Analizzatore di spettro

Professor Gabrielli Giancarlo Analizzatore di spettro L’analizzatore di spettro è l’equivalente nel dominio della frequenza dell’oscilloscopio nel dominio del tempo; come l’oscilloscopio visualizza il valore della tensione del segnale in funzione del tempo così l’analizzatore di spettro visualizza l’energia del segnale in funzione della frequenza.

Il principio di funzionamento è simile a quello relativo ad un ricevitore eterodina.

Anziché utilizzare tanti filtri che operano nello stesso istante si utilizza un unico filtro che in istanti diversi viene accordato su diverse frequenze di centro banda. Realizzare un filtro accordabile su un vasto campo di frequenze con elevate prestazioni (in termini di costanza della larghezza di banda, delle bande di transizione e della attenuazione fuori banda) non è però facile dal punto di vista elettronico, per cui risulta più conveniente realizzare un unico filtro di elevate prestazioni accordato ad una frequenza fissa opportunamente scelta, detta frequenza intermedia (IF), e traslare in frequenza il segnale da analizzare in modo da ottenere un comportamento equivalente al filtro ad accordo variabile. Nella figura è rappresentato lo schema a blocchi.

Il collegamento con l’a. di s. si realizza tramite un cavo BNC da 50 ohm sull’ingresso individuato dalla sigla “RF input”.

I principali parametri in un analizzatore di spettro Le modalità che l’operatore deve adottare per la predisposizione di un generico parametro in un analizzatore variano a seconda del modello di strumento a disposizione e sono sempre specificate con dettaglio nel relativo manuale. Illustriamo ora il significato dei vari parametri, soprattutto per una corretta interpretazione dei risultati che vengono forniti.

I parametri di base per ogni strumento che devono essere fissati sono: 1) la taratura dell’asse delle frequenze; 2) la taratura dell’asse delle ampiezze; 3) il livello di riferimento; 4) l’attenuazione a radio frequenza (RF); 5) la banda di risoluzione; 6) la banda video; 7) il tipo di rivelatore.

In ogni analizzatore di spettro, oltre ai parametri citati, se ne possono fissare parecchi altri, la cui principale funzione è quella di semplificare le procedure di misura per ricavare le informazioni che interessano, a volte imposte dalle norme.

Ancora prima di applicare all’ingresso dello strumento il segnale da analizzare, è opportuna una sua preliminare predisposizione, che eventualmente sarà variata per migliorare la valutazione delle grandezze di interesse una volta ottenuta la traccia dello spettro del segnale sotto test.

Ovviamente nel fissare la predisposizione iniziale si devono tener presenti anche le caratteristiche generali del segnale da analizzare.

Come esempio, per illustrare una procedura tipica da seguire, si supponga che si voglia sottoporre ad indagine spettrale un segnale sinusoidale con una frequenza nominale di circa 10 MHz. In questo caso si può ad esempio fissare la frequenza di partenza per l’analisi pari a 2 MHz, e quella finale a 60 MHz, con una scala delle frequenze di tipo lineare.

Le manovre da effettuare per questa predisposizione variano leggermente da strumento a strumento e non si ritiene opportuno riportarle in dettaglio.

In questa prima fase alcuni parametri da fissare sono di minore importanza e per le prove che si vogliono effettuare si possono ad esempio predisporre nel seguente modo: a) banda di risoluzione 100 kHz b) banda video 300 kHz. Negli attuali analizzatori non è invece richiesto di indicare esplicitamente la velocità, o il tempo, di spazzolamento. È lo strumento che provvede autonomamente a questa scelta, in base alla banda di risoluzione, alla banda video ed allo span fissati.

Il valore del tempo di spazzolamento che lo strumento sceglie viene riportato sullo schermo; è però possibile, se ritenuto opportuno, intervenire anche su questo parametro, ottenendo una segnalazione di “warning” se tale tempo non è congruente con gli altri parametri fissati.

Predisposizione dei parametri relativi all’ampiezza del segnale Per la valutazione delle ampiezze delle componenti spettrali è necessaria la predisposizione dei seguenti parametri: a) il coefficiente di taratura dell’asse verticale; b) il livello di riferimento; c) l’attenuazione RF. Non è però sempre necessario fissare manualmente tutti i precedenti parametri; infatti nella quasi totalità degli strumenti, all’atto dell’accensione viene automaticamente attivata una predisposizione fissata dal costruttore, e all’operatore è richiesto di intervenire solo se ritiene opportuno variare qualcuno di tali parametri.

Il coefficiente di taratura dell’asse verticale Si supponga che all’atto dell’accensione lo strumento si predisponga con una taratura dell’asse verticale in scala logaritmica, essendo la più indicata nelle prove di compatibilità elettromagnetica, ed il coefficiente scelto sia pari a 10 dB/div.

Si ricorda che se si vuole variare questo parametro, si può scegliere normalmente su un insieme piuttosto limitato di valori, ad esempio 2 dB/div, 3 dB/div, 5dB/div, 10 dB/div, 20 dB/div e pochi altri.

Il livello di riferimento Una taratura logaritmica dell’asse verticale richiede di fissare un valore di riferimento per le ampiezze, che per convenzione negli attuali analizzatori è il valore della linea che si trova sulla estremità in alto dello schermo. Tale riferimento è indicato con REF(REFrence) e viene espresso in dBm. Si supponga che con la predisposizione automatica dello strumento tale livello venga fissato a 0 dBm.

Ciò significa che una componente di segnale con una potenza di 1 mW ha il suo picco sulla divisione più elevata dello schermo; il livello di riferimento è cioè il massimo valore di ampiezza che può essere presentato.

Se qualche componente presenta un’ampiezza troppo elevata da fuoriuscire dallo schermo, oppure troppo bassa da interessare solo una piccola porzione dello schermo, e’ possibile intervenire sul livello di riferimento e sul coefficiente di taratura dell’asse verticale fino ad ottenere una rappresentazione ottimale.

Nell’ipotesi che tutte le componenti siano all’interno dello schermo, la loro ampiezza si deduce come attenuazione in dB rispetto al livello di riferimento fissato. Ad esempio con un livello di 0 dBm ed un coefficiente di taratura della scala verticale di 10 dB/div, una componente con il suo picco in corrispondenza della seconda divisione a partire dall’alto ha un valore di ampiezza di -20 dBm. Se ora si varia il livello di riferimento, fissandolo ad esempio a +10 dBm, il picco di questa componente si porta sulla terza divisione a partire dall’alto ed è attenuato di 30 dB rispetto al riferimento di 10 dBm; ciò infatti corrisponde alla sua ampiezza di (10 - 30) = -20 dBm. Nota la potenza di un segnale, per conoscerne il corrispondente valore di tensione è necessario specificare la resistenza dove tale potenza viene dissipata.

Nel caso di un analizzatore di spettro, la resistenza è quella di ingresso dello strumento, che nel caso in esame è pari a 50 .

Un segnale con una potenza di 0 dBm ha una ampiezza in tensione di (0.001 x 50)1/2  0.224 = 224 mV. Se invece la potenza si riduce a -20 dBm, il corrispondente valore di tensione sulla resistenza di 50 risulta pari a 224 x 10(-20/20) = 22.4 mV. E’ molto frequente dover passare da un valore di potenza in dBm al corrispondente valore di tensione in dBV, o sottomultipli, e viceversa. Nel caso di uno strumento con resistenza di ingresso di 50  si può scrivere il seguente rapporto fra una potenza P1 e la corrispondente tensione V1: dal quale facilmente si passa ai corrispondenti valori espressi in unità logaritmiche mediante la relazione: Con buona approssimazione si ha quindi: relazione che risulta valida solamente per un analizzatore di spettro con resistenza di ingresso di 50 .

Come verifica si può considerare che con un livello di riferimento di 0 dBm, una componente con ampiezza di (-20) dBm ha un valore di tensione di 0.0224 V, che corrisponde ad un valore in dBV pari a 20log(0.0224/1)  -33 dBV, cioè 13 dB inferiore al valore dell’ampiezza in dBm. Poiché risulta 0 dBV = 60 dBmV = 120 dBV, si può anche scrivere: Normalmente sul reticolo dello schermo degli attuali analizzatori sono riportate 8 divisioni verticali.

Se ad esempio si fissa il livello di riferimento a 0 dBm ed un coefficiente di taratura di 10 dB/div, sullo schermo si possono rappresentare valori compresi fra 0 e -80 dBm, mentre valori esterni a questo intervallo non sono rappresentabili.

In alcuni analizzatori solo le prime 7 divisioni a partire dall’alto sono tarate con il coefficiente fissato, mentre viene riservata l’ultima divisione verso il basso per riportare in forma non tarata componenti con ampiezza inferiore (nell’esempio riportato inferiore a -70 dBm). In tal modo, pur non potendo dedurre un valore di ampiezza di un’eventuale picco sull’ultima divisione, lo strumento fornisce la segnalazione della sua presenza, con possibilità quindi di intervenire sul livello di riferimento e sul coefficiente di taratura per una sua più accurata valutazione.

L’attenuazione RF Un altro parametro, di fondamentale importanza, da fissare relativamente alle ampiezze, è l’attenuazione che si introduce con l’attenuatore RF (radio frequenza) di ingresso, il cui scopo fondamentale è di limitare l’ampiezza del segnale che arriva al mixer.

Il funzionamento del mixer è non lineare ed è necessario limitare l’ampiezza del segnale al suo ingresso onde evitare non solo un suo funzionamento in saturazione, con introduzione di

componenti spurie non presenti nel segnale da analizzare, ma anche la possibilità di un suo danneggiamento permanente. Lo scopo dell’attenuatore RF è proprio quello di limitare l’ampiezza massima del segnale che arriva al mixer.

Negli attuali strumenti l’azione dell’attenuatore RF è direttamente legata all’amplificazione dell’amplificatore posto nella catena dopo la trasposizione in frequenza ed il filtro selettivo. Di tanto si attenua il segnale con l’attenuatore RF, di altrettanto aumenta in modo automatico e senza possibilità di controllo da parte dell’operatore, l’amplificazione dello stadio amplificatore posto in cascata al filtro selettivo.

Va inoltre tenuto presente che i circuiti interni all’analizzatore generano un rumore, che viene rivelato dallo strumento e presentato sullo schermo. L’entità di questo rumore pone un limite inferiore all’ampiezza delle componenti che possono essere misurate.

Si può pensare con buona approssimazione che il rumore generato dallo strumento sia localizzato principalmente nel primo stadio amplificatore del blocco di traslazione in frequenza. Infatti il contributo dovuto al rumore degli stadi successivi assume minore importanza in quanto quello introdotto dal primo stadio è sottoposto all’intera amplificazione della catena, a differenza del rumore introdotto negli stadi successivi.

Esempio Si voglia studiare il comportamento di un segnale periodico con l’analizzatore di spettro usando il programma di simulazione Multisim.

Applichiamo in ingresso un segnale ad onda quadra con valore medio 5V, valore picco-picco 2V, frequenza 10 kHz con duty-Cycle del 50%.

Il segnale può essere rappresentato analiticamente dalla serie di Fourier:

Il cui sviluppo da luogo alla seguente espressione: limitando lo sviluppo in serie alla settima armonica. Le armoniche pari, per la simmetria del segnale, risultano ovviamente nulle. Le ampiezze e le frequenze dalla 1a alla 7a armonica risultano: C1= 1,27 V; f1=10kHz C2=0,42V; f3=30kHz C3=0,25V; f5=50kHz C4=0,18V; f7=70kHz Tali valori li possiamo anche leggere sull’analizzatore posizionando l’Amplitude in modo lin(lineare). Riportiamo ad esempio la lettura per la prima armonica che corrisponde grosso modo al valore calcolato.

Siccome l’analizzatore di spettro considera i valori in decibel, troviamo i seguenti valori: 1a armonica 20 log C1 = 2,10 dB a 3 armonica 20 log C3 = -7,44 dB a 5 armonica 20 log C5 = -11,86 dB a 7 armonica 20 log C7 = -14,76 dB Nella figura vediamo rappresentata la terza armonica.