequenzauflösung
Mit
der Länge des gespeicherten Abschnitts der Zeitfunktion untrennbar
verbunden ist die Frequenzauflösung der DFT. Sie entspricht dem Abstand
zweier Spektrallinien im Abtastspektrum und beträgt Δf=1/NT (N=Anzahl
der Abtastwerte, T=Abtastperiode). Daraus wird deutlich, dass mit
wachsenden Ansprüchen an die Frequenzauflösung der DFT die Zahl der
gespeicherten Abtastwerte und damit auch die Fensterbreite immer größer
werden muss. Für unendlich feine Auflösung (Abstand zwischen zwei
Spektrallinien Δf=0) muss der beobachtete Zeitabschnitt und damit die
Beobachtungsdauer unendlich lang sein.Schnelle Fouriertransformation
Angenommen,
wir speichern N Abtastwerte aus einer unendlich langen Folge, dann
ergeben sich N Spektralwerte gemäß der Formel für die Diskrete
Fouriertransformation (DFT):Dabei
ist k die Nummer des Spektralwertes (k=0, …, N-1) und N die Gesamtzahl
der Abtast- bzw- Spektralwerte. Die Gleichung bringt zum Ausdruck, dass
die Spektralwerte X(k) als komplexe Größe einen Betrag und eine Phase
haben. Der Exponentialfaktor wird auch als Drehfaktor WN (engl. twiddle
factor) bezeichnet. Unter Ausnutzung seiner Symmetrieund
Periodizitätseigenschaften gelangt man zur erheblich schnelleren Fast
Fourier Transformation (FFT: Schnelle Fouriertransformation), wobei aber
die Anzahl der Abtastwerte eine Potenz von zwei sein muss (N=…, 512,
1024, 2048, …). Multiplizieren oder Falten
Eine
zweite Möglichkeit zur Bestimmung des Spektrums der abgetasteten und
gefensterten Zeitfunktion besteht darin, die DFT der ungefensterten
Zeitfunktion mit der DFT der Fensterfunktion zu „falten“. Dies beruht
auf einem zentralen Gesetz der Nachrichtentechnik, wonach der
Multiplikation zweier Zeitfunktionen die Faltung ihrer Spektren
entspricht (Multiplikation im Zeitbereich = Faltung im Frequenzbereich).
Es würde den Rahmen dieses Artikels sprengen, darauf einzugehen.
Mit der Identitätkann
man Phase und Betrag des komplexen Spektralwerts leicht berechnen
(Pythagoras und arctan). Wer sich etwas hintergründiger für die
mathematischen Grundlagen der digitalen Signalverarbeitung interessiert,
wird in einer kommenden Serie im „ELVjournal“ bedient. 
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17: Kann man dem Zeitsignal (links) entnehmen, aus welchen Komponenten
es besteht? Wohl kaum. Die Spektren (Mitte und rechts) dagegen sprechen
eine klare Sprache |
Ein
schönes Beispiel für die Nützlichkeit der Fourieranalyse zeigt
Abbildung 17. Links ist eine Zeitfunktion dargestellt, wie man sie mit
einem Oszilloskop sehen würde (60 ms/Div.). Sie besteht aus einer
Grundschwingung von 440 Hz (Kammerton „a“) und zwei Netzbrummstörungen
bei 50 Hz und 100 Hz sowie überlagertem Rauschen. Dies ist der
Zeitdarstellung beim besten Willen nicht zu entnehmen. Ganz anders
dagegen zeigt das Spektrum in der Mitte klar die dominierende
440-Hz-Linie und je eine kleine Linie bei 50 Hz und 100 Hz. Wegen des
linearen Maßstabs drohen Letztere fast im Rauschen unterzugehen. Im
logarithmisch skalierten Spektrum rechts treten sie deutlich hervor.
Durch spezielle Techniken wie Autokorrelation und Mittelwertbildung
lassen sich sogar Signale aus dem Rauschen extrahieren, deren Amplitude
erheblich kleiner als die der Rauschstörung ist. Die Abbildungen 1, 2, 5
und 17 wurden mit der kostenlosen wissenschaftlichen Software Scilab
4.0, einer interaktiven Programmierumgebung für numerische Anwendungen,
berechnet. Scilab ist unter http://www.
scilab.org/download/index_download. php?page=release.html aus dem
Internet zu beziehen. Dank umfangreicher Dokumentationen mit
Anwendungsbeispielen kann man Scilab relativ schnell nutzbringend
einsetzen. Mathematische Grundkenntnisse sind allerdings unabdingbar.Bedienung digitaler Spektrumanalysatoren
Wie
beim Oszilloskop ist das Display digitaler Spektrumanalysatoren durch
ein Zeilen- und Spaltenraster in rechteckige Teilbereiche unterteilt. In
x-Richtung kann man den überstrichenen Frequenzbereich pro
Rastereinheit (Frequency Span/Div.) und in y-Richtung die Amplitude
(Volts/ Div.) oft auch im logarithmischen Maßstab vorgeben. Ebenso ist
die Wahl der gewünschten Fensterfunktion (Window) möglich: Rechteck,
Hanning, Hamming, Kaiser … Besonders komfortabel ist die Bedienung von
digitalen Spektrumanalysatoren/Oszilloskopen, wenn diese als Steckkarte
zum Beispiel für den PCI-Bus eines PCs ausgeführt sind. Dann steht der
ganze Bildschirm als virtuelles Bedienpanel zur Verfügung. Dieses kann
an das zu lösende Messproblem angepasst werden, Einstellparameter und
Messwerte lassen sich abspeichern und später wieder aufrufen
(Wiederholbarkeit einer Messung!), die Verwendung der Messwerte in einer
weiterverarbeitenden Auswerteund Simulationssoftware ist einfach und
die Einbindung in programmgesteuerte Messplätze macht keine Probleme.
Auch Varianten für die externen PCSchnittstellen wie den USB (Universal
Serial Bus), die parallele Druckerschnittstelle (Centronics) und den
Ethernet-Port sind auf dem Markt. So sind auch drahtlose Messungen über
WLAN-Netze möglich, was völlig neue Anwendungen ermöglicht.
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18: Wenn erst einmal eine genügend große Anzahl von digitalisierten
Signalwerten im Speicher ist, kann man daraus (fast) alles berechnen.
Mit SigView und einer Soundkarte geht das schon zum Nulltarif. (Quelle:
http://www.sigview. com/images/scr6.jpg) |
Ein
Beispiel für die umfangreichen Auswertungen von abgespeicherten Samples
mit Karten verschiedener Hersteller zeigt Abbildung 18
(http://www.sigview.com/ images/scr6.jpg). Der Screenshot basiert auf
der Shareware SigView (ca. 100 US-$) der Firma SignalLab. Erste
Experimente kann man bereits mit der Soundkarte als
Datenaufzeichnungsund Ausgabemedium durchführen und später auf eine
anspruchsvolle Mehrkanal- PCI-Steckkarte von National Instruments® oder
Measurement Computing® umsteigen. Das ist meistens erheblich preiswerter
als die Anschaffung eines Stand-alone-Oszilloskops und
-Spektrumanalysators. Bei vielen DSP-Karten (DSP: Digital Signal
Processing = Digitale Signalverarbeitung) ist im Lieferumfang bereits
umfangreiche Software zur Analyse, Synthese und Visualisierung digitaler
Daten enthalten. Oft lassen sich damit vollständige „virtuelle“
Messplätze aufbauen.Fachbeitrag online und als PDF-Download herunterladen
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