Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 1
Analizzatore di spettro
2
Analizzatore di spettro
Generalità sull’analisi spettrale
Analizzatori a scansione
Analizzatori a doppia conversione
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 2
Analizzatori a scansione
4
Metodologici
realizzazione pratica di un analizzatore a scansioneapplicazione della conversione di frequenzaproblematiche che nascono nell’operazione di conversione di frequenza incompatibilità tra velocità di scansione elevate e risoluzioni elevate
Obiettivi della lezione
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 3
5
Teoria dei segnali:
analisi spettrale di un segnaletrasformazione tempo-frequenza
Sistemi elettronici:
filtri passa bandarivelatori di ampiezzarisposta al transitorio di un filtro a banda stretta
Prerequisiti per la lezione
6
“Misure elettroniche”S. LeschiuttaPitagora Editrice, Bologna, 1996,
cap. 10, pag. 161
“Misure elettroniche”U. PisaniPoliteko Ed., Torino, 1999,
cap. 9, pag. 231
Bibliografia per la lezione
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 4
7
Analizzatori a scansione:
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
Contenuti della lezione 1/2
8
Problema delle frequenze immagine
Risoluzione in frequenza
Velocità di scansione e tempi di risposta
Stabilità di frequenza dell’oscillatore locale
Rappresentazione dello spettro
Contenuti della lezione 2/2
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 5
Analizzatori a scansione
10
Principio operativo 1/2
Filtro selettivo a sintonia variabile elettronicamente con comando in tensione
Si scandisce la banda di frequenza che si vuole analizzare
v
H(v)
Variazione disintonia
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 6
11
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’analizzatorenormalizzata a 50 Ω si può rappresentare anche lo spettro di potenza
12
Problemi dovuti alla scansione 1/2
Il filtro ha all’ingresso un segnale che variacontinuamente
Il filtro è quindi soggetto ad un transitoriocontinuo
A causa del tempo di risposta del filtro può succedere che l’uscita non sia mai a regime
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 7
13
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
Analizzatori a scansione
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 8
15
Analizzatore con filtro a sintonia variabile
Schema di principio
Filtro a sintonia variabile
Generatore di rampa
Asse Y
Asse X
TRC
Rivelatore
Segnale
16
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 rampaproporzionale alla frequenza di sintonia del filtro
l’asse X è quindi tarato in frequenza
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 9
17
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 strettala 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
Analizzatori a scansione
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 10
19
Principio operativo
Soluzione: conversione di frequenza di tipo eterodina
filtro passa banda a frequenza fIF fissa
spettro che scorre sull’asse delle frequenze ν
fIF ν
Curva di selettivitàdel filtro
H(ν)
fIF
20
La conversione di frequenza 1/2
Lo scorrimento dello spettro è ottenuto mediante conversione di frequenza con un oscillatore locale (LO) la cui frequenza fLO è variata con continuità
Il segnale di ingresso fs viene mescolato con il segnale sinusoidale dell’oscillatore locale, ottenendo in uscita:
sLOu fff ±=
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 11
21
La conversione di frequenza 2/2
Se per esempio si suppone fLO>fs la componente fs dello spettro tale che:
cade all’interno del filtro e dà una risposta in uscita
IFsLO fff =−
22
Conversione di frequenza con fLO variabile
v v
fsmin=fLOmin-fIF fsmax=fLOmax-fIF
Gamma discansionedi fLO
fLOmax
∆f=fIF
vfLOmin
fIF
Filtro IF
fsmax
Spettro daanalizzare
0fsmin
vfLO
∆f=fIF
fIF
Filtro IF
0 fs
Spettroconvertito
fIF
Filtro IF
0
Spettroconvertito
fIF
Filtro IF
0
Analisi dell’estremo inferiore dello spettro
Analisi dell’estremo superiore dello spettro
IFsLO fff =−
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 12
23
Schema a blocchi di un analizzatore
fs fIF
Filtropassa-basso
Attenuatorea scatti diingresso
Filtro PassaBasso
RF
Mescolatore Amplificatoree Filtro IF
Oscillatore locale a frequenza variabile
Amplificatorelineare/
logaritmico
Generatoredi tensionea rampa
Defl. Y
Defl. X TRC
IN
fLO
Rivelatoredi
inviluppo
Analizzatori a scansione
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 13
25
Controllo della velocità di scansione
TRCAmplificatoreAttenuatore
tarato
Attenuatore RFLivello ingresso
Freq.Centrale
Freq.SPANVelocitàdi scansione
(Hz/s) Defl. YDefl. X
Attenuatoretarato
fs fIFAttenuatorea scatti diingresso
Filtro PassaBasso
Mescolatore Amplificatoree Filtro IF
IN
fLO
Generatoredi tensionea rampa
Sensib.Vert.
Banda filtro IF
Σ
Rivelatoredi inviluppo
Filtro PassaBasso
Oscillatore locale a frequenza variabile
26
Controllo larghezza della banda esplorata
TRCAmplificatoreAttenuatore
tarato
Attenuatore RFLivello ingresso
Freq.Centrale
Freq.SPAN
Defl. YDefl. X
Attenuatoretarato
fs fIFAttenuatorea scatti diingresso
Filtro PassaBasso
Mescolatore Amplificatoree Filtro IF
IN
Rivelatoredi inviluppo
Filtro PassaBasso
Oscillatore locale a frequenza variabile
fLO
Generatoredi tensionea rampa
Sensib.Vert.
Σ
Banda filtro IF
Velocitàdi scansione
(Hz/s)
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 14
27
Controllo della frequenza centrale
AmplificatoreAttenuatore
tarato
Attenuatore RFLivello ingresso
Freq.Centrale
Freq.SPAN
Defl. YDefl. X
Attenuatoretarato
fs fIFAttenuatorea scatti diingresso
Filtro PassaBasso
Mescolatore Amplificatoree Filtro IF
IN
fLO
Generatoredi tensionea rampa
Sensib.Vert.
Banda filtro IF
TRC
Σ
Rivelatoredi inviluppo
Filtro PassaBasso
Velocitàdi scansione
(Hz/s)
Oscillatore locale a frequenza variabile
28
Selettività del filtro IF
TRCAmplificatoreAttenuatore
tarato
Attenuatore RFLivello ingresso
Freq.Centrale
Freq.SPAN
Defl. YDefl. X
Attenuatoretarato
fs fIFAttenuatorea scatti diingresso
Filtro PassaBasso
Mescolatore Amplificatoree Filtro IF
IN
fLO
Generatoredi tensionea rampa
Sensib.Vert.
Banda filtro IF
Σ
Rivelatoredi inviluppo
Filtro PassaBasso
Velocitàdi scansione
(Hz/s)
Oscillatore locale a frequenza variabile
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 15
29
Fattore di scala verticale
TRCAmplificatoreAttenuatore
tarato
Attenuatore RFLivello ingresso
Freq.Centrale
Freq.SPAN
Defl. YDefl. X
Attenuatoretarato
fs fIFAttenuatorea scatti diingresso
Filtro PassaBasso
Mescolatore Amplificatoree Filtro IF
IN
fLO
Generatoredi tensionea rampa
Sensib.Vert.
Σ
Rivelatoredi inviluppo
Filtro PassaBasso
Velocitàdi scansione
(Hz/s)
Banda filtro IF
Oscillatore locale a frequenza variabile
Analizzatori a scansione
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 16
31
Uno dei vantaggi della conversione di frequenza è l’elevata sensibilità: capacità di rilevare segnali di basso livello (gli amplificatori selettivi migliorano il rapporto S/N)
Miglioramento della sensibilità
B
Potenza del segnale
Potenza di rumorein B
ν
32
Selettività elevata e variabile
La frequenza intermedia è fissaL’amplificatore selettivo è realizzabile con selettività molto elevataSi può variare a passi la larghezza di banda del filtro IF
B3dB
νfIF
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 17
33
Ampia gamma di scansione
Si riesce a realizzare una scansione su più decadidi frequenza utilizzando fLO e fIF elevate rispetto alla banda da analizzare
es.: fIF=200MHz ; 200.1 MHz≤fLO ≤310 MHz
gamma coperta dall'analizzatore:0.1MHz≤fs ≤110MHz)
Analizzatori a scansione
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 18
35
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 fLOmin deve tendere al limite al valore della frequenza intermedia (fLOmin⇒fIF)
Scansionedi fLO
fLOmax
∆f=fIF
vfLOmin≅fIFfIF
Filtro IF
fsmax
Spettro daanalizzare
0fsmin≅0
36
Estensione a frequenze molto basse 2/2
La frequenza fLOmin, presente all’uscita del mescolatore (insieme a tutte le altre componenti), passa direttamente attraverso il filtro IF
Mescolatore
Amplificatore eFiltro IF
fLOmin ≅fIF
fs≅0 fIF fLO
fIF
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 19
37
Oscillatore locale passante
Questa componente viene rivelata come se fosse presente nello spettro del segnaleAll’estremo sinistro dello schermo, in corrispondenza della frequenza 0, appare una riga chiamata “indicatore di frequenza zero” o “oscillatore locale passante”
2 64 8 f (MHz)
10 dB/div
0 dBm
0
Riga spuria:oscillatore localepassante
Analizzatori a scansione
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 20
39
Si tratta di frequenze, al di fuori dello spettro in esame che, combinandosi con fLO, generano una frequenza pari alla fIF secondo la relazione
fIM=fLO+fIF
Frequenze immagine fIM
v
∆f=fIF
fsmaxfsmin fLOmin
fIF
Filtro IF
Spettro daanalizzare
fLOmax
Gamma immagine
fIMmin fIMmax
∆f=fIF
40
Eliminazione fIM 1/3
Per eliminare le righe spurie occorre mettere un filtro passa basso all’ingresso dell’analizzatore che ne delimiti la banda
fIF fLOmin fLOmaxfIMmaxfIMmin
∆f=fIF
Gamma immagine
vfsmaxfsmin
Filtro IF
Spettro daanalizzare
fIFFiltro passa basso
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 21
41
Eliminazione fIM 2/3
TRCAmplificatoreAttenuatore
tarato
Σ
Attenuatore RFLivello ingresso
Freq.Centrale
Freq.SPAN
Defl. YDefl. X
Attenuatoretarato
fs fIFAttenuatorea scatti diingresso
Filtro PassaBasso
Mescolatore Amplificatoree Filtro IF
IN
Rivelatoredi
inviluppo
FiltroPassaBasso
Oscillatore locale a frequenza variabile
fLO
Generatoredi tensionea rampa
Sensib.Vert.
Banda filtro IF
Velocitàdi scansione
(Hz/s)
42
Eliminazione fIM 3/3
La frequenza intermedia fIF viene fissata di poco inferiore alla fLOmin
Entrambe sono sufficientemente maggiori della banda fsmax dello strumento
Si sceglie la banda ft del filtro passa bassofsmax<ft<fIF
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 22
Analizzatori a scansione
44
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)
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 23
45
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
46
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 B3dB del filtro IF
3dB
1 kHz
1 kHz
RBW=1kHz
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 24
47
La risoluzione e banda del filtro IF 4/4
Caso di due righe di livello diverso: Es. per poter distinguere da f1 una f2 di livello -60dB e distante da f1 circa 3 volte la B3db occorre un filtro con rapporto B60dB/B3dB<6
B60dB
60 dB
f1 f2
B3dB
< 6B3dB
B60dB
≅ 10B3dB
B60dB
Non si distinguono se
48
Risposta del filtro IF 1/5
Si supponga di inviare all’ingresso di un analizzatore un segnale sinusoidale ideale alla frequenza f0 il cui spettro è dato da δ(f0)Si faccia una scansione a banda stretta tra fLOmine fLOmax
fLOmin fLOmaxfIF
fLOcentrH(ν)
fLOmin -f0 fLOmax -f0
f0
ν
δ(f0)
Banda convertita
0
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 25
49
Risposta del filtro IF 2/5
Se la curva di selettività del filtro è idealmente una riga a fIF, l’uscita è anche essa una rigaQuesta compare nell’istante in cui fLO=fLOcentr essendo fLOcentr-fo= fIF
0
Curva di selettivitàdel filtro IF
fLOmin fLOmaxfIFfLOmin -f0 fLOmax -f0
f0
fLOcentrH(ν)
Banda convertita
ν
50
Risposta del filtro IF 3/5
In realtà la larghezza della curva di selettivitàproduce una risposta in uscita non nulla per diversi valori di fLO
La tensione in uscita al variare di fLO ha l’andamento della curva di selettività
0
Curva di selettivitàdel filtro IF
fLOmin fLOmaxfIFfLOmin -f0 fLOmax -f0
f0
fLOcentrH(ν)
Banda convertita
ν
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 26
51
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
-20 +20-40 ∆f (Hz)
10 dB/div
0 dBm
0
FREQ. SPAN 100 Hz
52
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
-2 +2-4 ∆f (kHz)
10 dB/div
0 dBm
0
FREQ. SPAN 10KHz
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 27
Analizzatori a scansione
54
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
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 28
55
Risoluzione e velocità di scansione 2/5
Il parametro indice della stazionarietà del fenomeno dipende:
dalla velocità con cui varia la frequenza di scansione
dalla larghezza di banda a 6dB ( ) del filtro IF
56
Risoluzione e velocità di scansione 3/5
La figura rappresenta risposte del filtro per diversi valori del parametro k
Si nota come, al crescere di k, siano errate sia l'ampiezza della riga sia la sua collocazione in frequenza
k=0.005 k=1 k=2. 5
k=5
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 29
57
Risoluzione e velocità di scansione 4/5
I controlli sul pannello dello strumento riguardano:
l'ampiezza della gamma analizzata (FrequencySpan)
la durata della scansione
la larghezza di banda del filtro IF
58
Risoluzione e velocità di scansione 5/5
I 3 parametri devono essere scelti in modo che k<<1 altrimenti la rappresentazione non ècorretta
Gli strumenti più recenti presentano un blocco (meccanico o elettronico) che impediscecombinazioni non corrette dei commutatori che selezionano i 3 parametri
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 30
Analizzatori a scansione
60
Problemi di stabilità di frequenza fLO 1/2
La minima RBW utilizzabile deve esserecompatibile con la stabilità nel tempo di fLO
Fluttuazioni nel tempo di fLO producono infatti fluttuazioni nella frequenza convertita
Anche se fs è idealmente stabile
fLOfIF
H(ν)
0 fS
ν
Frequenzaconvertitainstabile
Instabilitàdi fLO
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 31
61
Problemi di stabilità di frequenza fLO 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)
fLOfIF
H(ν)
0 fS
Curva di selettrivitàdel filtro IF
ν
Frequenzaconvertitainstabile
t
Rumore di ampiezza in uscita
Instabilitàdi fLO
Analizzatori a scansione
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 32
63
Costruzione dello spettro
I segnali X e Y sono disegnati su assi cartesiani come in un oscilloscopio
Attenuat. ingresso
FiltroPassaBasso
MIXER Amplificatore eFiltro IF
Oscillatorelocale
Rivelatoredi
inviluppo
Generatoredi rampa
Y
XTRC
IN
fLO
fs fIF
Y(t)
X(t)
t⇔f
t⇔f -2 +2-4 ∆f (kHz) 0
10 dB/div
0 dBm
64
Problemi per scansioni lente
Se si ha una scansione lenta dello spettro la presentazione analogica non va bene per questioni di persistenza di immagine
t
10 dB/div
0 dBm
t
Y
XTraccia che svanisce
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 33
65
Presentazione digitale
I moderni analizzatori presentano il segnale Y(t) in forma digitale come in un DSO
Per gentile concessione della ditta Tektronix
Analizzatori a scansione
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 34
67
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 frequenzeimmaginerisoluzione di frequenza e limiti imposti dalla velocità di scansione per una rappresentazione corretta dello spettrorisoluzioni elevate comportano elevate stabilità in frequenza dell’oscillatore locale
68
Sommario della lezione 1/2
Analizzatori a scansione: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
Misure Elettroniche II Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino 35
69
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