Analizzatore di spettro. Generalità sull analisi spettrale. Analizzatori a scansione. Analizzatori a doppia conversione. Analizzatore di spettro

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1 Analizzatore di spettro Analizzatore di spettro Generalità sull analisi spettrale Analizzatori a doppia conversione Politecnico di Torino 1

2 Obiettivi della lezione Metodologici realizzazione pratica di un analizzatore a scansione applicazione della conversione di frequenza problematiche che nascono nell operazione di conversione di frequenza incompatibilità tra velocità di scansione elevate e risoluzioni elevate Politecnico di Torino 2

3 Prerequisiti per la lezione Teoria dei segnali: analisi spettrale di un segnale trasformazione tempo-frequenza Sistemi elettronici: filtri passa banda rivelatori di ampiezza risposta al transitorio di un filtro a banda stretta 5 Bibliografia per la lezione Misure elettroniche S. Leschiutta Pitagora Editrice, Bologna, 1996, cap. 10, pag. 161 Misure elettroniche U. Pisani Politeko Ed., Torino, 1999, cap. 9, pag Politecnico di Torino 3

4 Contenuti della lezione 1/2 : Analizzatore sweep Schema a blocchi di principio Sweep-tuned a conversione di frequenza I principali controlli dell analizzatore I vantaggi della conversione di frequenza Problemi alle basse frequenze 7 Contenuti della lezione 2/2 Problema delle frequenze immagine Risoluzione in frequenza Velocità di scansione e tempi di risposta Stabilità di frequenza dell oscillatore locale Rappresentazione dello spettro Politecnico di Torino 4

5 Principio operativo 1/2 Filtro selettivo a sintonia variabile elettronicamente con comando in tensione Si scandisce la banda di frequenza che si vuole analizzare H(v) Variazione di sintonia v Politecnico di Torino 5

6 Principio operativo 2/2 L uscita del filtro rivelata ed amplificata, replica, istante per istante, l ampiezza delle componenti spettrali H(ν) Essendo l impedenza di ingresso dell analizzatore normalizzata a 50 Ω si può rappresentare anche lo spettro di potenza 11 Problemi dovuti alla scansione 1/2 Il filtro ha all ingresso un segnale che varia continuamente Il filtro è quindi soggetto ad un transitorio continuo A causa del tempo di risposta del filtro può succedere che l uscita non sia mai a regime Politecnico di Torino 6

7 Problemi dovuti alla scansione 2/2 Affinché l uscita del rivelatore sia corretta, occorre che il regime sia raggiunto anche durante la scansione La scansione della frequenza quindi deve essere a velocità (in Hz/sec) sufficientemente bassa, per dare modo all uscita di andare a regime per le varie frequenze esplorate Politecnico di Torino 7

8 Analizzatore con filtro a sintonia variabile Schema di principio Segnale Filtro a sintonia variabile Rivelatore Asse Y Generatore di rampa Asse X TRC 15 Presentazione dello spettro Sul TRC è rappresentato lo spettro di ampiezza del segnale infatti: sull asse Y si ha l ampiezza/potenza delle righe spettrali (in scala lineare o in db) sull asse X si invia una tensione a rampa proporzionale alla frequenza di sintonia del filtro l asse X è quindi tarato in frequenza Politecnico di Torino 8

9 Inattuabilità pratica della soluzione Soluzione semplice in linea di principio Non attuabile in pratica perchè: si possono avere solo gamme di frequenza limitate (1 decade max) e con filtri a banda non molto stretta la risoluzione non è costante su tutta la gamma (la larghezza di banda del filtro è funzione della frequenza centrale) non è possibile realizzare un filtro ad accordo variabile su ampia gamma, con una banda sufficientemente stretta Politecnico di Torino 9

10 Principio operativo Soluzione: conversione di frequenza di tipo eterodina filtro passa banda a frequenza fissa spettro che scorre sull asse delle frequenze ν Curva di selettività del filtro H(ν) IF ν 19 La conversione di frequenza 1/2 Lo scorrimento dello spettro è ottenuto mediante conversione di frequenza con un oscillatore locale (LO) la cui frequenza f LO è variata con continuità Il segnale di ingresso f s viene mescolato con il segnale sinusoidale dell oscillatore locale, ottenendo in uscita: f = f ± f u LO s Politecnico di Torino 10

11 La conversione di frequenza 2/2 Se per esempio si suppone f LO >f s f s dello spettro tale che: la componente f f = f LO s IF cade all interno del filtro e dà una risposta in uscita 21 Conversione di frequenza con f LO variabile 0 f s Filtro IF f= f f = f LO f LO s IF v 0 f smin f= Spettro da analizzare Filtro IF f smax Gamma di scansione di f LO f LOmin v f LOmax Filtro IF Filtro IF 0 f smin =f LOmin - Spettro convertito Analisi dell estremo inferiore dello spettro v 0 Spettro convertito f smax =f LOmax - Analisi dell estremo superiore dello spettro v Politecnico di Torino 11

12 Schema a blocchi di un analizzatore IN a scatti di ingresso Filtro Passa Basso RF f s Mescolatore Amplificatore e Filtro IF f LO Generatore di tensione a rampa Oscillatore locale a frequenza variabile Rivelatore di inviluppo Defl. X Defl. Y TRC Amplificatore lineare/ logaritmico Filtro passa-basso Politecnico di Torino 12

13 Controllo della velocità di scansione IN a scatti di ingresso Generatore di tensione a rampa Velocità di scansione (Hz/s) RF Livello ingresso Filtro Passa Basso tarato Freq.SPAN Defl. X TRC Σ f s Defl. Y Mescolatore f LO Freq.Centrale Oscillatore locale a frequenza variabile Amplificatore tarato Banda filtro IF Amplificatore e Filtro IF Sensib.Vert. Rivelatore di inviluppo Filtro Passa Basso 25 Controllo larghezza della banda esplorata IN a scatti di ingresso Generatore di tensione a rampa Velocità di scansione (Hz/s) RF Livello ingresso Filtro Passa Basso tarato Freq.SPAN Defl. X TRC Σ f s Defl. Y Mescolatore f LO Freq.Centrale Oscillatore locale a frequenza variabile Amplificatore tarato Banda filtro IF Amplificatore e Filtro IF Sensib.Vert. Rivelatore di inviluppo Filtro Passa Basso Politecnico di Torino 13

14 Controllo della frequenza centrale IN a scatti di ingresso Generatore di tensione a rampa Velocità di scansione (Hz/s) RF Livello ingresso Filtro Passa Basso tarato Freq.SPAN Defl. X TRC Σ f s Defl. Y Mescolatore f LO Oscillatore locale a frequenza variabile Freq.Centrale Amplificatore tarato Banda filtro IF Amplificatore e Filtro IF Sensib.Vert. Rivelatore di inviluppo Filtro Passa Basso 27 Selettività del filtro IF IN a scatti di ingresso Generatore di tensione a rampa Velocità di scansione (Hz/s) RF Livello ingresso Filtro Passa Basso tarato Freq.SPAN Defl. X TRC Σ f s Defl. Y Mescolatore f LO Freq.Centrale Oscillatore locale a frequenza variabile Banda filtro IF Amplificatore tarato Amplificatore e Filtro IF Sensib.Vert. Rivelatore di inviluppo Filtro Passa Basso Politecnico di Torino 14

15 Fattore di scala verticale IN a scatti di ingresso Generatore di tensione a rampa Velocità di scansione (Hz/s) RF Livello ingresso Filtro Passa f s Basso tarato Freq.SPAN Defl. X TRC Σ Defl. Y Mescolatore f LO Freq.Centrale Banda filtro IF Oscillatore locale a frequenza variabile Amplificatore tarato Amplificatore e Filtro IF Sensib.Vert. Rivelatore di inviluppo Filtro Passa Basso Politecnico di Torino 15

16 Miglioramento della sensibilità Uno dei vantaggi della conversione di frequenza èl elevata sensibilità: capacità di rilevare segnali di basso livello (gli amplificatori selettivi migliorano il rapporto S/N) Potenza del segnale B Potenza di rumore in B ν 31 Selettività elevata e variabile La frequenza intermedia è fissa L amplificatore selettivo è realizzabile con selettività molto elevata Si può variare a passi la larghezza di banda del filtro IF B 3dB ν Politecnico di Torino 16

17 Ampia gamma di scansione Si riesce a realizzare una scansione su più decadi di frequenza utilizzando f LO e elevate rispetto alla banda da analizzare es.: =200MHz ; MHz f LO 310 MHz gamma coperta dall'analizzatore: 0.1MHz f s 110MHz) Politecnico di Torino 17

18 Estensione a frequenze molto basse 1/2 L estensione in basso della gamma di frequenza fino alla componente continua comporta che: la frequenza estrema inferiore dell oscillatore locale f LOmin deve tendere al limite al valore della frequenza intermedia (f LOmin ) f= Spettro da analizzare 0 f smin 0 f smax Filtro IF Scansione di f LO f LOmin v f LOmax 35 Estensione a frequenze molto basse 2/2 La frequenza f LOmin, presente all uscita del mescolatore (insieme a tutte le altre componenti), passa direttamente attraverso il filtro IF Mescolatore Amplificatore e Filtro IF f s 0 f LO f LOmin Politecnico di Torino 18

19 Oscillatore locale passante Questa componente viene rivelata come se fosse presente nello spettro del segnale All estremo sinistro dello schermo, in corrispondenza della frequenza 0, appare una riga chiamata indicatore di frequenza zero o oscillatore locale passante Riga spuria: oscillatore locale passante 0 dbm 10 db/div f (MHz) Politecnico di Torino 19

20 Frequenze immagine f IM Si tratta di frequenze, al di fuori dello spettro in esame che, combinandosi con f LO, generano una frequenza pari alla secondo la relazione f IM =f LO + f= Filtro IF f= f smin Spettro da analizzare f smax f LOmin f LOmax Gamma immagine f IMmin f IMmax v 39 Eliminazione f IM 1/3 Per eliminare le righe spurie occorre mettere un filtro passa basso all ingresso dell analizzatore che ne delimiti la banda Filtro passa basso Filtro IF f= f smin Spettro da analizzare f smax Gamma immagine f f f LOmin f IMmin IMmax LOmax v Politecnico di Torino 20

21 Eliminazione f IM 2/3 RF Livello ingresso Banda filtro IF IN a scatti di ingresso Filtro Passa Basso f s Mescolatore Amplificatore e Filtro IF Generatore di tensione a rampa Velocità di scansione (Hz/s) tarato Freq.SPAN Defl. X TRC Σ Defl. Y f LO Oscillatore locale a frequenza variabile Freq.Centrale Amplificatore tarato Rivelatore di inviluppo Filtro Passa Basso Sensib.Vert. 41 Eliminazione f IM 3/3 La frequenza intermedia viene fissata di poco inferiore alla f LOmin Entrambe sono sufficientemente maggiori della banda f smax dello strumento Si sceglie la banda f t del filtro passa basso f smax <f t < Politecnico di Torino 21

22 La risoluzione e banda del filtro IF 1/4 La risoluzione dell analizzatore di spettro è data dalla capacità di distinguere due componenti spettrali vicine tra di loro La risoluzione dipende dalla larghezza di banda a 3 db (o a 6dB a seconda di quanto definito dalle specifiche) del filtro IF Viene indicata anche con l acronimo RBW (Resolution Band-Width) Politecnico di Torino 22

23 La risoluzione e banda del filtro IF 2/4 La capacità di risolvere due righe spettrali dipende: dalla distanza in frequenza tra le due righe dalla differenza tra le ampiezze delle righe Si analizzano i due casi: righe di uguale ampiezza righe di ampiezza diverse 45 La risoluzione e banda del filtro IF 3/4 Caso di due righe dello stesso livello: si distinguono se la loro distanza è pari a B 3dB del filtro IF 1 khz RBW=1kHz 3dB 1 khz Politecnico di Torino 23

24 La risoluzione e banda del filtro IF 4/4 Caso di due righe di livello diverso: Es. per poter distinguere da f 1 una f 2 di livello -60dB e distante da f 1 circa 3 volte la B 3db occorre un filtro con rapporto B 60dB /B 3dB <6 60 db B 3dB Non si distinguono se B 60dB B 3dB 10 B 60dB B 3dB <6 B 60dB f 1 f 2 47 Risposta del filtro IF 1/5 Si supponga di inviare all ingresso di un analizzatore un segnale sinusoidale ideale alla frequenza f 0 il cui spettro è dato da δ(f 0 ) Si faccia una scansione a banda stretta tra f LOmin e f LOmax H(ν) δ(f 0 ) Banda convertita f LOcentr 0 f 0 f LOmin f LOmax ν f LOmin -f 0 f LOmax -f Politecnico di Torino 24

25 Risposta del filtro IF 2/5 Se la curva di selettività del filtro è idealmente una riga a, l uscita è anche essa una riga Questa compare nell istante in cui f LO =f LOcentr essendo f LOcentr -f o = H(ν) Curva di selettività del filtro IF Banda convertita f LOcentr 0 f 0 f LOmin f LOmax ν f LOmin -f 0 f LOmax -f 0 49 Risposta del filtro IF 3/5 In realtà la larghezza della curva di selettività produce una risposta in uscita non nulla per diversi valori di f LO La tensione in uscita al variare di f LO ha l andamento della curva di selettività H(ν) Curva di selettività del filtro IF Banda convertita f LOcentr 0 f 0 f LOmin f LOmax ν f LOmin -f 0 f LOmax -f Politecnico di Torino 25

26 Risposta del filtro IF 4/5 In conclusione nel caso di analisi di una riga spettrale ideale (pura sinusoide) in realtà si ha la rappresentazione della risposta del filtro IF 0 dbm 10 db/div FREQ. SPAN 100 Hz f (Hz) 51 Risposta del filtro IF 5/5 Solo se lo Span (gamma di frequenza esplorata intorno a quella centrale) è elevato rispetto alla banda IF l immagine assomiglia ad una riga 0 dbm 10 db/div FREQ. SPAN 10KHz f (khz) Politecnico di Torino 26

27 Risoluzione e velocità di scansione 1/5 Le considerazioni precedenti sono valide a patto di eseguire la scansione di frequenza molto lentamente, in modo da configurare una situazione quasi statica La risposta del filtro IF è tanto più corretta quanto più la situazione è quasi stazionaria L uscita del filtro e del rivelatore è a regime per ogni valore della frequenza di scansione Politecnico di Torino 27

28 Risoluzione e velocità di scansione 2/5 Il parametro indice della stazionarietà del fenomeno dipende: dalla velocità scansione con cui varia la frequenza di dalla larghezza di banda a 6dB ( ) del filtro IF 55 Risoluzione e velocità di scansione 3/5 La figura rappresenta risposte del filtro per diversi valori del parametro k k=0.005 k=1 k=2. 5 k=5 Si nota come, al crescere di k, siano errate sia l'ampiezza della riga sia la sua collocazione in frequenza Politecnico di Torino 28

29 Risoluzione e velocità di scansione 4/5 I controlli sul pannello dello strumento riguardano: l'ampiezza della gamma analizzata (Frequency Span) la durata della scansione la larghezza di banda del filtro IF 57 Risoluzione e velocità di scansione 5/5 I 3 parametri devono essere scelti in modo che k<<1 altrimenti la rappresentazione non è corretta Gli strumenti più recenti presentano un blocco (meccanico o elettronico) che impedisce combinazioni non corrette dei commutatori che selezionano i 3 parametri Politecnico di Torino 29

30 Problemi di stabilità di frequenza f LO 1/2 La minima RBW utilizzabile deve essere compatibile con la stabilità nel tempo di f LO Fluttuazioni nel tempo di f LO producono infatti fluttuazioni nella frequenza convertita Anche se f s è idealmente stabile H(ν) Frequenza convertita instabile f LO Instabilità di f LO 0 f S ν Politecnico di Torino 30

31 Problemi di stabilità di frequenza f LO 2/2 Le fluttuazioni della frequenza convertita avvengono all interno della curva di selettività del filtro IF Il rumore di frequenza si traduce in rumore di ampiezza in uscita (conversione FM/AM) H(ν) Frequenza convertita instabile Curva di selettrività del filtro IF Rumore di ampiezza in uscita t Instabilità di f LO ν 0 f S f LO Politecnico di Torino 31

32 Costruzione dello spettro I segnali X e Y sono disegnati su assi cartesiani come in un oscilloscopio IN Attenuat. ingresso Filtro Passa Basso f s MIXER f LO Amplificatore e Filtro IF Generatore di rampa Oscillatore locale Y(t) X TRC Y Rivelatore di inviluppo t f 0 dbm 10 db/div X(t) t f f (khz) 63 Problemi per scansioni lente Se si ha una scansione lenta dello spettro la presentazione analogica non va bene per questioni di persistenza di immagine 0 dbm t Y 10 db/div Traccia che svanisce X t Politecnico di Torino 32

33 Presentazione digitale I moderni analizzatori presentano il segnale Y(t) in forma digitale come in un DSO Per gentile concessione della ditta Tektronix Politecnico di Torino 33

34 Approfondimenti I seguenti concetti devono essere meditati e risultare chiari dallo studio della lezione: il motivo per cui occorre realizzare una conversione di frequenza presenza ed eliminazione delle frequenze immagine risoluzione di frequenza e limiti imposti dalla velocità di scansione per una rappresentazione corretta dello spettro risoluzioni elevate comportano elevate stabilità in frequenza dell oscillatore locale 67 Sommario della lezione 1/2 : Analizzatore sweep Schema a blocchi di principio Sweep-tuned a conversione di frequenza I principali controlli dell analizzatore Vantaggi della conversione di frequenza Problemi alle basse frequenze Politecnico di Torino 34

35 Sommario della lezione 2/2 Problema delle frequenze immagine Risoluzione in frequenza Velocità di scansione e tempi di risposta Stabilità di frequenza dell oscillatore locale Rappresentazione dello spettro Domande di riepilogo Politecnico di Torino 35