HF-Messtechnik

Auf Spurensuche im Spektrum bei frequenzagilen Signalen

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

Das Signalverhalten über der Zeit betrachten

Das Echtzeit-Spektrum-Display (Bild 3) bietet eine andere Möglichkeit, das Signalverhalten über der Zeit zu beobachten. Auf der vertikalen Achse des Spektrogramms ist die Zeit abgetragen, was Einblick in wichtige Aspekte des Signalverhaltens geben kann. Hier bilden viele Bluetooth-Frequenzsprünge ein repetitives Muster; andere Bursts, meist in der oberen Hälfte des Spektrogramms, erscheinen isoliert.

Zu beachten sind die diagonalen Balken, die sich zwischen den breiten WLAN-Kanälen in der unteren Hälfte des Spektrogramms bewegen. Sie könnten das Ergebnis von Kanalabtastung sein und tauchten gelegentlich in den Density-Displays auf. Oben rechts im Display lässt sich die Erfassungszeit einstellen. Sie bestimmt, wie einzelne Spektren zu Spektrum-Aktualisierungen (oberster Kurvenzug) und individuellen Spektrumszeilen für die Darstellung kombiniert werden. Eine längere Erfassung kombiniert mehr Spektren in einer Zeile und verlangsamt die Aktualisierung des Spektrogramms. So lässt sich mit einem einzelnen Spektrogramm ein längerer Zeitraum repräsentieren.

Damit keine Langzeit-Effekte verloren gehen

Die Wahl einer kürzeren Erfassungszeit für jede Aktualisierung der Spektrumsanzeige oder Spektrogrammzeile ergibt eine bessere Zeitauflösung (Bild 4). In diesem Fall decken der Puffer und die Anzeige eine proportional kürzere Zeitspanne ab. Dadurch können Langzeit-Effekte verloren gehen. Andererseits kann die erhöhte Zeitauflösung wichtiges Spektralverhalten offenlegen, das sonst verdeckt wäre. In diesem Fall zeigt die erhöhte Zeitauflösung mehr Details über einzelne WLAN-Bursts und Bluetooth-Frequenzsprünge. Damit wird klar, dass Bluetooth und WLAN Signale sich zwar in der Frequenz überlappen – aber zu unterschiedlichen Zeiten. Kollisionen sind nicht so häufig, wie die vorhergehende Darstellung nahelegt. Allerdings repräsentiert jede Spektrumszeile immer noch hunderte einzelne FFT-Ergebnisse der Echtzeit-Messeinheit.

Welche Vorteile die Vektor-Signalanalyse bringt

Schwer erfassbare Signale oder Ereignisse aufzuspüren ist oft nur ein Schritt zur Problemlösung oder Leistungsoptimierung. In solchen Fällen ist die Vektor-Signalanalyse-Software (VSA) eine logische und leistungsstarke Ergänzung zur RTSA. VSA-Lösungen nutzen üblicherweise die gleiche HF- und Signalverarbeitungs-Architektur wie ein gewobbelter Analysator mit digitaler Zwischenfrequenz (ZF). Sie bieten lückenlose Signalerfassung und Vektor-Verarbeitungsfähigkeiten für analoge und digitale Demodulation.

Die Vektor-Signalanalyse beginnt oft mit der FFT-Analyse eines digitalisierten ZF-Signals. Bei frequenzagilen Signalen oder dynamischen Umgebungen vermeidet die FFT-Analyse Varianzen und Unsicherheiten, die bei einem gewobbelten Analysator mit seinem durchfahrenden RBW-Filter auftreten. Die gesamte Spektrumsmessung wird aus einem Datenblock, einer sogenannten Zeitaufzeichnung, eines digitalen ZF-Signals errechnet, die ein kompatibler Spektrum/Signal-Analysator oder RTSA liefert. Durch Zeitfenster lassen sich die zur FFT verwendeten Daten in der VSA-Software weiter selektieren. Beliebige Teile der Zeitaufzeichnung lassen sich analysieren. Eine typische VSA-Zeitaufzeichung ist mit 1000 Zeitsamples relativ kurz. Das entspricht den längsten Zeitaufzeichnungen von Echtzeit-Analysatoren. Das resultierende Spektrum ist in Bild 5 oben zu sehen.

Die durch VSA ermöglichte längere Zeitaufzeichnung bzw. der Zugriff auf den tiefen Erfassungs-Hauptspeicher des Analysators ergibt eine bessere Sicht auf viele Signale und eine weitaus höhere effektive Entdeckungswahrscheinlichkeit (Probability Of Intercept – POI). Mit langer Zeitaufzeichnung und verbesserten Darstellungsmöglichkeiten wie Nachleuchtdauer und Density-Displays lassen sich sehr informative Signalansichten erzeugen, die wesentlich näher an Echtzeit auf kontinuierlicher Basis sind.

Frequenzagile Signale und komplexe Signalumgebungen

Die langen Blocks lückenloser Verktor-Signalsamples, die sich mit dem VSA erfassen lassen, sind besonders hilfreich für das Verständnis frequenzagiler Signale an sich und in komplexen Signalumgebungen.

Das vorher betrachtete ISM-Band wird in Bild 6 erneut gezeigt. Dabei ist der große Erfassungspuffer als Schleife im Playback-Modus organisiert. Er gibt ein lückenloses Spektrogramm wieder, das etwa 26 ms abdeckt.

WLAN-Bursts, Bluetooth-Frequenzsprünge und wandernde Signale aus Mikrowellen-Öfen sind deutlich erkennbar. Jedes einzelne Signal oder jeder beliebige Burst aus dem großen Erfassungsspeicher lässt sich zur Analyse oder Demodulation auswählen.

Das vollständige Zeit- und Frequenzverhalten aller Signale im ISM-Band ist klar zu sehen. Im Intervall von 16,7 ms (60 Hz) positionierte Marken verweisen auf die Netzfrequenz der Signale aus Mikrowellenöfen. Erfolgreiche und gescheiterte Versuche zur gemeinsamen Bandnutzung lassen sich leicht erkennen. Die Nachbearbeitung in der VSA-Software erlaubt es, aus den einmal erfassten Daten jedes beliebige Signal oder jeden Burst auszuwählen, zu analysieren oder zu demodulieren.

* Ben Zarlingo und Tomas Lange sind beides Applikationsingenieure bei Agilent Technologies.

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