Spektralanalysator
Ein Spektralanalysator ist ein elektronisches Messgerät zur Darstellung von elektrischen Größen im Frequenzbereich. Der Spektralanalysator ist ein Spektrometer für elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz tiefer als 300 GHz. Es gibt FFT-Analysatoren und Analysatoren nach dem Prinzip des Überlagerungsempfängers. Er ist damit das Gegenstück zum Oszilloskop, das Spannungen im Zeitbereich darstellt. Der Spektralanalysator stellt einen Verlaufsgraphen auf einem Bildschirm dar, wobei üblicherweise die (horizontale) X-Achse die Frequenzachse ist und die Amplituden auf der (vertikalen) Y-Achse abgebildet werden. Das so entstehende Bild wird als Spektrum bezeichnet.
FFT-Analysator
Das Spektrum eines Signals ist bereits eindeutig durch dessen Zeitverlauf festgelegt. Zeit- und Frequenzbereich sind dabei durch die Fourier-Transformation miteinander verknüpft. Es läßt sich daher aus einem im Zeitbereich erfassten Signal dessen Spektrum berechnen. Dabei wird vor allem ein besonders schneller Algorithmus zur Diskreten Fourier-Transformation angewandt, der als FFT (Fast Fourier Transformation) bekannt ist. FFT-Analysatoren werden in der Regel als Bestandteil eines digitalen Oszilloskops realisiert.
Analysatoren nach dem Prinzip des Überlagerungsempfänger
Aufgrund der begrenzten Bandbreite verfügbarer A/D-Wandler eignen sich FFT-Analysatoren lediglich für Messungen an niederfrequenten Signalen. Um dennoch Spektren höherfrequenter Signale bis in den Millimeterwellenbereich messen zu können, werden Spektralanalysator nach dem Prinzip des Überlagerungsempfängers verwendet. Im Unterschied zu einem Überlagerungsempfänger in einem Radio wird das zu vermessende Frequenzband entsprechend der aktuellen Spannungshöhe eines Sägezahngenerators (gleichmäßiger Anstieg und danach rascher Abfall der Spannung) durchgestimmt, d.h. die Höhe der Frequenz am Ausgang des Abstimmoszillators oder Lokaloszillators hängt von der Eingangsspannung des Lokaloszillators (LO) ab. Der Abstimmoszillator ist daher funktionell ein VCO. Das Eingangssignal des Spektralanalysators und das Ausgangssignal des LO wird jeweils in den Mischer gleitet, der daraus das Zwischenfrequenzsignal erzeugt. Das gleichgerichtete Zwischenfrequenzsignal wird nicht über einen Lautsprecher ausgegeben, sondern auf einem Bildschirm vergleichbar mit dem eines Oszilloskops dargestellt. Für die X-Ablenkung wird dann ebenfalls die Sägezahnspannung herangezogen.
Spektralanalysatoren bis 3 GHz verwenden eine Zwischenfrequenz (ZF) welche größer ist als die höchste einstellbare Messfrequenz, um die Eindeutigkeit des Empfangs zu gewährleisten. Die Mischung erfolgt mit dem Signal des Abstimmoszillators oder Lokaloszillators (LO), dessen Frequenz höher liegt als die ZF. Durch einen Tiefpass am Eingang wird der Empfang von Spiegelfrequenzen verhindert, sowie auch die Abstrahlung des LO-Signal.
Die Qualität des LO-Signals hat großen Einfluss auf Die Qualität des Spektralanalysators, da sich die spektrale Breite des LO-Signals als effektive Vergrößerung der statistischen Auflösebandbreite RBW (Resolution BandWidth) des ZF-Filters bemerkbar, Rauschseitenbänder begrenzen die Messempfindlichkeit. Relativ langsame Frequenzschwankungen des Lokaloszillators machen sich als unscharfe Anzeige bemerkbar und vergrößern die Messunsicherheit.
Auch der ZF-Filter bestimmt die Eigenschaft des Analysators. Der ZF-Verstärker ist im Allgemeinen schaltbar, so dass zusammen mit dem Eingangsabschwächer ein bzgl. Aussteuerung und Verzerrung der einzelnen Komponenten optimaler Pegelbereich eingestellt werden kann. Der Logarithmierer erlaubt die Anzeige in Dezibel, da die Ausgangsspannung des nachfolgenden Hüllkurvendetektors (kurz: Detektor) zum an ihm anliegenden Signal proportional ist. Die Ausgangsspannung des Detektors entsprecht dem zeitlichen Ablauf der Hüllkurve seines Eingangssingals. Darauf folgt das Videofilter, das die angezeigte Kurve glätten soll. Bei einer ZF um 3 GHz kann kein ausreichend schmalbandiges Bandpassfilter realisiert werden, solange keine einfachen supraleitenden Filter benutzt werden.
Mehrere Zwischenfrequenzen (ZF) zu verwenden hat den Vorteil, unerwünschte Mischprodukte zu unterdrücken. Die maximale Frequenz solcher Mischprodukte entspricht der Bandbreite des anliegenden Spektrums.