Spectrumanalyzers – lezing door Loek PE0MJX en Jac PE1KXH

Achtergrondinformatie over dit nuttige apparaat mag dan ook in de geestelijke bagage van de radioamateur niet ontbreken. Mede daarom hielden Loek PE0MJX en Jac PE1KXH tijdens de afdelingsbijeenkomst op 25 oktober van VERON Midden- en Noord-Limburg een duopresentatie over dit welhaast onmisbare meetinstrument. De belangstelling voor hun lezing was groot: meer dan dertig leden bezochten de bijeenkomst.

Lees hier een uitgebreide samenvatting.

Wat is een spectrumanalyzer?

Een spectrumanalyzer is een meetinstrument dat de frequentie-inhoud van een aangeboden ingangssignaal vaststelt en deze grafisch weergeeft. Met andere woorden: een spectrumanalyzers gaat na uit welke frequentiecomponenten een signaal bestaat. Het is daarbij belangrijk om te weten dat bijna ieder signaal kan worden beschouwd als een optelsom van verschillende sinusvormige signalen met verschillende frequenties, amplitudes en fases. Een spectrumanalyzer geeft als functie van de frequentie (weergegeven op de horizontale as op het scherm) de gemeten amplitude op de verticale as weer. Die presentatie op het scherm wordt ook wel het “(frequentie)spectrum” genoemd.

Faseverschillen kan een spectrumanalyzer niet meten, een vectornetwerkanalyzer (VNA) kan dat weer wel.

Geschiedenis

Jac PE1KXH begint de duopresentatie met een historisch overzicht van spectrumanalyzers. Hij start met de Polarad UPM-84 uit 1955. Dat apparaat kan frequenties tot 40 GHz meten en weegt maar liefst 50 kg.

Tien jaar later is het aantal aanbieders van spectrumanalyzers flink gestegen. Onder andere de volgende fabrikanten bieden de apparaten aan: Tektronix, Siglent, Polarad, Advantest, Takeda Riken, R&S, HAMEG, Anritsu, Marconi, W&G en Rigol Eaton. De prijzen variëren van duizenden tot tienduizenden euro’s (toen nog guldens…). Sommige historische apparaten kosten nog steeds duizenden euro’s op de tweedehands radiomarkt. Zo “doet” de Agilent E440x ESA vandaag de dag nog zo’n €3000,- tot €5000,-.

Een belangrijk moment in de geschiedenis van de spectrumanalyzer is wanneer langzaam afscheid wordt genomen van de puur analoge apparaten en de (gedeeltelijk) digitale hun intrede doen. Voorbeelden van de digitale varianten uit 2015 en 2016 zijn de Rigol DSA815 en de Siglent SVA1015. Tot de dag van vandaag houden de firma’s Rigol en Siglent elkaar strak in de gaten. Als de een met een bepaalde vernieuwing komt, volgt de ander spoedig daarna.

De verandering van de technologie veroorzaakt ook een aanzienlijk prijsdaling van de meetinstrumenten. Voor bedragen tussen de €1000,- en €1500,- zijn al geavanceerde analyzers verkrijgbaar met een meetbereik tot zo’n 1,5 GHz.

Jac eindigt het historische overzicht met de door de Nederlander Erik Kaashoek ontworpen tinySA Ultra, een kleine spectrumanalyzer met een prijs van zo’n €150,-. Ondanks de geringe afmetingen is dit opensource-meetinstrument volledig functioneel en uitstekend bruikbaar voor de gemiddelde amateur.

Theorie

Alvorens in te gaan op de interne opbouw van een spectrumanalyzer, legt Loek eerst een aantal basisbegrippen uit. Onder andere de concepten frequentie, spectrum en amplitude passeren de revue.

Speciale aandacht is er voor de eenheid dBm, de decibel ten opzichte van 1 mW vermogen. dBm’s worden gebruikt als eenheid voor de waarde van de amplitude van een gemeten frequentiecomponent. Met andere woorden: dBm is de eenheid van de verticale as op het scherm van een spectrumanalyzer.

De decibel zelf is een relatieve, logaritmische maat, die ook zendamateurs veel gebruiken. Denk bijvoorbeeld aan de S-schaal voor ontvangststerkte: het verschil tussen twee opeenvolgende S-punten komt steeds overeen met 6 dB. Met een spectrumanalyzer wil je echter ook absolute metingen kunnen doen. Daarom gebruiken we de dB ten opzicht van de vaste referentie 1 mW, de dBm.  Een waarde van 0 dBm komt dus overeen met 1 mW, 10 dBm met 10 mW, 20dBm met 100 mW, -10dBm met 0,1 mW en -20dBm met 0,01 mW.

Spectrumanalyzer als superheterodyne ontvanger

De interne opbouw van een analoge spectrumanalyzer lijkt verdacht veel op die van een superheterodyne radio-ontvanger. Nadat het ingangssignaal voldoende verzwakt en gefilterd is, volgt een mixer die het ingangssignaal transformeert naar een middenfrequentie (IF). Een regelbare zaagtandgenerator (Engels: sweep generator) varieert daarbij de frequentie van de local oscillator lineair over een ingesteld frequentiebereik. Het signaal van de zaagtandgenerator vormt tevens de basis voor de horizontale afbuiging op het display.

Na eventuele versterking, verzwakking en filtering wordt het middenfrequentsignaal aangeboden aan een logaritmische versterker. Deze stap is nodig om de logaritmische dBm-schaal te realiseren. Na logaritmische versterking volgt de meting van de amplitude (envelop detector). Die amplitude vormt de basis voor de verticale afbuiging op het display.

Moderne, digitale spectrumanalyzers

Anders dan een analoge spectrumanalyzer (SA), beschikt een (gedeeltelijk) digitale niet over een local oscillator waarvan de frequentie lineair varieert om de complete, ingestelde frequentieband af te zoeken. Ook heeft de digitale variant geen analoge logaritmische versterker en envelop detector.

In plaats daarvan heeft de digitale SA een analoog-digitaalomzetter (ADC), waarmee het analoge middenfrequentsignaal wordt bemonsterd (omgezet in een reeks digitale metingen/getallen als functie van de tijd). De zo verkregen reeks van getallen wordt vervolgens in het digitale domein wiskundig omgerekend van het tijddomein naar het frequentiedomein. Deze omrekening staat bekend als de fouriertransformatie en het gebruikte algoritme als de fast fourier transform (FFT). De zo verkregen representatie in het frequentiedomein is niets anders dan een deel van het spectrum waar we in geïnteresseerd zijn en dat op het digitale display kan worden weergegeven.

Omdat er geen analoog-digitaalomzetters bestaan die in één keer signalen kunnen bemonsteren waarin (zeer) hoge frequenties voorkomen (zie ook: Nyquist-frequentie), is het toch nodig om met een of meerdere middenfrequenties te werken. Steeds wordt dan een segment van de te onderzoeken frequentieband naar de middenfrequentband getransformeerd om vervolgens bemonsterd en met een FFT omgezet te worden naar het frequentiedomein. Dus ook bij een digitale SA zal de frequentie van de local oscillator variëren, maar – anders dan bij de analoge SA – stapsgewijs, om steeds het volgende frequentiebandsegment naar de middenfrequentband te transformeren.

Uiteindelijk worden de door de FFT berekende deelspectra van de verschillende bandsegmenten gecombineerd tot het totale spectrum en weergegeven op het display.

Toepassingen van de spectrumanalyzer

Voor de zendamateur liggen de toepassingen van een spectrumanalyzer voor de hand. De meest voorkomende is waarschijnlijk het vaststellen of harmonische frequenties (veelvouden van de gewenste frequentie) van een zendereindtrap voldoende onderdrukt worden. Een andere belangrijke is het vaststellen of een SSB/AM-zender goed lineair werkt.

Een derde toepassing is het bepalen van het frequentiegedrag van een filter, bijvoorbeeld van een banddoorlaat- of een laagdoorlaatfilter. Voor deze laatste toepassing is behalve een spectrumanalyzer ook een zogenoemde volggenerator (Engels: tracking generator) nodig. Dat is een signaalgenerator die een sinusvormig signaal genereert met een frequentie die “meeloopt” met de frequentie die de spectrumanalyzer meet. De volggenerator is vaak ingebouwd in een spectrumanalyzer. Het signaal van de tracking generator wordt aangeboden aan de ingang van het te meten filter. De uitgang is verbonden met de ingang van de spectrumanalyzer, waardoor deze als functie van de frequentie meet in welke mate het filter het signaal van de volggenerator verzwakt (of juist niet, in de doorlaatband). Dat is precies wat je weten wil.

Ook de staandegolfverhouding (SWR) van een antenne – of eigenlijk het gereflecteerde vermogen, waar de SWR uit afgeleid kan worden – kan gemeten worden met een spectrumanalyzer. Wel is dan niet alleen een volggenerator nodig, maar ook een SWR-brug of richtkoppeling (Engels: directional coupler).

Slotopmerking

Aan het einde van de presentatie drukken Loek en Jac hun publiek nog stevig op het hart om steeds zorgvuldig na te gaan welk vermogen maximaal aangeboden wordt aan een spectrumanalyzer. Het aanbieden van een te hoog vermogen leidt namelijk onherroepelijk tot het defect raken van het kostbare instrument. Tot het instrumentarium van de gebruiker behoort dan ook steevast een verzameling geschikte verzwakkers, om een te hoog vermogen naar de juiste proporties terug te brengen.

 

Dit artikel verscheen eerder op de website van VERON Midden- en Noord-Limburg: https://a31.veron.nl/.