Analizzatore di spettro Analizzatore di spettro Analizzatori a scansione Analizzatori a doppia conversione 2 2006 Politecnico di Torino 1
Obiettivi della lezione Metodologici come eseguire l analisi spettrale di un segnale esigenze di analisi in tempo reale per segnali con spettro tempo variante possibilità di analisi a scansione di frequenza per segnali con spettro tempo invariante trasformazione tempo-frequenza su segnale campionato 4 2006 Politecnico di Torino 2
Prerequisiti per la lezione Teoria dei segnali: analisi spettrale di un segnale trasformazione tempo-frequenza campionamento e trasformata discreta tempofrequenza 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. 231 6 2006 Politecnico di Torino 3
Contenuti della lezione : Generalità I segnali da analizzare Analizzatore numerico real-time Analizzatore analogico real-time 7 2006 Politecnico di Torino 4
Analizzare nel dominio della frequenza Analisi nel dominio della frequenza e rappresentazione dello spettro di ampiezza Complementare all analisi nel dominio del tempo (oscilloscopio) Informazioni più puntuali su alcuni parametri del segnale 9 Misura di distorsione 1/2 Es: valutare la distorsione presente su un segnale sinusoidale oscilloscopio non permette di rilevarla e tanto meno misurarla con l analizzatore di spettro le componenti di distorsione risultano immediatamente evidenti, e misurabili anche se molto piccole rispetto alla fondamentale 10 2006 Politecnico di Torino 5
Misura di distorsione 2/2 Rappresentazione spettrale di una sinusoide a 2 MHz in cui l'ampiezza della seconda armonica è 40 db inferiore alla fondamentale (distorsione di 2 a armonica D 2 =1%) 0 dbm 10 db/div A 1 Fondamentale 2 a armonica A 2 A 3 A 4 2 4 6 8 f (MHz) 11 Pannello di un analizzatore di spettro Per gentile concessione della ditta Agilent 12 2006 Politecnico di Torino 6
Schermo di un analizzatore di spettro Rappresentazione a colori Finestre spettrali con evidenziati diversi parametri 13 2006 Politecnico di Torino 7
Tipologie di segnali 1/2 Segnali con spettro tempo-variante (segnali non stazionari) occorre misurare idealmente lo spettro istantaneo la misura di tutte le componenti spettrali deve essere eseguita contemporaneamente e in tempi molto brevi 15 Tipologie di segnali 2/2 Segnali con spettro tempo-invariante (segnali stazionari o quasi stazionari) si può eseguire una scansione di frequenza, mediante un filtro a banda stretta e a sintonia variabile sull intera gamma scelta l ampiezza delle componenti spettrali a ciascuna frequenza sono misurate mediante un rivelatore di inviluppo 16 2006 Politecnico di Torino 8
Modalità di analisi spettrale Le due esigenze legate al tipo di segnale hanno portato allo sviluppo di due tipi di analizzatori di spettro: analizzatore real-time analizzatore sweep-tuned (cioè a sintonia variabile) 17 Analizzatore real-time L analizzatore real-time, misura simultaneamente l'ampiezza delle varie componenti dello spettro del segnale Misurate contemporaneamente V(t) t A(f) A 0 (f 0 ) A 1 (f 1 ) A2 (f 2 ) Questa operazione avviene in tempi brevi e quindi è possibile analizzare spettri tempovarianti (transitori) A n (f n ) f 18 2006 Politecnico di Torino 9
Analizzatore sweep-tuned L analizzatore sweep-tuned esegue una scansione in frequenza dello spettro: Misurate sequenzialmente V(t) A(f) A 0 (f 0 ) A 1 (f 1 ) A2 (f 2 ) A n (f n ) t f L operazione avviene in tempi lunghi Si possono analizzare solo segnali con spettro invariante durante tutto il tempo della scansione 19 Famiglie di analizzatori di spettro 1/2 Analizzatori di spettro numerici segnali a frequenza relativamente bassa applicazioni segnali transitori analisi spettrale con elaborazioni numeriche Time-domain Frequency-domain 20 2006 Politecnico di Torino 10
Famiglie di analizzatori di spettro 2/2 Analizzatori di spettro analogici: real time applicazione segnali non stazionari a scansione di frequenza ( sweep tuned ) applicazione segnali con caratteristiche stazionarie applicazioni a RF e microonde 21 2006 Politecnico di Torino 11
Generalità sugli analizzatori numerici 1/2 Si acquisisce, come in un oscilloscopio digitale, uno spezzone del segnale nel dominio del tempo, mediante campionamento e conversione A/D I dati memorizzati in formato numerico sono processati con un algoritmo di Fast Fourier Transform, per calcolarne le componenti spettrali in frequenza 23 Generalità sugli analizzatori numerici 2/2 Processori dedicati a queste operazioni ottimizzano sia la flessibilità del trattamento dei dati sia la velocità di calcolo I risultati vengono presentati in tempi molto brevi, da apparire quasi in tempo reale, sullo schermo di un TRC con tecnica generalmente di tipo raster 24 2006 Politecnico di Torino 12
Schema di principio di un analizzatore FFT IN ATT. Unità di ingresso Filtro FILTRO p.b. AMPL. p.bbw BW S/H Campionatore e Convertitore A/D ADC CLK EXT. TRIG TRIGGER trigger Blocco di trigger DELAY delay DIGIT. MEM. TRC PRESENTAZIONE GESTIONE. DISPLAY CPU DSP UNITÀ DI MEMORIA E DI ELABORAZIONE BUS DATI 25 Prestazioni degli analizzatori numerici 1/4 L acquisizione viene fatta in una finestra temporale e l informazione viene memorizzata Si possono analizzare fenomeni transitori, purché il segnale abbia caratteristiche di stazionarietà per tutta la durata dell' acquisizione Sotto questo aspetto, l analizzatore FFT ha prestazione simile all analizzatore analogico real time 26 2006 Politecnico di Torino 13
Prestazioni degli analizzatori numerici 2/4 Con in più la rappresentazione dello spettro di fase del segnale oltre che quello di ampiezza Alcuni moderni analizzatori FFT integrano in un unico strumento un oscilloscopio digitale e un analizzatore di spettro (analisi combinate tempofrequenza) 27 Prestazioni degli analizzatori numerici 3/4 Sono una indispensabile alternativa agli analizzatori di spettro analogici: per analisi dei segnali a bassa frequenza segnali transitori La banda di frequenza in tempo reale può arrivare anche al gigahertz (frequenze di campionamento di 4-5 GHz) 28 2006 Politecnico di Torino 14
Prestazioni degli analizzatori numerici 4/4 L accuratezza delle misure coinvolge: l accuratezza del sistema hardware (problematiche simile all oscilloscopio numerico) errori introdotti dal software : algoritmi di filtraggio numerico nel dominio del tempo e nel dominio della frequenza sia per l algoritmo di calcolo delle componenti spettrali 29 2006 Politecnico di Torino 15
Principio operativo Schema a blocchi Segnale di Ingresso Filtro f 1 Filtro f 2 Rivelat. #1 Rivelat. #2 MUX TRC Y X Filtro f n Rivelat. #n Generatore di Scansione f 1 f n 31 Risoluzione e banda dei filtri La larghezza di banda dei filtri determina la risoluzione in frequenza dello strumento Se si vuole risoluzione elevata occorrono molti filtri a banda stretta 32 2006 Politecnico di Torino 16
Risposta nel tempo dei filtri Più è stretta la banda del filtro più è lungo il tempo di risposta T R e quindi il sistema tende a non essere più real time V in t V in FILTRO P. BANDA V out V out t T R 33 2006 Politecnico di Torino 17
Approfondimenti I seguenti concetti devono essere meditati e risultare chiari dallo studio della lezione: significato fisico dello spettro di ampiezza di un segnale il motivo per cui occorre utilizzare la tecnica più adatta al tipo di segnale perché si ha la necessità di analisi real time per particolari segnali limiti delle ipotesi real-time degli analizzatori reali 35 Sommario della lezione : Generalità I segnali da analizzare Analizzatore numerico real-time Analizzatore analogico real-time Domande di riepilogo 36 2006 Politecnico di Torino 18