Frequenzwechsel lückenlos per Spektrumanalysator in Echtzeit analysieren

Bild 1: Der Signal- und Spektrumanalysator R&S FSW von Rohde & Schwarz analysiert mit der neuen Software-Option R&S FSW-K160R in Echtzeit nahezu 600.000 Spektren pro Sekunde.Rohde & Schwarz

Drahtlose Kommunikationssysteme, die mit häufigen Frequenzwechseln (Frequency Hopping) arbeiten, bieten einige Vorteile: ihre Datenübertragung ist wenig störanfällig und verschiedenste Anwendungen können sich ein Frequenzband teilen. So funktionieren beispielsweise schnurlose Headsets und Mikrofone auf Bluetooth-Basis sehr zuverlässig gleichzeitig auf engstem Raum und im gleichen Frequenzband. Ähnliches gilt für WLAN-Geräte. Frequenzsprungverfahren sind auch bei taktischen Funkgeräten oder Radar-Anwendungen hilfreich, um den Einfluss gewollter Störungen zu minimieren. Wer solche frequenzagilen Systeme analysieren muss, braucht eine genaue und lückenlose Darstellung der Signale. Diese ist auch Voraussetzung dafür, kurze Störeffekte, etwa durch Frequenzwechsel oder digitale Schaltungen, analysieren und Ausweichalgorithmen untersuchen zu können. Ein für diese Aufgaben spezialisiertes Verfahren ist die Echtzeit-Spektrumanalyse.

Echtzeit-Spektrumanalyse bis 67 GHz

Tabelle: Die wichtigsten Parameter der Option R&S FSW-K160R für die Spektrumanalyse in Echtzeit.Rohde & Schwarz

Die neue Option für die Echtzeitanalyse R&S FSW-K160R (Bild 1) macht den High-End-Signal- und Spektrumanalysator R&S FSW zum Echtzeit-Spektrumanalysator. Er digitalisiert damit ein bis zu 160 MHz breites Frequenzband und berechnet bis zu 600.000 Spektren pro Sekunde (Daten siehe Tabelle). Die gewünschte Auflösebandbreite stellt der Anwender über die FFT-Länge in einem Bereich von 32 bis 16.384 ein. Bei großen Auflösebandbreiten kann der R&S FSW mit einer Erfassungwahrscheinlichkeit von 100 % (POI, Probability Of Intercept) Signale bis zu einer minimalen Dauer von 1,87 µs pegelrichtig detektieren. Die über der Zeit lückenlos erfassten Spektren überlappen sich um 67 %, sodass dem Beobachter selbst kleinste Signale nicht entgehen.

Weil das menschliche Auge nur bis zu 30 Bilder pro Sekunde verarbeiten kann, fasst der Analysator mehrere Tausend Spektren in einem Detektor zusammen. So ist jeder Peak erkennbar. Durch diese Zusammenfassung geht allerdings die extrem hohe zeitliche Auflösung verloren. Abhilfe schaffen hier alternative Darstellungsformen, beispielsweise der Nachleuchtmodus (Persistence Spectrum), das Spektrogramm oder der Frequenzmaskentrigger (FMT). Letzterer kann automatisch 600.000 Spektren pro Sekunde auswerten und auf bestimmte, vom Anwender definierte Ereignisse reagieren, auch wenn diese nur wenige Nanosekunden dauern.

Nachleuchtmodus zeigt die Signalhäufigkeit

Bild 2: WLAN und Bluetooth teilen sich das ISM-Band bei 2,4 GHz. Schwache Signale werden dabei manchmal von größeren Signalen verdeckt (oben). Erst in der Persistence-Spectrum-Darstellung (unten) ist ein schwächeres Signal zu erkennen.Rohde & Schwarz

Im Nachleucht- oder Persistence-Modus schreibt der Analysator alle Spektren lückenlos in einem Diagramm übereinander, farblich codiert nach ihrer Auftrittswahrscheinlichkeit. So kennzeichnet er beispielsweise Signale, die sehr häufig vorkommen, in Rot, sehr selten auftretende in Blau. Kommt ein Signal nicht mehr vor, verschwindet es nach der gewählten Nachleuchtzeit. Somit erkennt der Anwender auch extrem kurze Signale und sieht deren Amplitude und Frequenz. Das Persistence Spectrum (Bild 2) gibt so einen guten Überblick über das dynamische Verhalten frequenzagiler Systeme.

Frequenzwechsel kommen vor allem in den ISM-Bändern vor (Industrial Scientific Medical), wo beispielsweise Kollisionen zwischen Bluetooth- und WLAN-Signalen die Datenraten reduzieren. Doch nicht nur für die Analyse drahtloser Kommunikation ist diese Darstellung ein unerlässliches Hilfsmittel, sondern auch für Messungen an modernen Radar-Anwendungen. Denn auch diese Applikationen machen sich schnelle Frequenzwechsel zunutze, um Störeinflüsse durch atmosphärische Störungen, Interferenzen und feindliche Signale zu minimieren.

Das Persistence-Spektrum stellt selbst Signale dar, die unter einem größeren Signal versteckt sind und mit einem normalen Spektrumanalysator nicht zu detektieren wären. Bild 2 zeigt eine gleichzeitige Übertragung von Bluetooth- und WLAN-Signalen. Im Nachleuchtmodus sieht man sehr deutlich die kurzen, überlagerten Störsignale. Diese Störer können die Datenübertragungsraten reduzieren. Frequenz-Hoppig-Anwendungen können während der Frequenzwechsel oder aufgrund digitaler Signalverarbeitung kurze flüchtige Störungen aussenden (Transienten), die sowohl andere Systeme als auch die eigene Anwendung empfindlich stören. Die Möglichkeit, diese Störungen im Persistence-Modus sichtbar zu machen, ist bei der Fehlersuche außerordentlich hilfreich. Das gilt zum Beispiel auch für die Wechselwirkungen zwischen LTE-Signalen im 800-MHz-Band und dem Kurzstreckenfunk (Short Range Devices).

Signale lückenlos über das Spektum aufzeichnen

Das Spektrogramm zeigt die Signale detailliert im Zeitbereich. Jedem Bildpunkt des Spektrums ordnet das Spektrogramm eine Farbe zu, die der Amplitude entspricht. Somit lässt sich jedes Spektrum als horizontale Linie darstellen. Im Spektrogramm sind alle Linien kontinuierlich aneinandergereiht, es stellt die zeitliche Entwicklung im Frequenzbereich lückenlos dar. In dieser Betriebsart reiht der R&S FSW bis zu 20.000 Spektren pro Sekunde aneinander und legt bis zu 100.000 Spektren in einem Ringspeicher ab. Anwender können so, abhängig von der eingestellten Update-Rate, bis zu fünf Stunden lang lückenlos den Frequenzraum aufzeichnen. Sie sehen auf einen Blick, bei welchen Frequenzen zu welcher Zeit mit welcher Leistung gesendet wurde.

Bild 3: Das Spektrogramm zeigt die Sprungsequenz der Bluetooth-Signale und erlaubt per Zoom-Funktion eine genauere Analyse, speziell an der Stelle, wo ein WLAN-Gerät aktiv ist.Rohde & Schwarz

Zur genaueren Untersuchung bietet der Analysator Marker an, die der Anwender über der Frequenz- und Zeitachse bewegen kann, um so die Zeitdifferenz zwischen Ereignissen zu messen. Das Spektrum jeder einzelnen Linie ist dabei in einem separaten Fenster darstellbar. Da der R&S FSW im Echtzeitbetrieb die I/Q-Daten in einem 400 MSample großen Ringspeicher ablegt, stehen bei 160 MHz Bandbreite die zuletzt erfassten Daten mit einer Zeitdauer von zirka 1 s für eine genauere oder erneute Berechnung zur Verfügung. Dies erlaubt das Hineinzoomen in interessante Szenarien mit einer minimalen Zeitauflösung von 30 ns, um Kollisionen unterschiedlicher Signale oder sehr kurze Störer im Detail zu analysieren. In Bild 3 sieht man den die  Sprungsequenzen von Bluetooth-Signalen im ISM-Frequenzband. Per Zoom-Funktion ist eine eingehende Analyse genau an der Stelle möglich, wo ein WLAN-Gerät aktiv wird und somit zwei Signale gleichzeitig aktiv sind. Der Anwender kann dort auftretende Kollisionen analysieren und so frequenzagile Systeme verbessern.

Frequenzmasken-Trigger für interessante Ereignisse

Bild 4: Wenn die Frequenzmaske (roter Bereich) verletzt wird, löst der Trigger aus. Die Maske lässt sich nummerisch via Tabelle eingeben oder einfach am Touchscreen definieren.Rohde & Schwarz

Die Informationen aus dem Spektrogramm oder dem Persistence-Spektrum lassen sich zudem dafür nutzen, um einen Trigger im Frequenzbereich zu definieren. Dieser Frequenzmasken-Trigger (FMT) reagiert auf Signale, die eine definierte Frequenzmaske im Spektrum verletzen. Bild 4 zeigt, wie man die Maske definiert. Bei aktivem Trigger vergleicht der R&S FSW jedes einzelne Spektrum – 600.000 pro Sekunde – mit dieser Frequenzmaske. Nur wenn die Maske verletzt wird, speichert er die Daten zur weiteren Analyse. Der Anwender kann dabei definieren, welchen Zeitbereich vor und nach dem Ereignis sein Messgerät mit aufzeichnen soll und ob es mit dem Trigger-Ereignis die Aufzeichnung stoppen oder die Analyse immer wieder neu starten soll.

Diese Funktion erlaubt es, extrem kurze Störer zu detektieren oder nur Signale zu analysieren, die eine bestimmte Frequenz und Amplitude haben. Der Anwender kann sich auf die interessanten Signale konzentrieren und muss nicht große Mengen lückenlos aufgezeichneter Daten auswerten. Die gespeicherten Signale kann er detailliert zum Beispiel im Spektrogramm analysieren, in einem externen Computer weiterverarbeiten oder mit anderen Messapplikationen im R&S FSW untersuchen.

Echtzeitanalyse mit anderen Applikationen

Bild 5: Im Echtzeit-Spektrumanalysator (oben) wird der Frequenzmasken-Trigger definiert. Die automatische Analyse der Sprungsequenz (unten) erfolgt in der Option Transientenanalyse R&S FSW-K60.Rohde & Schwarz

Die Betriebsart Multi-Standard-Real-Time (MSRT) erlaubt es, den Frequenzmasken-Trigger auch in anderen Messapplikationen zu nutzen. In einem solchen Fall agiert der Echtzeit-Spektrumanalysator als Master. Der Anwender stellt die Frequenzmaske ein und bestimmt Analysebandbreite sowie Aufzeichnungsdauer. Nachdem ein Ereignis den Trigger ausgelöst hat, werden die gewonnenen Daten den anderen Messapplikationen zur Verfügung gestellt und von diesen analysiert. Dies ist sehr hilfreich, wenn das zu analysierende Signal nur sehr selten auftritt und daher schwer zu erfassen ist.

Bild 5 zeigt eine typische Anwendung. Um die Sprungsequenz eines Senders auszumessen, der nur ab und zu aktiv ist, empfiehlt sich der Einsatz des Frequenzmasken-Triggers im Echtzeitmodus, um so bei einer bestimmten Frequenz die Messung auszulösen. Anschließend werden die Daten mit der Option „Transientenanalyse“ (R&S FSW-K60) untersucht. Die Sprungsequenz wird somit automatisch ausgewertet. Was jetzt schon bei der ersten Messung gelingt, war bisher ein aufwändiges Unterfangen, da Anwender gezwungen waren, extrem lange Datensequenzen aufzuzeichnen, in der Hoffnung, die aktive Phase des Senders zufällig zu erwischen.

Bild 6: Zwei ISM-Bänder auf einem Bild. Oben das ISM-Band bei 5,6 GHz, wo lediglich Geräte nach dem WLAN-Standard 802.11n aktiv sind. Unten im Bild sieht man das ISM-Band bei 2,4 GHz mit Bluetooth- und WLAN-Signalen.Rohde & Schwarz

Die Echtzeit-Messapplikation R&S FSW-K160R ist lediglich eine Softwareoption für den Signal- und Spektrumanalysator R&S FSW. Der Anwender benötigt dafür ansonsten nur noch die Bandbreitenerweiterung R&S FSW-B160. Der R&S FSW kann nach wie vor als normaler Spektrumanalysator dienen. Die verschiedenen Betriebsmodi sind gleichzeitig darstellbar, wie in Bild 2 ersichtlich. Man kann zwischen diesen sogenannten Kanälen einfach wechseln oder sie parallel darstellen. Anwendungen wie die Echtzeit-Messapplikation lassen sich auch mehrfach starten. Die lückenlose Spektrumanalyse ist zwar nur in einem Fenster möglich, doch Nutzer können so auf einfache Weise die Frequenzauslastung verschiedener Bänder vergleichen. Bild 6 etwa zeigt das ISM-Band bei 2,4 GHz und 5,6 GHz. Bei 5,6 GHz sind lediglich Geräte nach dem WLAN-Standard IEEE 802.11n aktiv, bei 2,4 GHz sind Bluetooth- sowie WLAN-Signale erkennbar.

Video

Rohde & Schwarz hat zur neuen Option auch ein englischsprachiges Video erstellt:

(lei)