Unterschied zwischen FFT in Oszilloskopen und Spektrumanalysatoren

Interessante Frage. Habe ich mir so noch nie überlegt, es hat mich aber 
jetzt bisschen zum Nachdenken gebracht, weshalb ich jetzt hier meinen 
Senf abgebe ;-)

Cowcowb schrieb:
> Wo liegt also genau der Unterschied?

Das kommt drauf an, was man damit machen will. Will man nur kurz gucken, 
ob und welche Oberwellen vorhanden sind, dann ist die FFT des Oskars 
sicher ausreichend.

Will man jedoch die genauen Amplituden bestimmen, oder braucht man eine 
grosse Dynamik, dann wird die Luft für den Oskar schnell dünner: ein 
Oszilloskop ist, was die Genauigkeit der Spannungsmessung angeht, eher 
ein Schätzeisen. Wenn du eine Spannung furchtbar genau messen willst, 
dann ziehst du ja das DVM vor, und nicht den Oskar, oder?
Und so ungenau wie die Spannung gemessen wird, so ungenau ist das 
Spektrum.

Bezüglich Dynamik: bei einem Speki kann man durchaus einen 
Dynamikbereich von 100dB haben. Also die y-Achse geht von -100dBm bis 
0dBm und der Rauschteppich liegt, je nach RBW, irgendwo um die -100. Der 
Spekki kann das, weil er analog die Signale aufbereitet und einen 
logarithmischen Verstärker benutzt. Das Oszi soll ja aber möglichst 
linear sein, also bitte dort keinen LogAmp! stattdessen wird die 
Spannung direkt digitalisiert. Um einen Dynamikbereich von 100dB zu 
erzielen, müsste der verwendete ADC mehr als 16Bits haben. Ein High 
Speed Oszi kann das nicht bieten. Es gibt sicher solche Geräte, aber 
besonders schnelle Oszis haben 8 Bit Wandler nach dem Flash-Verfahren, 
oder vielleicht 10 Bit. Einen 12 Bit Oskar habe ich auch schon gesehen 
und benutzt, allerdings galten dort die 12 Bits nur, wenn man eine 
gewisse Samplerate nicht überschritt. Das heisst: willst du schnelles 
Zeug messen, dann wird deine Dynamik schlechter. (wobei ich mich hier 
auch gern eines besseren belehren lasse - gibt es denn nun mittlerweile 
hochauflösende Scopes?)

Dazu kommt, dass der Rauschteppich beim Scope gefühlt etwas höher liegt. 
Klar, denn er hat kein ZF-Filter, sondern er nimmt einfach alles, jedes 
Flohhusten, im ADC rein und misst das. Beim Speki hingegen kann ich 
verschieden breite RBW Filter oder Videofilter zuschalten.

Zu guter letzt ist es am Speki einfach intuitiver und ergonomischer, 
Spektren anzuschauen, denn dafür ist er ausgelegt - ich muss nicht erst 
überlegen, wo die Start- und Stopfrequenz oder Center und Span sind. 
Beim Oszi hingegen kann man oftmals Start und Stop oder Center und Span 
nicht festlegen, weil diese durch die Samplerate und die FFT-Auflösung 
ja vorgegeben sind. Die FFT-Funktionen, die ich bisher auf Scopes 
gesehen habe, waren einfach immer irgendwie grottig implementiert, weil 
es ja eine Krücke ist.

Übrigens kann man mit dem Speki auch Signale im Zeitbereich anschauen, 
aber auch das ist eine Krücke.

Würde mich jetzt aber auch interessieren, ob es noch andere Punkte gibt.


Edit: Test war schneller ;-)

Ein heutiger billiger Speki kann vielleicht 1..3 GHz Maximalfrequenz. Um 
das selbe mit einem Oszilloskop abzudecken und messen zu können, 
brauchst du mindestens 2..6 GSa/s, eher mehr. Du musst also eine 
tierisch hohe Abtastrate haben. Da wird es wohl tatsächlich keine 16 Bit 
ADC geben.

Possetitjel schrieb:
> und zweitens sind Oszis (wenigstens die von Tek :) nicht gerade Wunder
> an Rauscharmut

stimmt :-) wobei ein üblicher Spekki problemlos auch eine Nasenfigur von 
30dB hat, also auch beträchtlich rauscht. Wie gross ist die Noise Figure 
von deinem Skop?

Beim Tek MDO3000 schalten die alle 4 ADCs zu einem 10GS/s zusammen, und 
mischen dem Signal noch etwas bei. Wird bei eevblog kurz angesprochen. 
Weiss jemand genauer, wie das funktioniert?

W.S. schrieb:
> Nochwas: bei Owon habe ich Oszis gesehen, die auf 14 Bit auflösen.

Nicht übel. Bei welcher Samplerate?

Tobias P. schrieb:
> wobei ein üblicher Spekki problemlos auch eine Nasenfigur von 30dB hat,

Hey, jetzt musst du den versprudelten Tee aus meiner Tastatur wieder
entfernen!

:^)

Jörg W. schrieb:
> Hey, jetzt musst du den versprudelten Tee aus meiner Tastatur wieder
> entfernen!

liege ich mit meinen geschätzten 30dB so daneben? gut, vielleicht sind 
die ganz modernen besser. Die 30dB habe ich aus einem ca. 10 Jahre alten 
Datenblatt von R&S.

Tobias P. schrieb:
> liege ich mit meinen geschätzten 30dB so daneben?

Nein, ich fand nur die „Nasenfigur“ so lustig. :-)

Jörg W. schrieb:
> Tobias P. schrieb:
>> liege ich mit meinen geschätzten 30dB so daneben?
>
> Nein, ich fand nur die „Nasenfigur“ so lustig. :-)

ach soooooo jetzt erst habe ich deinen Kommentar verstanden :-)))))
aber ich glaube, jeder hat sofort begriffen, was die Nasenfigur ist, 
insofern ist das ja ein guter Name ;-)

Es gibt auch noch die Schmidkarte.

Cowcowb schrieb:
> Wie gut ist ein FFT in einem Oszilloskop? Und was macht ein
> Spektrumanalysator besser?

Versuche mal mit einer FFT Funktion, welches im Scope implementiert ist, 
eine
Mittenfrequenz von 10MHz und einen Span von 10KHz einzustellen.

Du wirst sehen das das nicht geht. Jedenfalls kenne ich keinen Scope mit 
dem das erfolgreich geht.

Das Problem ist, das die FFT bei einen Scope immer von 0Hz bist zur 
halben Samplingfrequenz reicht.

Das zweite Problem ist das die Samplingrate direkt von der Time/Dev im 
Zeitbereich abhängt.

Das dritte Problem ist das die Anzahl der FFT-Punkte, die meist auf 1024 
festgelegt ist.

Wenn du jetzt 40Msamples eingestellt hast damit die 10MHz in der 
Bildmitte steht ist der FFT Bereich jetzt bis 20MHz. bei 1024Punkte FFT 
also eine Auflösung von etwa 20KHz.

Verringerst du jetzt den Span dann wird einfach die X-Achse gedehnt. Das 
heist deine Kurve wird breiter, aber niemals höher aufgelöst.

Richtige Stand-Alone FFT Analyzer berechnen die FFT für den im 
Bilsdschirm dargestellten Span.

Also wenn du bei 10MHz Mittenfrequenz einen Span von 10KHz einstellst, 
dann wird eben für den Bereich 10MHz-5KHz und 10MHz+5KHz eine FFT mit 
1024 Punkte berechnet, was dann eine Auflösung von 10Hz ermöglichen 
würde.

Die reinen NF Analyzer machen das so.

Moderne Spektrumanalyzer machen eine FFT Frequenzblockweise.

Das heist der hat nach wie vor einen Überlagerungsempfänger, dessen 
Oszillator aber in Schritten von meinetwegen 50 MHz durchgestimmt 
werden.
In jedem 50MHz Abschnitt wird dann eine wunschgemäße FFT durchgeführt 
und zur Anzeige gebracht.

Weiterhin hat ein Oszillograf in der Regel nur 8 Bit Y Auflösung linear, 
was einen Dynamikbereich von knapp 48db ermöglicht.

Moderne FFT Analyzer haben 16 Bit Auflösung ältere 12 Bit Auflösung.

Ralph Berres

Petra schrieb:
> Wobei auch SA bis ca. 10MHz Eingangsfrequenz direkt in den ADC gehen,
> und den Rest rechnen

Das ist korrekt. Wobei R&S bei dem SFW ja schon bis 100MHz oder höher 
direkt zum ADC gehen.

Ralph Beres

Messling schrieb:
> Test schrieb:
>> Der Dynamikbereich von Oszilloskopen (8 Bit, höchstens 10 Bit) ergibt:
>> 20*log(2^8) = ~48dB Dynamikumfang.
>
> Die Realität ist noch schlechter.
>
> Bei den 8 Bit ist noch das Vorzeichen dabei, also fehlen nochmals 6dB.
> Dann rauscht noch mindestens ein Bit, das sind nochmals 6dB, bleiben
> also im Idealfall gerade mal 36dB.

Hä? Nein. Ob du das Vorzeichen-Bit als Vorzeichen interpretierst oder 
als "128"-Bit ist völlig irrelevant. Du kannst beide Interpretationen 
durch ein simples "+128" ineinander umrechnen. Das ändert höchstens den 
DC-Anteil deiner FFT und ist ansonsten bedeutungslos.

Das mit dem Rauschen ist ebenso unsinnig. Warum sollte a priori ein Bit 
immer rauschen?

Eher das Gegenteil ist der Fall; mit einem schnellen 8 Bit-Wandler in 
einem Oszi kann man (prinzipiell gesprochen, mal unabhängig davon ob die 
Geräte das tun) im Rahmen der spezifizierten Bandbreite deutlich mehr 
als 46dB Dynamik in der FFT bekommen, weil man viel mehr Samples hat als 
man für das Nyquist-Kriterium braucht. Hat man 9x so viele Samples 
(nicht unrealistisch), ist das effektiv ein Faktor 3 im 
Spannungsrauschen ~= 10dB besser. Meines Wissens implementieren viele 
Geräte das auch als "High-Res"-Modus oder ähnliches.

Lurchi schrieb:
> Modernere sind oft als "Real Time" Analyzer aufgebaut. Da wird dann ein
> Frequenzbereich von z.B. 10 MHz per ADC abgetastet und dann gerechnet.
> Damit hat man ggf. viel Frequenzkanäle parallel und kann ohne großen
> Nachteil bei der Messzeit auch eine kleine RBW nutzen.

Heute sind fast alle besseren SAs Realtime Analyzer.

Die Zeiten das man 4-Fachsuperhet mit 4 oder 5stufigen Quarzfilter für 
die RBW aufbaut neigt sich dem Ende.

Das findet man höchstens noch bei älteren SAs.

Sven B. schrieb:
> Eher das Gegenteil ist der Fall; mit einem schnellen 8 Bit-Wandler in
> einem Oszi kann man (prinzipiell gesprochen, mal unabhängig davon ob die
> Geräte das tun) im Rahmen der spezifizierten Bandbreite deutlich mehr
> als 46dB Dynamik in der FFT bekommen, weil man viel mehr Samples hat als
> man für das Nyquist-Kriterium braucht.

Sven B. schrieb:
> Meines Wissens implementieren viele
> Geräte das auch als "High-Res"-Modus oder ähnliches.

hat immer noch nicht jedes Oszi. Und man muss es explizit einschalten.

Es findet aber seine Grenzen, wenn man mit der Mittenfrequenz sich der 
Nyquistbedingung nähert.

Aber es ändert immer noch nichts an der Tatsache, das man nicht bei 
10MHz Mittenfrequenz einen Span von 10KHz einstellen kann.


Ralph Berres

Max Maxens schrieb:
>> Wenn du jetzt 40Msamples eingestellt hast damit die 10MHz in der
>> Bildmitte steht ist der FFT Bereich jetzt bis 20MHz. bei 1024Punkte FFT
>> also eine Auflösung von etwa 20KHz.
>
> Genau das ist DAS Problem. Auflösung ist fast immer Scheiße aufgrund zu
> kurzer FFT Länge. R&S macht es da noch am besten.

Das sehe ich tatsächlich auch als das größte Problem. Wenn man 32k FFTs 
machen würde und dann noch irgendwie 128 davon zusammenmitteln, sähe das 
glaube ich ganz ordentlich aus. Dann würde nur noch eine bedienbare 
Oberfläche fehlen, was ich auch bisher kaum gesehen habe bei einem Oszi; 
auf dem Spektrum zoomen oder so ist immer fürchterlich frickelig.

Klar, deine 10 Hz RBW bei 1.74362 GHz bekommst du damit nie hin, 
effektiv weil die Teile dafür nicht genug Samplespeicher haben. Aber es 
könnte deutlich besser sein als es bei den meisten Oszis heutzutage so 
ist.

Sven B. schrieb:
> Wenn man 32k FFTs
> machen würde und dann noch irgendwie 128 davon zusammenmitteln, sähe das
> glaube ich ganz ordentlich aus.

Das wird aber an der Rechenkapazität der eingesetzten Mikroprozessoren 
sein.

Bisher setzt nur R&S bei der RTO Serie einen FPGA zur Berechnung der FFT 
ein.

Da könnte ich mir vorstellen, das es deutlich besser funktioniert.

Doch ich hatte bisher keine Gelegenheit solch ein Gerät mal zu testen.

Ralph Berres

Ralph B. schrieb:
> Sven B. schrieb:
>> Wenn man 32k FFTs
>> machen würde und dann noch irgendwie 128 davon zusammenmitteln, sähe das
>> glaube ich ganz ordentlich aus.
>
> Das wird aber an der Rechenkapazität der eingesetzten Mikroprozessoren
> sein.

Weiß nicht, also bei meinem Rigol zum Beispiel leuchtet mir das nicht 
wirklich als Erklärung ein. Das aktualisiert die FFT sowieso nur so 2x 
pro Sekunde. Klar, wenn man jetzt wirklich auf 50 MB einen FFT rechnen 
will, dauert das ein bisschen, aber auf 32k Punkten ein paar Stück 
mitteln, das schafft wirklich jede Gurke an CPU in einer halben Sekunde.

Bei FPGAs für FFTs bin ich mir immer noch relativ unsicher, klar ist der 
Algorithmus super auf einem FPGA implementierbar, aber ist das pro Euro 
effektiv wirklich schneller als auf einer CPU?

Die neuen Tektronix MDOs 3000 messen die 3GHz Spektrum mit ihrem AD 
Wandler bei 8.5GHz Abtastfrequenz. Ich messe gerade an einem SI5340 rum. 
Mit Mittelung lassen sich recht zuverlässig 80-90dB erreichen ggf. auch 
noch mehr. Soviel dazu, was heute möglich ist. Ich nehme an, dass die 
neuen Analyzer von Tektronix es ähnlich machen.

Possetitjel schrieb:
>> Aber es könnte deutlich besser sein als es bei den
>> meisten Oszis heutzutage so ist.
>
> Die FFT der kleinen Teks (TDS20xx) fand ich von der
> Bedienung her gut brauchbar.

Die Bedienbarkeit ist zwar auch wichtig , ist aber nicht das Kriterium 
welches extrem viel Rechenleistung benötigt.

Possetitjel schrieb:
> Naja, schätzungsweise wollen die Hersteller nur nicht,
> dass ihre preiswerten Oszis mit den teuren Spekkis
> konkurrieren. Schlecht für den Kunden.

das ist vielleicht ein Kriterium.
Aber unterschätze die erforderlichen Rechenleistung des meist einzigen 
Prozessor des Scopes nicht, wenn er

Sven B. schrieb:
> 32k FFTs
> machen würde und dann noch irgendwie 128 davon zusammenmitteln,

soll. Schon damit sind die meisten Prozessoren vom Timimg überfordert, 
wenn  die Ausgabe auf dem Bildschirm flüssig gehen soll.

Und die 10 Hz RBW bei 1.74362 GHz werden auf diesen Wege auch nicht 
realisierbar sein.

Das es aber trotzdem geht beweist der Tek3026 Spektrumanalyzer.

Der macht eben keine FFT von 0Hz bis halbe Samplingfrequenz, sondern 
tatsächlich nur in dem Bereich welches interessiert.

Der Arbeitet in 10MHZ Blöcken und kann auf 0,5Hz auflösen. Auch bei 
3GHz.


Ralph Berres

Ja klar, bezweifle ich nicht. So eine hohe Auflösung bei so hohen 
Frequenzen bis ins Basisband geht eben nur mit gigabyteweise 
Samplespeicher, und den hat man meist nicht.

Trotzdem könnte man aus den Oszi-Sampledaten mehr rausholen als im 
Moment meist der Fall ist. Für viele Anwendungen brauche ich die 0.5 Hz 
Auflösung ja gar nicht.

Sven B. schrieb:
> So eine hohe Auflösung bei so hohen
> Frequenzen bis ins Basisband geht eben nur mit gigabyteweise
> Samplespeicher, und den hat man meist nicht.

glaube ich bei dem Tek3026 nicht, denn der macht auch nur eine
1024 Punkte FFT. Nur halt eben in dem eingestellten Spanbereich, und 
nicht von 0 Hz bis zur halben Samplingrate.

Wie er das mathematisch macht weis ich allerdings nicht.

Ralph Berres

Ralph B. schrieb:
> Sven B. schrieb:
>> So eine hohe Auflösung bei so hohen
>> Frequenzen bis ins Basisband geht eben nur mit gigabyteweise
>> Samplespeicher, und den hat man meist nicht.
>
> glaube ich bei dem Tek3026 nicht, denn der macht auch nur eine
> 1024 Punkte FFT. Nur halt eben in dem eingestellten Spanbereich, und
> nicht von 0 Hz bis zur halben Samplingrate.

Ja klar, mit Mischer geht das. Wichtig ist ja nur, dass du 
kontinuierlich aufeinanderfoglende Samplepunkte hast, die das Signal 
nicht unterabtasten und eine Zeit von mindestens 2 Sekunden umspannen 
(für 0.5 Hz Auflösung). Wenn die Analogbandbreite aber sehr hoch ist, 
brauchst du deswegen eine hohe Samplerate und dann sind es auch viele 
Samples in 2 Sekunden ...

Das mit dem Speicher hab ich mich auch schon gefragt, ist ein bisschen 
komisch. Wahnsinnig schnell muss der m.E. nicht sein, so normaler RAM 
ist schnell genug.

Sven B. schrieb:
> a klar, mit Mischer geht das. Wichtig ist ja nur, dass du
> kontinuierlich aufeinanderfoglende Samplepunkte hast, die das Signal
> nicht unterabtasten und eine Zeit von mindestens 2 Sekunden umspannen
> (für 0.5 Hz Auflösung). Wenn die Analogbandbreite aber sehr hoch ist,
> brauchst du deswegen eine hohe Samplerate und dann sind es auch viele
> Samples in 2 Sekunden ...

naja im Basisband 0-10MHz ist aber kein Mischer. Trotzdem kann man bei 
9MHz einen Span von 500Hz einstellen und hat da eine 1024FFT mit 0,5Hz 
Auflösung.

Die Samplingrate ist glaube ich konstant 25,6MHz

Hier wurde also zumindest nicht analog gemischt.

Der Rechner der in dem Tek3026 steckt ist ein Intel486

wie Tektronix das genau macht weis ich nicht.

Ralph Berres