Oszilloskop mit integriertem Spektrumanalysator

Die Leistung des Oszilloskop MDO4000 von Tektronix geht weit darüber hinaus, den Frequenzbereich wie mit einem Spektrumanalysator anzeigen zu können. Die tatsächliche Leistung des Oszilloskops liegt in seiner Fähigkeit, Ereignisse im Frequenzbereich mit dem Zeitbereichsphänomen zu korrelieren, das diese Ereignisse ausgelöst hat.

Das MDO4000 kann so konfiguriert werden, dass Zeitbereichssignale und/oder Frequenzbereichskurven angesehen werden können. Wenn sowohl der HF-Kanal als auch analoge oder digitale Kanäle aktiviert sind, wird die Oszilloskopanzeige in zwei Ansichten unterteilt. Die obere Hälfte der Anzeige ist eine herkömmliche Oszilloskopansicht des Zeitbereichs. Die untere Hälfte der Anzeige ist eine Frequenzbereichsansicht des HF-Eingangs. Bitte beachten Sie, dass die Frequenzbereichsansicht nicht einfach nur eine FFT-Darstellung der analogen oder digitalen Kanäle im Gerät ist, sondern auch das über den HF-Eingang erfasste Spektrum darstellt.

Das in der Frequenzbereichsansicht gezeigte Spektrum basiert auf dem Zeitbereich, der von dem kurzen orangefarbenen Balken in der Zeitbereichsansicht – „Spektrumzeit“ genannt – angegeben wird. Mit der MDO4000-Serie kann die Spektrumzeit durch die Erfassung bewegt werden, um die Entwicklung des HF-Spektrums im Zeitverlauf zu beobachten. Dieser Vorgang kann während der Ausführung des Oszilloskops (im Live-Zustand) oder bei angehaltener Erfassung durchgeführt werden.

Ein Mixed Domain Oszilloskop aus der Baureihe MDO4000 von Tektronix.Tektronix

Eine einfache alltägliche Anwendung – die Anpassung von VCO/PLL (Bild 1). Diese Anwendung veranschaulicht die leistungsstarke Verbindung zwischen Zeit- und Frequenzbereichen. Mit seiner sehr großen Erfassungsbandbreite und der Fähigkeit die Spektrumzeit durch die Erfassung zu bewegen, umfasst diese Einzelaufzeichnung den gleichen Spektralinhalt wie etwa 1500 einzelne Testerfassungen auf einem herkömmlichen Spektrumanalysator. Noch nie zuvor war das Korrelieren von Ereignissen, Beobachten von Interaktionen oder Messen von Timing-Latenzen zwischen zwei Bereichen so einfach – und noch nie konnte ein dermaßen schneller Einblick in den Betrieb des Geräts geboten werden.

Die Fähigkeit zur Anzeige von korrelierten Frequenzbereichen, Zeitbereichen, analogen, digitalen, parallelen und seriellen Signalen, in Verbindung mit einer enormen Erfassungsbandbreite von mindestens 1 GHz ermöglicht dem MDO4000 die Bereitstellung eines umfassenden Einblicks in das Geräteverhalten.

Bild 2 zeigt ein Spektrum, welches eine Reihe von Trägersignalen von ca. 2,4 GHz beinhaltet. Zur Nachverfolgung der einzelnen Träger werden automatische Markierungen verwendet. In einem herkömmlichen Spektrumanalysator kann es sehr mühsam sein, ausreichend Markierungen zu aktivieren und zu platzieren, um alle relevanten Spitzenwerte zu identifizieren. Die MDO4000-Serie macht diesen Prozess wesentlich effizienter, indem Markierungen automatisch an Spitzenwerten platziert werden, die sowohl die Frequenz als auch die Amplitude jedes einzelnen Spitzenwerts angeben. Die Kriterien zur Bestimmung eines Spitzenwerts können vom Benutzer angepasst werden. Der Spitzenwert der höchsten Amplitude wird rot dargestellt und als Referenzmarkierung gekennzeichnet. Die Markierungsanzeigen können zwischen „Absolute“ und „Delta“ umgeschaltet werden. Wenn beispielsweise „Delta“ ausgewählt wird, zeigen die Markierungsanzeigen die Deltafrequenz und die Delta-Amplitude von jedem Spitzenwert über die Referenzmarkierung an. Ein Spektrum mit einem im oberen Bereich der Anzeige zusätzlichen Spektrogramm zeigt Bild 3. Das enthaltene Spektrogramm eignet sich hervorragend zur Überwachung von sich langsam verändernden HF-Phänomenen. Die x-Achse stellt die Frequenz dar – ähnlich wie bei einer typischen Spektrumanzeige. Die y-Achse stellt die Zeit dar und die Amplitude wird farblich dargestellt. Die Spektrogramme werden generiert, indem jedes Spektrum an seiner Kante nach oben gedreht wird, so dass es eine Pixel-Zeile groß ist. Anschließend werden jedem Pixel Farben zugewiesen, basierend auf der Amplitude bei dieser Frequenz. Die kalten Farben (blau, grün) stellen eine niedrigere und die warmen Farben (gelb, rot) eine höhere Signalamplitude dar. Mit jeder neuen Erfassung wird ein weiterer Bereich am Ende des Spektrogramms hinzugefügt, und der Verlauf rückt eine Zeile weiter nach oben. Werden die Erfassungen angehalten, können Sie nach unten durch das Spektrogramm scrollen, um jeden einzelnen Spektrumbereich anzuzeigen.

Visualisieren von Veränderungen in einem HF-Signal

Das Zeitbereichsraster auf dem Bildschirm der MDO4000-Serie bietet Support für drei HF-Zeitstrahlen, die von den zugrundeliegenden I- und Q-Daten des HF-Eingangs abgeleitet werden, einschließlich:

• Amplitude – die unmittelbare Amplitude von HF-Eingang vs. Zeit,
• Frequenz – die unmittelbare Frequenz des HF-Eingangs in Relation zur Mittenfrequenz vs. Zeit,
• Phase – die unmittelbare Phase des HF-Eingangs in Relation zur mittleren Frequenz vs. Zeit.

Jede dieser Spuren kann einzeln aktiviert und deaktiviert werden; es können auch alle drei Spuren gleichzeitig angezeigt werden. Anhand von HF-Zeitstrahlen lässt sich die Entwicklung eines zeitvariierenden HF-Signals leicht nachverfolgen. Das orangefarbene Signal in der Zeitbereichsansicht von Bild 4 ist die über das HF-Eingabesig-    nal abgeleitete Spur Frequenz über Zeit. Hiermit können die unterschiedlichen Frequenzsprünge und der Wechsel des Geräts zwischen Frequenzen problemlos nachverfolgt werden. Es ist zu beachten, dass die Spektrumzeit während eines Übergangs von einer niedrigeren zu einer höheren Frequenz positioniert wird und somit die Energie über eine Vielzahl von Frequenzen verteilt ist.

Bild 5 zeigt den Betrieb eines ASK-modulierten Geräts. Kanal 1 ist mit dem ASK-Eingang verbunden, während der HF-Kanal die D/A-Wandler-Geräteausgabe überwacht. Die Spektrumzeitsteuerung kann dazu verwendet werden, den HF-Ausgabe-Level an jedem beliebigen Punkt der Signalerfassung zu beobachten. Das Zeitbereichsfenster hingegen kann zur Überwachung des Ausgangslevels während der gesamten Dauer des Aufzeichnungsfensters verwendet werden.

Sehr große Erfassungsbandbreite

Heutige Drahtlosverbindungen variieren im Zeitlauf; sie verwenden anspruchsvolle digitale Modulationen und häufig auch Übertragungstechniken, die Ausgangsbursts umfassen. Diese modulierten Signale können eine sehr große Bandbreite haben. Herkömmliche Sweep- oder Stufen-Spektrumanalysatoren können jeweils nur einen kleinen Bereich des Spektrums anzeigen. Die in einer Erfassung erfasste Spektrummenge wird als Erfassungsbandbreite bezeichnet. Herkömmliche Spektrumanalysatoren durchwobbeln bzw. durchlaufen die Aufzeichnungsbandbreite in der gewünschten Spanne, um das erforderliche Abbild zu erstellen. Das Ergebnis ist wie folgt: Während der Spektrumanalysator einen Bereich des Spektrums erfasst, findet das relevante Ereignis möglicherweise in einem anderen Bereich des Spektrums statt. Die meisten Spektrumanalysatoren auf dem Markt haben 10 MHz-Erfassungsbandbreiten, teilweise mit teuren Optionen, um diese auf 20, 40 oder sogar 140 MHz zu erweitern.

Um den Bandbreitenanforderungen moderner HF-Technik gerecht zu werden, bietet die MDO4000-Serie eine Erfassungsbandbreite von 1 GHz oder höher. Bei Span-Einstellungen von 1 GHz oder niedriger, ist kein Wobbeln erforderlich. Das Spektrum wird über eine einzige Erfassung generiert, so dass die gewünschten Ereignisse im Frequenzbereich garantiert sichtbar sind.

Das MDO4000 bietet außerdem weit mehr Funktionen als ein typischer Spektrumanalysator, da es den Benutzern die Erfassung zeitkorrelierter analoger, digitaler und HF-Signale über 4 analoge und 16 digitale Kanäle sowie einen HF-Kanal ermöglicht. Der HF-Eingangsfrequenzbereich erstreckt sich auf bis zu 6 GHz und bietet mit einer Erfassungsbandbreite von mehr als 1 GHz bei allen Mittenfrequenzen eine 100 Mal größere Bandbreite als herkömmliche Spektrumanalysatoren. Benutzer können bis zu 4 decodierte serielle und/oder parallele Busse gleichzeitig darstellen. Aufgrund dieser Zeitkorrelation zwischen diesen Bereichen können Ingenieure nun exakte Timing-Messungen vornehmen, um Verzögerungen und Wartezeiten zwischen Befehls-/Steuerereignissen im Entwurf sowie Änderungen im HF-Spektrum zu verstehen.

(jj)