Spek­trumana­ly­sa­tor, Teil 2

Nach­dem im ersten Teil eini­ge spek­tra­le Mes­sun­gen des Sig­lent SSA3032X Plus im Ver­gleich zum Rigol DSA815-TG gezeigt wur­den, sol­len in die­sem Teil nun Ver­gleichs­mes­sun­gen mit den ein­ge­bau­ten Tracking­gene­ra­to­ren (TG) durch­ge­führt werden.

Die Funk­ti­on eines Tracking­gene­ra­tors ist schnell erklärt: er gene­riert ein Signal mit genau der Fre­quenz, die der Spek­trumana­ly­sa­tor (SA) zu die­sem Zeit­punkt gera­de mißt. Damit ist sei­ne Funk­ti­on die eines klas­si­schen Wob­bel­sen­ders, nur daß eben der Detek­tor in Form des SA bereits ein­ge­baut ist. Ein SA mit TG gestat­tet damit ohne wei­te­re Hard­ware Trans­mis­si­ons­mes­sun­gen (s21), mit einem exter­nen Richt­kopp­ler aber auch Refle­xi­ons­mes­sun­gen (s11). Anders als mit einem vek­to­ri­el­len Netz­werk­ana­ly­sa­tor (VNA) geht bei­des aber nur ska­lar, nicht vek­to­ri­ell. Pha­sen­ver­schie­bun­gen kann ein SA mit TG also nicht erkennen.

Trans­mis­si­ons­mes­sun­gen

Bei allen Durch­gangs­mes­sun­gen wird zunächst eine Refe­renz­mes­sung durch­ge­führt, indem der TG-Aus­gang and den SA-Ein­gang mit einem mög­lichst kur­zen und hoch­wer­ti­gen Kabel kurz­ge­schlos­sen wird. Die­ses Meß­er­geb­nis wird als Refe­renz gespei­chert und alle wei­te­ren Mes­sun­gen dar­auf bezogen.

Iso­la­ti­ons­mes­sung

Zunächst muß man fest­stel­len, wel­che Dyna­mik man im Meß­be­reich über­haupt erwar­ten kann. Es ist unver­meid­lich, daß ein gerin­ger Teil des TG-Aus­gangs­si­gnals bereits intern in den hoch­emp­find­li­chen Ein­gang des SA leckt. Egal was man anschlie­ßend außen anschließt, die­ses Leck kann man nicht mehr besei­ti­gen. Es bestimmt also den mini­ma­len Pegel, den man mes­sen kann.

Für die Iso­la­ti­ons­mes­sun­gen wer­den bei­de Buch­sen offen gelassen.

Bes­se­re Iso­la­ti­ons­wer­te als die hier gemes­se­nen grob ‑35 bis ‑45 dB beim DSA815 und ‑45 bis ‑55 dB beim SSA3032X Plus wird man also beim Anschluß eines Test­ob­jekts nicht erwar­ten können.

Mes­sung von Kabeldämpfungen

Rea­le Kabel sind bekannt­lich nicht ver­lust­frei, Koaxi­al­ka­bel schon gar­nicht. Daher soll jetzt als ein­fach­ste Übung die Dämp­fung eines 20 m lan­gen RG-58 und eines 25 m lan­gen RG-174 Kabels über der Fre­quenz gemes­sen wer­den. Hier die ver­wen­de­ten Testobjekte:

…und hier die Meß­er­geb­nis­se der Durchgangsmessungen:

Die Mes­sun­gen zei­gen fre­quenz­ab­hän­gi­ge Wel­lig­kei­ten, die auf Feh­ler in der Anpas­sung zurück­zu­füh­ren sind. Sie sind ver­mut­lich auf Abwei­chun­gen des Wel­len­wi­der­stands des Kabels zu den 50 Ohm der Quel­le und des Meß­ein­gangs zurückzuführen.

Die gemes­se­nen Dämp­fun­gen sind im wesent­li­chen kon­si­stent. Klei­ne­re Abwei­chun­gen erge­ben sich, wenn der Mar­ker gera­de auf einem Berg oder Tal der Wel­lig­keit steht. Beim RG-174 Kabel kom­men bei­de Meß­in­stru­men­te bei den hohen Fre­quen­zen an ihre ein­gangs gemes­se­ne Iso­la­ti­ons­gren­ze. Die hier gefun­de­nen Dämp­fungs­wer­te stim­men im Rah­men der Meß­ge­nau­ig­keit mit den publi­zier­ten Daten überein.

Mes­sun­gen pas­si­ver Filter

In der Bastel­ki­ste fan­den sich eini­ge pas­si­ve Fil­ter, die vor vie­len Jah­ren mit dem Ansoft Desi­gner SV ent­wor­fen und auf FR‑4 Lei­ter­plat­ten­ma­te­ri­al gefräst wur­den. Als Bei­spie­le wur­de ein 435 MHz und ein 850 MHz Band­pass-Fil­ter aus­ge­wählt. Das 435 MHz Fil­ter ist ein Strei­fen­lei­tungs­fil­ter und das 850 MHz Fil­ter ist ein LC-Fil­ter, bei dem jedoch die Induk­ti­vi­tä­ten und ein Teil der Kapa­zi­tä­ten als Lei­ter­bahn­ele­men­te aus­ge­führt sind. Hier sind Fotos der ver­wen­de­ten Filter:

Eine Sei­te der Fil­ter ist jeweils eine durch­ge­hen­de Mas­se­flä­che und die ande­re Sei­te stellt die Fil­ter­struk­tur dar. Das Inter­di­gi­tal-Fil­ter besteht nur aus vier Microstrip-Lei­tun­gen, deren Dimen­sio­nen und Abstand vom Fil­ter-Design­pro­gramm errech­net werden.

Das LC-Fil­ter besteht aus drei kapa­zi­tiv gekop­pel­ten Par­al­lel­schwing­krei­sen. Die run­den Kup­fer­flä­chen sind Kon­den­sa­to­ren mit etwa 7 pF zur gegen­über­lie­gen­den Mas­se­flä­che und die klei­nen etwa 10 mm lan­gen Lei­ter­bah­nen sind dazu par­al­lel­ge­schal­te­te Induk­ti­vi­tä­ten von jeweils etwa 5 nH. Sie sind am ande­ren Ende zur Mas­se­flä­che durch­kon­tak­tiert. Als Kop­pel­kon­den­sa­to­ren sind 0.75 pF Kera­mik­kon­den­sa­to­ren der Grö­ße 0805 ein­ge­setzt. War­um die gan­ze Fil­ter­struk­tur nicht um 180° gedreht ist, damit die Lei­tungs­län­gen kür­zer wer­den, ist mir übri­gens heu­te auch nicht mehr klar.

Die Ansoft Simu­la­ti­on ergibt fol­gen­de Durchgangscharakteristiken:

Bei dem 435 MHz Microstrip-Fil­ter erkennt man deut­lich deren prin­zi­pi­el­le Eigen­schaf­ten: sie las­sen nicht nur die Grund­wel­le durch, son­dern auch deren Ober­wel­len. Die Schmal­band­mes­sun­gen zei­gen den 10 dB Durch­gangs­be­reich des Fil­ters, der bei etwa 50 MHz Band­brei­te liegt. Es gibt klei­ne Unter­schie­de in den Mes­sun­gen, die man nicht über­be­wer­ten soll­te. Eine erneu­te Mes­sung wird bei jedem der Gerä­te wie­der Abwei­chun­gen zei­gen. Bei­de Schmal­band­mes­sun­gen zei­gen eine gute Über­ein­stim­mung der Durch­lass­kur­ve mit der Simu­la­ti­on. Auch die Mit­ten­fre­quenz stimmt recht gut. Die Dämp­fung des rea­len Fil­ters ist gering­fü­gig höher als simuliert.

Das 850 MHz LC-Fil­ter hat dage­gen nur einen ein­zi­gen aus­ge­präg­ten Durch­lass­be­reich, näm­lich um 800 MHz her­um. Er liegt damit also etwa 50 MHz unter dem simu­lier­ten Durch­lass­be­reich. Das ist sicher­lich auf Unge­nau­ig­kei­ten beim Frä­sen der Lei­ter­plat­te oder Abwei­chun­gen von der tat­säch­li­chen Dielek­tri­zi­täts­kon­stan­te zurück­zu­füh­ren und spielt hier beim Ver­gleich der bei­den Spek­trumana­ly­sa­to­ren kei­ne Rol­le. Bei­de Gerä­te sehen die Dämp­fung im Durch­lass­be­reich über­ein­stim­mend bei etwas über 7 dB und die 3 dB Band­brei­te bei etwa 60 MHz.

23 cm LNA mit MMIC

Zum Abschluß der Trans­mis­si­ons­mes­sun­gen soll noch ein akti­ver Vor­ver­stär­ker gezeigt wer­den, ein LNA mit einem „Mono­li­thic Micro­wa­ve IC“, MMIC. Der hier ein­ge­setz­te Typ ist ein MGA-62563 von Ava­go. Er soll laut Daten­blatt 17 dB Gewinn im 23 cm Band erzie­len. Auch hier ist wie­der ein Microstrip-Fil­ter vor­ge­schal­tet, das eini­ge dB Ver­lust erzeugt, so daß am Ende ein Gewinn von etwa 10 dB zu erwar­ten ist. Hier zwei Fotos des Prototypen:

Die Ansoft Simu­la­ti­on lässt fol­gen­de Durch­gangs­cha­rak­te­ri­stik erwarten:

23 cm LNA mit MGA-62563, simulierte Durchgangscharakteristik
23 cm LNA mit MGA-62563, simu­lier­te Durchgangscharakteristik

Tat­säch­lich gemes­sen wur­de fol­gen­de Charakteristik:

Bei­de Instru­men­te zei­gen eine Ver­stär­kung von knapp 11 dB im 23 cm Band. Unter Berück­sich­ti­gung der Ver­lu­ste des Ein­gangs­fil­ters deckt sich das mit der laut Daten­blatt zu erwar­ten­den Ver­stär­kung von 17 dB. Die 10 dB Band­brei­te beträgt über­ein­stim­mend etwa 270 MHz. Wegen des erwei­ter­ten Fre­quenz­be­reichs sieht der Sig­lent SSA3032X-Plus auch den Durch­lass­be­reich der ersten Ober­wel­le bei 2.6 GHz. Auch für die­sen Bereich wur­de eine Schmal­band­mes­sung durch­ge­führt, die immer­hin noch eine Dämp­fung um 10 dB zeigt. Auch hier deu­tet die Wel­lig­keit im Durch­lass­be­reich wie­der auf Abwei­chun­gen der Anpas­sung hin.

Refle­xi­ons­mes­sun­gen

Mit Hil­fe eines exter­nen Refle­xi­ons­meß­kop­fes kann man mit einem Tracking­gene­ra­tor auch Ein­port-Mes­sun­gen, z.B. an Anten­nen durch­füh­ren. Der Tracking­gene­ra­tor speist dabei den Ein­gang des Meß­kop­fes und das Meß­ob­jekt wird an den Aus­gang ange­schlos­sen. Der Spek­trumana­ly­sa­tor mißt die reflek­tier­te Lei­stung. Das ent­spricht einer s11-Mes­sung, auch hier aller­dings wie­der nur skalar.

Vor der eigent­li­chen Mes­sung muß eine Refe­renz­mes­sung mit offe­nem oder kurz­ge­schlos­se­nem Aus­gang durch­ge­führt wer­den. Die Meß­kur­ve wird als Refe­renz­si­gnal gespei­chert und alle wei­te­ren Mes­sun­gen bezie­hen sich dann auf die­se Referenz.

Hier zunächst Fotos des Meß­kop­fes und des Meßobjekts:

Bao­feng Wendelantenne

Die Spe­zi­fi­ka­ti­on der Meß­kop­fes ist auf 0,1 .. 500 MHz begrenzt, daher bie­tet sich die Mes­sung einer Wen­del­an­ten­ne an. Sie wird im Zim­mer mit einem klei­nen Schraub­stock fixiert, damit die Mes­sun­gen halb­wegs repro­du­zier­bar sind. Das funk­tio­nier lei­der nur annä­hernd, denn die Bewe­gung einer Per­son im Raum oder schon eine Hand­be­we­gung führt zu Ände­run­gen am Meß­er­geb­nis. Daher soll­ten die fol­gen­den Mes­sun­gen mit der berühm­ten Pri­se Salz betrach­tet werden.

Die Meß­er­geb­nis­se:

Die Mes­sun­gen zei­gen jeweils die fre­quenz­ab­hän­gig reflek­tier­te Ener­gie an. Bei den Fre­quen­zen, an denen die Anten­ne Ener­gie abstrahlt, erreicht die reflek­tier­te Ener­gie ein Mini­mum. Ist die reflek­tier­te Ener­gie hoch, kann sie nicht abge­strahlt wor­den sein. Bei die­sen Fre­quen­zen ist die Anten­ne also ziem­lich wirkungslos.

Auf den Breit­band­mes­sun­gen erkennt man Reso­nan­zen bei etwa 150 MHz, 380 MHz und 420 MHz. Bei den wei­te­ren Mes­sun­gen sind jeweils noch­mal die Berei­che um 150 MHz und um 400 MHz her­aus­ge­zoomt. Bei 150 MHz ist eine Rück­fluß­dämp­fung zwi­schen 8 und 11 dB zu sehen. Die Unter­schie­de sol­len aus den oben genann­ten Grün­den nicht bewer­tet wer­den. Eine Rück­fluß­dämp­fung von 10 dB bedeu­tet, daß von der ein­ge­spei­sten Lei­stung 10% zurück­flie­ßen, also 90% abge­strahlt wur­den. Das ist nicht ganz schlecht. Bei 380 und 420 MHz mes­sen bei­de Gerä­te eine Rück­fluß­dämp­fung von mehr als 30 dB, es wird also 99,9% der ein­ge­spei­sten Lei­stung abge­strahlt. Das ist gut.

Bei Refle­xi­ons­mes­sun­gen ist es ganz prak­tisch, wenn der SA nicht nur posi­ti­ve, son­dern auch nega­ti­ve Peaks fin­den und in der Tabel­le dar­stel­len kann. Im Gegen­satz zum DSA815-TG kann der SSA3032X-Plus das.

Zusam­men­fas­sung

Bei­de Spek­trumana­ly­sa­to­ren haben einen ein­ge­bau­ten Tracking­gene­ra­tor, der jeweils in der Stan­dard­aus­füh­rung bereits ohne sepa­ra­te Lizenz frei­ge­schal­tet ist. Er ist ein sehr nütz­li­ches Werk­zeug, das bis zu einem gewis­sen Gra­de einen vek­to­ri­el­len Netz­werk­ana­ly­sa­tor erset­zen kann.

Die Iso­la­ti­on des Tracking­gene­ra­tors ist beim SSA3032X-Plus etwa 10 dB bes­ser als beim DSA815-TG. Das gestat­tet genaue­re Mes­sun­gen im Sperr­be­reich von Fil­tern. Der grö­ße­re Bild­schirm des Sig­lent erlaubt es, mehr Infor­ma­ti­on dar­zu­stel­len, ohne zu gro­ße Abstri­che bei der Anzei­ge der Meß­kur­ve zu machen.

Der SSA3032X-Plus ist bei den Mes­sun­gen gene­rell deut­lich schnel­ler, als der DSA815 und die Bedie­nung vom PC über das Web-Inter­face ist ein­fach Stand der Tech­nik. Mit einem Klick wird ein Screen­shot direkt auf die Fest­plat­te gespei­chert, wo man beim DSA815 erst umständ­lich mit einem USB-Stick han­tie­ren muß. Dabei dau­ert das Abspei­chern eines klei­nen PNG-Files dann auch noch eine gefühl­te Ewig­keit. An der Bedie­nung merkt man die zehn Jah­re Entwicklungsfortschritt.

Daß der SSA3032X-Plus im Gegen­satz zum DSA815-TG einen deut­lich erwei­ter­ten Fre­quenz­be­reich hat, soll hier nicht bewer­tet wer­den. Es gibt zu höhe­ren Kosten auch von Rigol eine 3.2 GHz Vari­an­te, den DSA832E-TG, und von Sig­lent eine preis­gün­sti­ge­re 1,5 GHz Vari­an­te, den SSA3015X Plus. Die gerin­ge­re RBW und das nied­ri­ge­re Pha­sen­rau­schen des SSA3032X-Plus kön­nen die hier gezeig­ten Mes­sun­gen mit dem Tracking­gene­ra­tor nicht aus­nut­zen. Dazu wären wei­te­re Schmal­band­mes­sun­gen, z.B. von Quar­zen, viel­leicht ganz hilf­reich. Für sol­che Mes­sun­gen ver­wen­de ich aller­dings den VNA und pla­ne auch nicht, das zukünf­tig mit dem Spek­trumana­ly­sa­tor zu machen.

Ein neu­er Spek­trumana­ly­sa­tor muß her!

Vor­über­le­gun­gen

Die Histo­rie

Vor knapp zehn Jah­ren habe ich mir mei­nen ersten Spek­trumana­ly­sa­tor (SA) gekauft, einen DSA815-TG der Fir­ma Rigol. Es ist ein für Ama­teur­zwecke recht brauch­ba­res Gerät, das damals knapp 1500 Euro geko­stet hat und heu­te immer noch für gut 1000 Euro ver­füg­bar ist. Er hat aller­dings sei­ne Schwä­chen. Die klein­ste Auf­lö­sungs­band­brei­te (RBW) war sei­ner­zeit 100 Hz, konn­te durch einen Soft­ware­up­date aber auf 10 Hz redu­ziert wer­den. Das ist gar­nicht so schlecht, damit kann man arbei­ten. Als stö­rend erweist sich aber das rela­tiv hohe Pha­sen­rau­schen ins­be­son­de­re beim Mes­sen von Oszil­la­to­ren. Das Daten­blatt gibt für einen Abstand von 10 kHz einen Wert <-80dBc/Hz an. Es wird schlech­ter, je näher man an den Trä­ger kommt. Das ist, wenn über­haupt, nicht viel bes­ser als das Pha­sen­rau­schen eines selbst­ge­bau­ten Oszil­la­tors. Den kann man daher nicht qua­li­fi­ziert mes­sen, denn man kann das Pha­sen­rau­schen des Oszil­la­tors nicht von dem des SA unterscheiden.

Ein wei­te­rer klei­ner Nach­teil ist die Maxi­mal­fre­quenz von 1,5 GHz. Das ist natür­lich für alle Kurz­wel­len­bän­der inklu­si­ve 2 m und 70 cm völ­lig aus­rei­chend. Auf den ersten Blick reicht es auch für 23 cm, aber es kann ein Nach­teil sein, daß man da nicht ein­mal die zwei­te Ober­wel­le geschwei­ge denn die oft wich­ti­ge­re drit­te Ober­wel­le beob­ach­ten kann. Der Tracking­gene­ra­tor ist ein hilf­rei­ches Werk­zeug, um s21-Para­me­ter und mit einem exter­nen Richt­kopp­ler auch s11-Para­me­ter zu mes­sen, wenn auch bei­de nur ska­lar und nicht vek­to­ri­ell. Will man bei­spiels­wei­se ein Band­pass­fil­ter für das 23 cm Band mes­sen, dann ist es sehr hilf­reich, deut­lich über die Band­gren­zen hin­aus­zu­ge­hen und nicht gleich am Ban­den­de schon blind zu sein.

Der heu­ti­ge Stand der Technik

Kurz und gut, ich brau­che einen neu­en Spek­trumana­ly­sa­tor! Für Ama­teur­zwecke und Ama­teur­bud­gets kom­men nur Gerä­te chi­ne­si­scher Pro­ve­ni­enz in Fra­ge, dar­un­ter beson­ders die von Rigol und Sig­lent. Bei bei­den Her­stel­lern kann man aus einem brei­ten Preis- und Lei­stungs­spek­trum aus­wäh­len. Die erste Fra­ge, die jeder für sich sel­ber klä­ren muß, ist die, ob ein vek­to­ri­el­ler Netz­werk­ana­ly­sa­tor (VNA) ein­ge­baut sein soll. Einen Tracking­gene­ra­tor haben die mei­sten Gerä­te sowie­so ein­ge­baut und auch frei­ge­schal­tet. Da ist es zum VNA nicht mehr weit, aber ob der Auf­preis gerecht­fer­tigt ist, muß jeder sel­ber entscheiden.

Da ich bereits einen bis 1,3 GHz gut funk­tio­nie­ren­den VNA (von DG8SAQ) habe und mich die tech­ni­schen Daten der SA mit VNA nicht wirk­lich über­zeugt haben, habe ich mich auch wegen des Auf­prei­ses von etwa 600 Euro gegen den eige­bau­ten VNA ent­schie­den. Für etwa 660 Euro gibt es den LibreV­NA, der immer­hin bis 6 GHz nutz­bar ist. Letzt­lich habe ich mich daher für den Sig­lent SSA3032X Plus ohne ein­ge­bau­ten VNA ent­schie­den, der gera­de so in das ver­füg­ba­re Bud­get gepasst und mei­ne Anfor­de­run­gen erfüllt hat.

Daves Vor­ar­beit

EEV­blog-Dave hat in einem sei­ner sehens­wer­ten und unnach­ahm­li­chen Vide­os den Sig­lent SSA3021X mit dem Rigol DSA815 (Video #891) ver­gli­chen und in einem wei­te­ren Video (#892) auch den SSA3021X auf­ge­schraubt. Der Sig­lent SSA3021X ist funk­tio­nal weit­ge­hend iden­tisch mit dem SSA3032X Plus. Er ist aller­dings auf 2.1 GHz limi­tiert, hat kein Web­in­ter­face und kei­nen Touchscreen.

Ver­gleichs­mes­sun­gen des SSA3032X Plus gegen­über dem DSA815-TG

In die­sem Bei­trag wer­de ich eini­ge Ver­gleichs­mes­sun­gen der bei­den genann­ten Gerä­te durch­füh­ren und die jewei­li­gen Meß­er­geb­nis­se per Screen­shot dar­stel­len. Als Meß­ob­jek­te wur­de der Ama­teur­funk­trans­cei­ver IC-7300 und ver­schie­de­ne Test­schal­tun­gen ver­wen­det, die sich noch in der Bastel­ki­ste fan­den. Letz­te­re erhe­ben kei­ner­lei Anspruch auf tech­ni­sche Mei­ster­lei­stun­gen. Ganz im Gegen­teil, es sind zum Teil gefrä­ste Pro­to­ty­pen mit unter­durch­schnitt­li­cher Per­for­mance. Gera­de des­halb eig­nen sie sich aber gut, um als Ver­gleichs­ob­jek­te zu dienen.

Damit die­ser Arti­kel nicht über­la­den wird, ver­schie­be ich die ursprüng­lich geplan­ten Refle­xi­ons- und Trans­mis­si­ons­mes­sun­gen mit dem jeweils ein­ge­bau­ten Tracking­gene­ra­tor auf einen zwei­ten Teil. Hier wer­den also nur Spek­tren gemessen.

Rausch­pe­gel bei offe­nem Eingang

Genau wie Dave in sei­nem Video, schlie­ße ich erst mal gar­nichts an. Hier ist also das dar­ge­stell­te Rau­schen bei offe­nem Ein­gang, jeweils für RBW=VBW=1MHz (gelb), 100 kHz (rot) und 10 kHz (blau).

DS815-TG, Quelle: keine, Center: 750 MHz, Span: 1500 MHz, RBW=VBW: 1000/100/10 kHz, Attn: 0dB, PA ausgeschaltet
DS815-TG, Quel­le: kei­ne, Cen­ter: 750 MHz, Span: 1500 MHz, RBW=VBW: 1000÷100÷10 kHz, Attn: 0dB, PA ausgeschaltet
SSA3032X-Plus, Quelle: keine, Center: 750 MHz, Span: 1500 MHz, RBW=VBW: 1000/100/10 kHz, Attn: 0dB, PA ausgeschaltet
SSA3032X-Plus, Quel­le: kei­ne, Cen­ter: 750 MHz, Span: 1500 MHz, RBW=VBW: 1000÷100÷10 kHz, Attn: 0dB, PA ausgeschaltet

Dave spricht beim Rigol von ‑65 dBm, ‑75 dBm und ‑85 dBm und beim Sig­lent von ‑85 dBm, ‑90 dBm und ‑100 dBm (@ RBW=1 MHz, 100 kHz und 10 kHz), zumin­dest am Anfang des jewei­li­gen Fre­quenz­be­rei­ches. Das kann ich für den Rigol bestä­ti­gen, aber nicht ganz für den Sig­lent. Da mes­se ich jeweils etwa 2 bis 5 dB schlech­te­re Wer­te. Wie auch Dave schon fest­stellt, ist der Fre­quenz­gang beim Sig­lent glat­ter als beim Rigol.

Die näch­sten bei­den Screen­shots zei­gen die­sel­ben Mes­sun­gen mit ein­ge­schal­te­tem Vor­ver­stär­ker (pream­pli­fier, PA).

DS815-TG, Quelle: keine, Center: 750 MHz, Span: 1500 MHz, RBW=VBW: 1000/100/10 kHz, Attn: 0dB, PA eingeschaltet
DS815-TG, Quel­le: kei­ne, Cen­ter: 750 MHz, Span: 1500 MHz, RBW=VBW: 1000÷100÷10 kHz, Attn: 0dB, PA eingeschaltet
SSA3032X-Plus, Quelle: keine, Center: 750 MHz, Span: 1500 MHz, RBW=VBW: 1000/100/10 kHz, Attn: 0dB, PA eingeschaltet
SSA3032X-Plus, Quel­le: kei­ne, Cen­ter: 750 MHz, Span: 1500 MHz, RBW=VBW: 1000÷100÷10 kHz, Attn: 0dB, PA eingeschaltet

Hier bestä­ti­gen sich die von Dave gemes­se­nen Wer­te zumin­dest annä­hernd: ‑90 dBm, ‑100 dBm und ‑110 dBm beim Rigol und ‑102 dBm, ‑108 dBm und ‑120 dBm beim Sig­lent. Bei den ‑120 dBm muß ich aber schon bei­de Augen zudrücken.

Den­noch ist der Sig­lent sowohl mit als auch ohne PA 10 bis 15 dB bes­ser. Und nicht ver­ges­sen, Dave hat den SSA3021X gemes­sen und nicht den SSA3032X-Plus.

Spek­trum einer DDS mit AD9834

Ein klei­ner Ver­suchs­auf­bau mit einer AD9834 DDS Schal­tung (10-bit DAC) wird mit einem 75 MHz Quarz­os­zil­la­tor außer­halb sei­ner Spe­zi­fi­ka­ti­on betrie­ben, die für die gewähl­te Vari­an­te AD9834BRU eigent­lich nur 50 MHz zulässt. Die Aus­gangs­fre­quenz ist auf 10,7 MHz ein­ge­stellt. Das Tief­pass­fil­ter am Aus­gang ist nicht opti­miert, wie die Breit­band Spek­tral­ana­ly­se zeigt. Bei­de Gerä­te kön­nen eine Tabel­le der gemes­se­nen Peaks anzeigen:

DS815-TG, Quelle: AD9834, Center: 50 MHz, Span: 100 MHz, RBW: 10 kHz, VBW: 10 kHz mit Peak Tabelle
DS815-TG, Quel­le: AD9834, Cen­ter: 50 MHz, Span: 100 MHz, RBW: 10 kHz, VBW: 10 kHz mit Peak Tabelle

SSA3032X-Plus, Quelle: AD9834, Center: 50 MHz, Span: 100 MHz, RBW: 10 kHz, VBW: 10 kHz mit Peak Tabelle
SSA3032X-Plus, Quel­le: AD9834, Cen­ter: 50 MHz, Span: 100 MHz, RBW: 10 kHz, VBW: 10 kHz mit Peak Tabelle

Man erkennt die DDS-Takt­fre­quenz von 75 MHz, die ein­ge­stell­te Aus­gangs­fre­quenz von 10,7 MHz, die jewei­li­gen Spie­gel­fre­quen­zen bei 75 MHz +/- 10,7 MHz.

Nach­fol­gend soll nur das Spek­trum um 10,7 MHz mit ver­schie­de­nen Band- und Spann­brei­ten unter­sucht wer­den. Begin­nen wir bei einer Spann­brei­te von 1 MHz und einer RBW=VBW von 30 Hz:

DS815-TG, Quelle: AD9834, Center: 10.7 MHz, Span: 1 MHz, RBW: 30 Hz, VBW: 30 Hz
DS815-TG, Quel­le: AD9834, Cen­ter: 10.7 MHz, Span: 1 MHz, RBW: 30 Hz, VBW: 30 Hz

SSA3032X-Plus, Quelle: AD9834, Center: 10.7 MHz, Span: 1 MHz, RBW: 30 Hz, VBW: 30 Hz
SSA3032X-Plus, Quel­le: AD9834, Cen­ter: 10.7 MHz, Span: 1 MHz, RBW: 30 Hz, VBW: 30 Hz

Bei­de Gerä­te sehen den Trä­ger bei 10,7 MHz und etwa ‑9,5 dBm. Die gerin­gen Abwei­chun­gen sind irrele­vant und sie ändern sich bei jedem der Gerä­te mit jedem Durch­gang. Bei­de Gerä­te sehen auch die Spu­ren bei +/- 400 kHz bei knapp ‑90 dBm.

Eine wei­te­re Spur bei 10,6 MHz sieht aber nur der Rigol deut­lich, beim Sig­lent ver­schwin­det sie im Rau­schen. Außer­dem steigt das Rau­schen beim Sig­lent stär­ker an, als beim Rigol, je näher man dem Trä­ger kommt. Bei ‑80 dBm erreicht es ein Maxi­mum und sinkt in unmit­tel­ba­rer Nähe zum Trä­ger wie­der auf etwa ‑90 dBm ab. Die­ses Ver­hal­ten wur­de vom Her­stel­ler Sig­lent auf Nach­fra­ge bestä­tigt. Es ist auch nicht auf die­se Ein­stel­lun­gen beschränkt, son­dern es tritt tech­no­lo­gie­be­dingt auch bei ande­ren Fre­quen­zen auf. Das ist ein ech­ter Wehr­muts­trop­fen und ich war kurz davor, das Gerät zurück­zu­ge­ben. Daß ich es nicht getan habe, liegt im wesent­li­chen dar­an, daß ich für ein ähn­lich aus­ge­stat­te­tes Gerät von Rigol noch­mal 1k€ hät­te drauf­le­gen müs­sen. Man wird also wohl oder übel in die­ser Preis­klas­se doch ein paar Abstri­che machen müssen.

Der Rigol zeigt das Ver­hal­ten, das man erwar­tet: das Pha­sen­rau­schen steigt mit der Nähe zum Träger.

Hier noch die Sig­lent-Mes­sung mit einer Peak-Tabelle:

SSA3032X-Plus, Quelle: AD9834, Center: 10.7 MHz, Span: 1 MHz, RBW: 30 Hz, VBW: 30 Hz mit Peak Tabelle
SSA3032X-Plus, Quel­le: AD9834, Cen­ter: 10.7 MHz, Span: 1 MHz, RBW: 30 Hz, VBW: 30 Hz mit Peak Tabelle

Hier die Mes­sun­gen mit 100 kHz Spann­brei­te und RBW=100 Hz:

DS815-TG, Quelle: AD9834, Center: 10.7 MHz, Span: 100 kHz, RBW: 100 Hz, VBW: 100 Hz
DS815-TG, Quel­le: AD9834, Cen­ter: 10.7 MHz, Span: 100 kHz, RBW: 100 Hz, VBW: 100 Hz

SSA3032X-Plus, Quelle: AD9834, Center: 10.7 MHz, Span: 100 kHz, RBW: 100 Hz, VBW: 100 Hz
SSA3032X-Plus, Quel­le: AD9834, Cen­ter: 10.7 MHz, Span: 100 kHz, RBW: 100 Hz, VBW: 100 Hz

Es ist auch jeweils der Rausch­pe­gel im 10 kHz Abstand dar­ge­stellt. Er ist in bei­den Fäl­len kon­si­stent zur Breit­band­mes­sung, unter­schei­det sich aber um mehr als 12 dB. Der Unter­schied ist mit dem deut­lich schlech­te­ren Pha­sen­rau­schen des Rigol zu erklä­ren. Er ist mit <-80 dBm/Hz im 10 kHz Abstand spe­zi­fi­ziert, was bei der ein­ge­stell­ten RBW von 100 Hz 20 dB mehr, also ‑60 dBm erwar­ten lässt. Anders aus­ge­drückt: ein guter Teil des beim Rigol gezeig­ten Rau­schens kommt von sei­nem ein­ge­bau­ten Oszil­la­tor. Hier wür­de ich also dem Sig­lent mehr ver­trau­en, wenn­gleich der Abfall der Rau­schens in Trä­ger­nä­he auch in die­ser Auf­lö­sung noch deut­lich zu sehen ist.

Nach­fol­gend noch ohne Kom­men­ta­re wei­te­re Schmal­band­mes­sun­gen mit Spann­brei­ten von 10 kHz:

DS815-TG, Quelle: AD9834, Center: 10.7 MHz, Span: 10 kHz, RBW: 10 Hz, VBW: 10 Hz
DS815-TG, Quel­le: AD9834, Cen­ter: 10.7 MHz, Span: 10 kHz, RBW: 10 Hz, VBW: 10 Hz

SSA3032X-Plus, Quelle: AD9834, Center: 10.7 MHz, Span: 10 kHz, RBW: 10 Hz, VBW: 10 Hz
SSA3032X-Plus, Quel­le: AD9834, Cen­ter: 10.7 MHz, Span: 10 kHz, RBW: 10 Hz, VBW: 10 Hz

…und 1 kHz:

DS815-TG, Quelle: AD9834, Center: 10.7 MHz, Span: 1 kHz, RBW: 10 Hz, VBW: 1 Hz
DS815-TG, Quel­le: AD9834, Cen­ter: 10.7 MHz, Span: 1 kHz, RBW: 10 Hz, VBW: 1 Hz

SSA3032X-Plus, Quelle: AD9834, Center: 10.7 MHz, Span: 1 kHz, RBW: 10 Hz, VBW: 1 Hz
SSA3032X-Plus, Quel­le: AD9834, Cen­ter: 10.7 MHz, Span: 1 kHz, RBW: 10 Hz, VBW: 1 Hz

Bei die­sen sehr schmal­ban­di­gen Mes­sun­gen kommt das gerin­ge Pha­sen­rau­schen des Sig­lent voll zur Gel­tung. Statt ‑61 dBc beim Rigol sehen wir hier knapp ‑84 dBc im Abstand von 100 Hz zum Trä­ger. Außer­dem ist zu beach­ten, daß der Rigol bei die­sen Ein­stel­lun­gen 100 Sekun­den pro Sweep benö­tigt, der Sig­lent auf­grund der FFT aber nur 0,338 Sekun­den. Da macht das Mes­sen Spaß! Auch aus die­sem Grund woll­te ich das Gerät dann doch nicht wie­der hergeben.

Dar­über­hin­aus gestat­tet der Sig­lent Mes­sun­gen mit RBW=VBW=1Hz und mit einer Spann­brei­te von 100 Hz erhält man dann fol­gen­des hoch­auf­ge­lö­ste Meßergebnis:

SSA3032X-Plus, Quelle: AD9834, Center: 10.7 MHz, Span: 100 Hz, RBW: 1 Hz, VBW: 1 Hz, Average
SSA3032X-Plus, Quel­le: AD9834, Cen­ter: 10.7 MHz, Span: 100 Hz, RBW: 1 Hz, VBW: 1 Hz, Average

Nach die­ser Mes­sung ist das Pha­sen­rau­schen im Abstand von 10 Hz also ‑84 dBc. 

Mes­sun­gen des Sen­de­si­gnals eines ICOM IC-7300 Transceivers

Um auch die Meß­er­geb­nis­se eines hoch­wer­ti­gen Signals zu zei­gen, habe ich das Aus­gangs­si­gnal eines IC-7300 Trans­cei­vers von ICOM gemes­sen. Er wur­de bei 10,125 MHz auf nied­rig­ste Sen­de­lei­stung 1% ein­ge­stellt, was etwa 1 Watt, also 30 dBm ent­spre­chen soll­te. Der Spek­trumana­ly­sa­tor wur­de über einen 30 dB Abschwä­cher und einen wei­te­ren 10 dB Abschwä­cher ange­schlos­sen, so daß am Ein­gang etwa ‑10 dBm anlie­gen. Alle Mes­sun­gen sind in der Betriebs­art AM durch­ge­führt wor­den, wobei optio­nal ein 2 kHz Sinu­ssi­gnal an den Audio­ein­gang ange­legt wur­de. Es wird vom PC gespeist, des­sen Audio­pe­gel auf 15% oder 71% ein­ge­stellt wur­de. Das sind will­kür­li­che und rela­ti­ve Pegel, die kei­ne Rück­schlüs­se auf den tat­säch­li­chen abso­lu­ten Signal­pe­gel zulassen.

Der unmo­du­lier­te Trä­ger wird mit etwa ‑8 dBm ange­zeigt, was also +32 dBm Ein­gangs­pe­gel vor den Abschwä­chern ent­spricht. Das wären 1,6 Watt, was in der Betriebs­art AM aber nur 50% der Aus­gangs­lei­stung sind. Tat­säch­lich ent­spricht damit die ein­ge­stell­te Aus­gangs­lei­stung von 1% also tat­säch­lich 3 Watt. Das ist in Ord­nung, gera­de im unte­ren Bereich ist die Ein­stel­lung der Aus­gangs­lei­stung sicher nicht sehr genau.

Der Über­sicht­lich­keit hal­ber sind die Meß­er­geb­nis­se nach­fol­gend als Gale­rie ein­ge­fügt. Klicken auf eine Mes­sung öff­net das jewei­li­ge Bild in vol­ler Auf­lö­sung in einem neu­en Tab.

Der SSA3032X-Plus kann Spek­tren auch als Was­ser­fall­dia­gramm dar­stel­len. Das ist beson­ders hilf­reich bei Signa­len mit klei­nen Pegeln. Man erkennt optisch sehr schnell, wo noch „Schmutz“ im Spek­trum ist.

SSA3032X-Plus, Quelle: IC7300, Center: 10.125 MHz, Modulation: 2kHz@15%, Span: 5 kHz, RBW: 3 Hz, Spectrum display
SSA3032X-Plus, Quel­le: IC7300, Cen­ter: 10.125 MHz, Modu­la­ti­on: 2kHz@15%, Span: 5 kHz, RBW: 3 Hz, Spec­trum display

Die­se Mes­sung zeigt das mit 2 kHz sehr schwach AM-modu­lier­te Signal. Man erkennt deut­lich die Sei­ten­bän­der im Abstand von 2 kHz, aber auch win­zi­ge Sei­ten­band­si­gna­le um den Trä­ger her­um. In der Dar­stel­lung des Spek­trums wür­de man sie wahr­schein­lich als unkor­re­lier­tes Pha­sen­rau­schen übersehen.

Abschlie­ßend noch das Breit­band­spek­trum zwi­schen 1 MHz und 40 MHz:

Bei­de Gerä­te erken­nen neben dem Trä­ger auch die zwei­te und drit­te Ober­wel­le. Es gibt eine Dis­kre­panz über die jewei­li­gen Pegel, was mut­maß­lich der rela­tiv hohen Auf­lö­sungs­band­brei­te von 1 kHz geschul­det ist. Beson­ders beim Rigol füh­ren gerin­ge Auf­lö­sungs­band­brei­ten aber zu sehr lan­gen Meß­zei­ten, was ich hier ver­mei­den wollte.

Außer­dem fällt auf, daß der Rausch­pe­gel unter­halb von etwa 18 MHz um 10 bis 15 dB erhöht ist. Das ist mut­maß­lich auf ein Aus­gangs­fil­ter im IC-7300 zurückzuführen.

Zusam­men­fas­sung

Im Ver­gleich zur vor­he­ri­gen Genera­ti­on, zu der ich den Rigol DSA815-TG zäh­le, haben die Sig­lent SSA3000X Spek­trumana­ly­sa­to­ren erheb­li­che Fort­schrit­te gemacht. Die Bild­schirm­auf­lö­sung ist von 800×460 Pixeln und 8″ Dis­play auf 1024×600 Pixel und ein 10.1″ Touch-Dis­play gestie­gen, die Meß­ge­schwin­dig­keit wur­de durch die ein­ge­bau­te FFT enorm erhöht und die Auf­lö­sungs­band­brei­te wur­de auf 1 Hz redu­ziert. Gleich­zei­tig wur­de das Pha­sen­rau­schen um min­de­stens 15 dB redu­ziert, beim Rigol waren es ‑80 dBc/Hz, beim Sig­lent ‑95 dBc/Hz, jeweils im 10 kHz Abstand.

Ein nicht leicht zu ver­dau­en­der Wehr­muts­trop­fen ist die oben gezeig­te min­de­stens 10 dB Rau­sch­über­hö­hung im Abstand von +/- 50 kHz zum Trä­ger. Das mag für die eine oder ande­re Anwen­dung ein K.O.-Kriterium sein. Ich den­ke aber, daß sich in der Preis­klas­se zur Zeit nichts bes­se­res fin­den lässt. Wenn man das Ver­hal­ten kennt, wird man damit leben kön­nen, zumal der Effekt gerin­ger wird, wenn der Trä­ger aus dem Sicht­feld bewegt wird.

Trotz der oben beschrie­be­nen Schwä­che wür­de ich den SSA3032X Plus, bzw. einen sei­ner Geschwi­ster, den SSA3015X Plus, SSA3021X Plus oder gar den SSA3075X Plus empfehlen.

Vor­schau auf Teil 2

Im näch­sten Teil wer­de ich eini­ge Mes­sun­gen mit den ein­ge­bau­ten Tracking­gene­ra­to­ren zei­gen. In der Bastel­ki­ste fin­den sich ein paar gefrä­ste Fil­ter­schal­tun­gen, z.B. ein 1,4 GHz Strei­fen­lei­tungs­fil­ter und ein 800 MHz Band­paß­fil­ter. Bei­de Fil­ter wur­den mit dem Ansoft Desi­gner SV2 ent­wor­fen und auf FR‑4 Basis­ma­te­ri­al gefräst. Auch ein Fil­ter mit ein­ge­bau­tem MMIC Ver­stär­ker soll­te für Bei­spiel­mes­sun­gen ver­wend­bar sein.

Mit einer eben­falls auf FR‑4 gefrä­sten 23 cm Patch-Anten­ne und einem exter­nen Richt­kopp­ler wer­de ich Refle­xi­ons­mes­sun­gen durchführen.

Das wird alles ein paar Tage dau­ern, stay tuned…