HF-Messtechnik

Auf Spurensuche im Spektrum bei frequenzagilen Signalen

| Autor / Redakteur: Ben Zarlingo und Tomas Lange * / Hendrik Härter

Frequenzagile Signale: Für die Messtechnik einer Herausforderung, denn Störungen können das zu messende Signal verfälschen und die ganze Messung ungültig machen.
Frequenzagile Signale: Für die Messtechnik einer Herausforderung, denn Störungen können das zu messende Signal verfälschen und die ganze Messung ungültig machen. (Agilent)

Schwer erfassbare Signale erfassen und auswerten in komplexen und dynamischen Umgebungen ist nicht trivial. Wir zeigen Werkzeuge und Techniken, solche Frequenzen zu beherrschen.

Das wohl komplexeste Frequenzspektrum überhaupt ist das für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen genutzte ISM-Band (Industrial, Scientific, Medical) bei 2,45 GHz.

Treffen zwei oder mehrere Technologien wie WLAN, Bluetooth oder DECT aufeinander – sei es nun zufällig oder absichtlich – ist meist einiges an Ingenieursarbeit zu leisten. Moderne Signalanalysatoren und Software-Applikationen helfen den Entwicklern, mit den ständig steigenden Anforderungen Schritt zu halten. Welche Werkzeuge und Techniken bieten sich dem Messtechniker, um schwer erfassbare Signale zu suchen und aufzufinden und welche Schritte sind notwendig, um komplexe HF-Probleme einzugrenzen und schließlich zu lösen?

Arbeiten in dynamischen Signalumgebungen

Das weltweit für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen freigegebene ISM-Band bei 2,45 GHz ist vermutlich das am vielfältigsten genutzte und dynamischste Frequenzband überhaupt. In vielen Regionen ist es nur mäßig reguliert, wird aber stark genutzt. Typische Anwendungen in diesem Spektrum sind WLAN, Bluetooth, drahtlose Telefone und Mikrowellenherde und -trockenöfen. Da die gesendeten Signale üblicherweise nicht koordiniert sind, gibt es zahllose Gelegenheiten für Interferenzen, Kollisionen und Sendewiederholungen.

Ab einer bestimmten Kanalauslastung können Kollisionen oder zusätzliche Kapazitätsforderungen zu einem plötzlichen Einbruch des effektiven Kanaldurchsatzes führen, dann spricht man auch von einem Klippen-Effekt. Signale können sich beispielsweise nach dem Muster „kurz, breit und selten“ verhalten: Sekundenbruchteile lang, einige zehn MHz breit und im Sekunden- oder Minutentakt auftretend. Dadurch sind sie mit herkömmlichen Wobbel- oder FFT-Analyse-Techniken nur schwer zu erfassen. Hier sind die Eigenschaften von Echtzeit-Spektrumanalysatoren (RTSA) besonders wertvoll.

Glücklicherweise muss man heute nicht extra ein separates RTSA-Gerät kaufen. Die RTSA-Funktion lässt sich als Option bei den weit verbreiteten Agilent Signalanalysatoren PXA und MXA nachrüsten.

Von der Schwierigkeit frequenzagiler Signale

Das sowohl dynamische als auch komplexe 2,45-GHz-ISM-Band ist ein gutes Beispiel für die Herausforderungen der Analyse frequenzagiler Signale. Bild 1 zeigt, dass die herkömmliche gewobbelte Spektrumanalyse (Swept Spectrum Analysis) kein effizienter Ansatz zum Verständnis der Aktivitäten in diesem Band ist. Abhängig vom Grad der Spektrums/Zeit-Belegung mag ein einzelner Wobbeldurchlauf entweder nichts oder lediglich einen Teil eines oder mehrerer Signal-Bursts zeigen.

Es kann schwierig sein, solche Messungen zu interpretieren, besonders wenn die Dynamik der Wobbel-Auflösungsbandbreite des Analysators und die Dynamik des Signals selbst aufeinander einwirken. Die Spitzenwert-Haltefunktion oder auf Englisch Peak-Hold ist ein nützliches Werkzeug, um einige Aspekte der Signalumgebung zu verstehen. Lange Peak-Hold-Messungen sollten letztendlich die meisten Signale im Band erfassen. Allerdings passiert es bei solch langen Messungen oft, dass einige Signale andere verdecken (Bild 1 rechts). Ein Echtzeit-Analysator bietet eine effiziente Alternative. Schnelle Verarbeitung und hochentwickelte Anzeigetechnik eignen sich gut zur Untersuchung dynamischer Signalumgebungen, wie Bild 2 zeigt.

Ergänzendes zum Thema
 
Umgeben von drahtlosen Informationen

Dieses Density-Display eines Echtzeit-Analysators ermöglicht es, Signale im ISM-Band zu charakterisieren und zu verstehen. Da die Messungen lückenlos und alle Signalsamples in der Anzeige repräsentiert sind, erkennt man auf einen Blick oder nach kurzer Messzeit die meisten Signale im Band. Density-Displays sind sehr datenintensiv und recht dynamisch. Sie werden rund 30mal pro Sekunde aufgefrischt und verfügen über eine einstellbare Nachleuchtdauer zum Ausblenden älterer Daten.

Mit einer FFT-Rate von nahezu 300.000 pro Sekunde repräsentiert jede Anzeigenaktualisierung eines RTSA rund 10.000 Spektren. Das ergibt eine reaktionsschnelle Darstellung, die mit den Aktivitäten im Band Schritt halten kann. Sie zeigt auch subtile Details wie etwa Signale innerhalb anderer Signale und Signale in der Nähe des Grundrauschens selbst dann, wenn diese Signale sehr klein sind und selten oder unregelmäßig auftreten. Allerdings ist zu beachten, dass durch das Kombinieren von 10.000 Spektren zu einer Anzeige-Aktualisierung auch Signale, die zu unterschiedlichen Zeiten auftreten, in ein und derselben Display-Auffrischung auftauchen können. So beispielsweise sind die scheinbaren Multi-Tone-Signale in Bild 2 tatsächlich repetitive Bluetooth-Frequenzsprungmuster.

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