Der R&S FSVR ist ein vollwertiger, schneller Spektrum- und Signalanalysator, kombiniert mit einem Echtzeit-Spektrumanalysator. Mit seiner Bandbreite von 40 MHz analysiert er Signale im Frequenzbereich bis 40 GHz. Auch seltene oder ultrakurze Einzelereignisse bleiben nicht verborgen, dafür sorgen die Spektrogramm-Darstellung und der Nachleuchtmodus. Sein frequenzselektiver Trigger erleichtert das Auffinden unerwarteter Ereignisse. Zahlreiche Mess- und Darstellfunktionen vereinfachen die Arbeit in militärischen Applikationen, beispielsweise das Untersuchen von Radarsignalen.
Echtzeit-Spektrumanalyse bis 40 GHz
Im Unterschied zu einem herkömmlichen Spektrumanalysator, der über den gesamten Eingangsfrequenzbereich von mehreren Gigahertz sweept, misst ein Echtzeit-Spektrumanalysator das Spektrum um eine frei wählbare Eingangsfrequenz. Der R&S FSVR (BILD 1) tastet das Signal auf dieser Frequenz mit einer Bandbreite bis 40 MHz ab und transformiert es anschließend per Fast-Fourier-Transformation (FFT) in den Frequenzbereich. FPGA-basierte Hardware beschleunigt die Berechnung der FFT bis 250000 Spektren pro Sekunde, was ein Überlappen der Eingangsdaten aufeinander folgender FFTs von mindestens 80 % ermöglicht.
Da das menschliche Auge diese Vielzahl an Spektren nicht verarbeiten kann, fasst der Echtzeit-Spektrumanalysator die Messdaten für die einfache Spektrumdarstellung in einem Detektor zusammen und stellt das Ergebnis ca. 30-mal pro Sekunde am Bildschirm dar. Dies ist etwa die Bildwiederholrate, die das menschliche Auge noch verarbeiten kann. Der Spitzenwert-Detektor sorgt dafür, dass jedes während der Beobachtungszeit vorkommende Signal auch dargestellt wird. Um aber den zeitlichen Verlauf sehr genau zu analysieren oder auf sehr kurzzeitige oder extrem seltene Signale zu triggern, stehen zusätzliche Echtzeit-Darstell- und Messfunktionen wie der Nachleuchtmodus, das Spektrogramm oder der Frequenzmaskentrigger zur Verfügung.
Sporadische und kurzzeitige Ereignisse im Frequenzbereich, spektrales Verhalten von Signalquellen bei Frequenzumschaltung oder Störungen durch Digitalschaltungen, die HF-Signale beeinflussen, sind somit detektierbar – Fehlerursachen, die bisher meist nur schwer und mit hohem Zeitaufwand zu finden waren.
Nachleuchtmodus visualisiert Auftrittswahrscheinlichkeit von Signalen
Ein probates Mittel, um ultrakurzzeitige Signale sichtbar zu machen, ist der Nachleuchtmodus. Der R&S FSVR schreibt die lückenlosen Spektren in einem Diagramm übereinander. Je nach Häufigkeit, mit der ein bestimmtes Signal mit einem Amplitudenwert auftritt, ändert er die Farbe des betreffenden Bildpunktes. Signale, die kontinuierlich vorhanden sind, stellt er beispielsweise in Rot, sehr seltene in Blau dar. Kommen bestimmte Signale nicht mehr vor, verschwinden sie nach der gewählten Nachleuchtzeit. Der Nachleuchtmodus stellt gewissermaßen ein spektrales Histogramm dar. Er ist eine unschlagbare Hilfe beim Untersuchen zeitlich veränderlicher Signale. Anwender sind nun zum Beispiel in der Lage, schnelle Einschwingvorgänge von PLLs zu analysieren. Die lückenlose Darstellung sämtlicher auftretender Frequenzen und Amplituden mit Wahrscheinlichkeitsgewichtung vermittelt einen völlig neuen Eindruck vom dynamischen Verhalten des Systems im Frequenzraum. Der Anwender sieht, ob bei einem Sender schnelle Frequenzsprünge vorkommen oder ob sich die Amplitude kurzzeitig stark ändert. Effekte wie diese können das Verhalten eines Gesamtsystems stark beeinflussen, sind aber mit konventionellen Analysatoren nur schwer zu detektieren. Außerdem ermöglicht es der Nachleuchtmodus, sich überlagernde Signale zu trennen (BILD 2), wenn sie unterschiedliche Frequenz-Pegel-Wahrscheinlichkeiten haben – deren Ursache beispielsweise unterschiedliche Modulationsarten oder Symbolraten sein können.
Spektrogrammfunktion zur lückenlosen Darstellung von Funksequenzen
Um nicht nur einen Eindruck vom dynamischen Verhalten eines Signals zu vermitteln, sondern um auch den zeitlichen Verlauf genau zu erfassen, bietet der R&S FSVR die Spektrogrammfunktion. Dabei ordnet er der Signalamplitude eine Farbe zu, so dass eine horizontale Linie zur Darstellung des Spektrums ausreicht. Durch kontinuierliches Aneinanderreihen der horizontalen Linien entsteht das Spektrogramm. Es zeigt im Echtzeitbetrieb lückenlos das Spektrum über der Zeit. In diesem Modus zeichnet der Analysator bis zu 10000 Messkurven pro Sekunde lückenlos auf und legt sie in einem Ringspeicher ab. Die Speichertiefe für das Spektrogramm reicht für bis zu 100000 Messkurven (Traces). Je nach gewählter Update-Rate kann man damit einen Zeitraum bis zu fünf Stunden messen.
Frequenzsprungsender beispielsweise mit kurzen Burst-Aussendungen und schnell wechselnder Sendefrequenz, wie sie beispielsweise in militärischen Anwendungen vorkommen, lassen sich nun bis zu einer Bandbreite von 40 MHz sicher detektieren und die Sprungsequenz kann analysiert werden. Das Spektrogramm ist nicht nur für die Frequenzüberwachung interessant, sondern auch in F&E-Labors bei der Suche nach sporadisch auftretenden Störsignalen.
Triggern auf Ereignisse im Signalspektrum
Die mit dem Spektrogramm gesammelten Informationen können anschließend auch zur Definition eines Triggers im Spektralbereich genutzt werden. Dieser sogenannte Frequency Mask Trigger (FMT) reagiert auf Ereignisse im Spektrum. Der R&S FSVR wertet jedes einzelne Spektrum – bis zu 250000 pro Sekunde – aus und vergleicht es mit einer definierten, frequenzabhängigen Maske. Verletzt eine Messkurve diese Maske, generiert er ein Triggerereignis, zeigt das aktuelle Spektrum an oder stellt im kontinuierlichen Betrieb nur die Spektren dar, die die Maske verletzen. Messapplikationen, wie die generelle Vektorsignalanalyse, können z.B. den Frequenzmaskentrigger nutzen, um in einem Nachverarbeitungsschritt die Modulationseigenschaften nur des Signals zu analysieren, bei dem ein kurzzeitiger Störer auftritt.
So lassen sich mit dem R&S FSVR Einflüsse von Störsignalen bei HF-Sendern oder Frequenzwechseln sehr schnell und zielgerichtet analysieren. Sind für die Fehleranalyse weitere Messgeräte erforderlich, kann er diese über einen Triggerausgang bei einem bestimmten Frequenzereignis triggern.
Die Maske für den spektralen Trigger lässt sich komfortabel am Touchscreen definieren, sie kann aber auch automatisch generiert werden. Übersichtliche Tabellen und Grafiken geben dem Anwender die Möglichkeit, die Maske schnell an neue Gegebenheiten anzupassen. BILD 3 vermittelt einen Eindruck von der Einfachheit und Übersichtlichkeit der Bedienung.
Leistung über der Zeit
Neben dem sicheren Detektieren und Darstellen von Ereignissen im Frequenzraum interessiert oft auch die Länge von Signalen oder die Messung der Stabilität von Zeitabschnitten, beispielsweise die Wiederholrate von Pulsfolgen. Die Messung „Leistung über Zeit“, bei der die Leistung des Signals in Echtzeit über der Zeit dargestellt wird, verschafft einen Überblick über die Signale im Zeitbereich. Ist das Ende des eingestellten Zeitfensters erreicht, beginnt der R&S FSVR die Darstellung erneut, wobei er keinen Zeitschlitz verliert. Ein Zeitbereichstrigger oder auch der Frequenzmaskentrigger kann verwendet werden, um auf bestimmte Ereignisse zu triggern. Damit lässt sich die Länge von Pulsen bestimmen, ohne in den Modus Spektrumanalyse wechseln zu müssen, oder die Länge sporadisch auftretender Störsignale ermitteln, die z.B. mit Hilfe des Frequenzmaskentriggers erfasst wurden. Leistungsstarke Werkzeuge also, um Frequenz, Amplitude und Länge sporadischer und schwer zu detektierender Signale zu analysieren.
Ein Wasserfalldiagramm der Zeitbereichsdarstellung erweitert die Anwendungsmöglichkeiten. Damit kann das Verhalten von Signalen über der Zeit beobachtet werden. Eine typische Anwendung ist beispielsweise die Messung von Puls-zu-Puls-Jitter. Der Anwender triggert auf einen Puls und beobachtet, wie konstant der Zeitabstand zum nächsten Puls ist. Dabei verliert er dank der Datenaufbereitung in Echtzeit keinen Puls und erwischt auch jeden Ausreißer.
Aufzeichnung von Radar- oder Funksignalen
Der R&S FSVR bietet eine I/Q-Speichertiefe von 200 MSample. Dadurch lassen sich selbst bei maximaler Bandbreite Signale bis zu vier Sekunden lang lückenlos aufzeichnen, die dann in einer Nachbearbeitung analysiert werden können. Müssen längere Sequenzen aufgezeichnet werden, kann der Analysator, ausgerüstet mit digitalen Basisbandschnittstellen, die aufgenommenen Daten in Echtzeit ausgeben, die dann beispielsweise mit dem I/Q-Datenrekorder R&S IQR gespeichert werden. Mit dieser Konfiguration lassen sich beispielsweise komplexe Radar-Signale mit einer Bandbreite von 40 MHz bis zu einer Stunde lang aufzeichnen oder auch komplexe Funksignale von Sendesystemen mit schnellen Frequenzwechseln (Hopper). Eine genaue Analyse und Auswertung der Daten kann dann später im Labor erfolgen. Der Datenstrom kann aber auch direkt in einen Vektorsignalgenerator von Rohde&Schwarz geleitet, dort verfälscht und wieder gesendet werden, um reale Funkszenarien bzw. Umwelteinflüsse zu simulieren (Fading).
Messungen an Radar-Signalen
Bild 4 zeigt die Messung eines Radar-Signals und die Fülle der Darstellmöglichkeiten. Oben links ist das Spektrum eines Pulses zu sehen, darunter die Pulssequenz der im Abstand von 2,5 ms auftretenden Pulse im Spektrogramm. Oben rechts ist das Signalverhalten über der Zeit dargestellt und darunter ein Wasserfalldiagramm der Zeitdarstellung, das zeigt, wie konstant die Leistung der gesamten Sequenz ist. Wird die zeitliche Auflösung erhöht und mit dem Zeitbereichstrigger auf einen Puls getriggert, kann man genau sehen, wie die Pulsabstände variieren und das Puls-zu-Puls-Jitter messen. In BILD 5 stellt die gerade Linie des Wasserfalldiagramms einen Puls des Radar-Signals dar, der den Trigger auslöst. Die zweite Linie zeigt eine deutlich höhere Varianz und somit, dass die Pulsabstände zeitlich nicht konstant sind.
Vollwertiger Signal- und Spektrumanalysator
Ist der Echtzeitbetrieb nicht aktiv, verhält sich der R&S FSVR wie ein normaler Signal- oder Spektrumanalysator. Er sweept über den gewählten Frequenzbereich – je nach Modell bis zu 40 GHz – und stellt das Spektrum dar. Mit weniger als einer zehntel Sekunde minimaler Sweep-Zeit bei vollem Darstellbereich ist er sehr schnell. Die Auflösebandbreiten sind dabei frei wählbar. Anders als im Echtzeit-Betrieb ist der Anwender nicht an die Anzahl der FFT-Punkte und die Echtzeitbandbreite gebunden. Neben den für maximale Geschwindigkeit einschwingoptimierten Sweep-Filtern stehen auch Kanalfilter und Filter für Mobilfunkstandards zur Verfügung.
Der R&S FSVR bietet standardmäßig eine Vielzahl spezieller Messfunktionen. Dazu gehören Nachbarkanalleistungsmessung, Spectrum Emission Mask, Intermodulationsmessung, CCDF oder Spurious-Emission-Messung.
Mit einer Pegelmessunsicherheit von 0,4 dB bis 7 GHz sorgt er für genaue und verlässliche Messergebnisse. In Bezug auf die niedrige Gesamtmessunsicherheit ist er führend. Mit einer Option können Leistungsmessköpfe der Familie R&S NRP-Z direkt angeschlossen werden, was bei besonders hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit ein separates Leistungsmessgerät erspart. Außerdem ist er mit mehr als 1000 Sweeps/s im Spektrumanalyse-Modus bis zu fünfmal schneller als andere Spektrum- oder Signalanalysatoren.
Zu den zahlreichen zur Grundausstattung gehörenden Funktionen gibt es auch Optionen für moderne Kommunikationsstandards oder für die Messungen des Phasenrauschens, des Rauschmaßes, der Parameter von analog modulierten Signalen (AM / FM /?M) sowie der Modulationsparameter digital modulierter Signale.
Fazit
Der R&S FSVR ist eine am Markt wohl einzigartige Kombination aus Echtzeitanalysator und vollwertigem Signal- und Spektrumanalysator. Die umfangreichen und einfach zu bedienenden Echtzeitfunktionen geben dem Anwender neue leistungsstarke Analysemöglichkeiten. Gleichzeitig muss er nicht auf gewohnte Arbeitsmittel für allgemeine Signal- oder Spektrumanalyse verzichten. Die intuitive Bedienoberfläche, die sich an Spektrumanalysatoren orientiert, vereinfacht den Umgang mit dem Instrument und integriert die Echtzeitanalyse als Teil eines schlüssigen Gesamtkonzepts.
Dr. Wolfgang Wendler
(sb)
