Misure Elettroniche II
Generalità sull’analisi spettrale
Analizzatore di spettro
Analizzatore di spettro
Generalità sull’analisi spettrale
Analizzatori a scansione
Analizzatori a doppia conversione
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Misure Elettroniche II
Generalità sull’analisi spettrale
Generalità sull’analisi spettrale
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
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Misure Elettroniche II
Generalità sull’analisi spettrale
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
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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
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Misure Elettroniche II
Generalità sull’analisi spettrale
Contenuti della lezione
Generalità sull’analisi spettrale:
Generalità
I segnali da analizzare
Analizzatore numerico real-time
Analizzatore analogico real-time
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Generalità sull’analisi spettrale
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Misure Elettroniche II
Generalità sull’analisi spettrale
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
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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
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Misure Elettroniche II
Generalità sull’analisi spettrale
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
2a armonica D2=1%)
0 dBm
Fondamentale
A1
10
dB/div
2a armonica
A2
2
4
A3
6
A4
8 f (MHz)
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Pannello di un analizzatore di spettro
Per gentile concessione della ditta Agilent
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Misure Elettroniche II
Generalità sull’analisi spettrale
Schermo di un analizzatore di spettro
Rappresentazione a colori
Finestre spettrali con evidenziati diversi parametri
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Generalità sull’analisi spettrale
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Misure Elettroniche II
Generalità sull’analisi spettrale
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
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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
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Misure Elettroniche II
Generalità sull’analisi spettrale
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)
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Analizzatore real-time
L’analizzatore real-time, misura simultaneamente
l'ampiezza delle varie componenti dello spettro
del segnale
Misurate contemporaneamente
V(t)
A0(f0)
A(f)
A1(f1)
A2(f2)
t
An(fn)
f
Questa operazione avviene in tempi brevi e
quindi è possibile analizzare spettri tempovarianti (transitori)
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Misure Elettroniche II
Generalità sull’analisi spettrale
Analizzatore sweep-tuned
L’analizzatore sweep-tuned esegue una scansione
in frequenza dello spettro:
Misurate sequenzialmente
V(t)
A0(f0)
A(f)
A1(f1)
A2(f2)
t
An(fn)
f
L’operazione avviene in tempi lunghi
Si possono analizzare solo segnali con spettro
invariante durante tutto il tempo della scansione
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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
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Misure Elettroniche II
Generalità sull’analisi spettrale
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
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Generalità sull’analisi spettrale
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Misure Elettroniche II
Generalità sull’analisi spettrale
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
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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
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Misure Elettroniche II
Generalità sull’analisi spettrale
Schema di principio di un analizzatore FFT
Campionatore e
Convertitore A/D
Unità di ingresso
IN
ATT.
Filtro
p.b.
FILTRO
AMPL.
p.b
BBW
w
S/H
ADC
CLK
Blocco di trigger
TRIGGER
trigger
DIGIT.
MEM.
delay
DELAY
CPU
PRESENTAZIONE
GESTIONE.
DISPLAY
BUS DATI
EXT.
TRIG
DSP
TRC
UNITÀ DI MEMORIA E
DI ELABORAZIONE
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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
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Misure Elettroniche II
Generalità sull’analisi spettrale
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)
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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)
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Misure Elettroniche II
Generalità sull’analisi spettrale
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
…
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Generalità sull’analisi spettrale
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Misure Elettroniche II
Generalità sull’analisi spettrale
Principio operativo
Schema a blocchi
Segnale di
Ingresso
Filtro f1
Rivelat. #1
Y
Filtro f2
Rivelat. #2
MUX
TRC
X
Filtro fn
Rivelat. #n
Generatore
di
Scansione
f1
fn
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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
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Misure Elettroniche II
Generalità sull’analisi spettrale
Risposta nel tempo dei filtri
Più è stretta la banda del filtro più è lungo il
tempo di risposta TR e quindi il sistema tende a
non essere più “real time”
Vin
Vin
FILTRO
P. BANDA
t
Vout
Vout
t
TR
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Generalità sull’analisi spettrale
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Misure Elettroniche II
Generalità sull’analisi spettrale
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
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Sommario della lezione
Generalità sull’analisi spettrale:
Generalità
I segnali da analizzare
Analizzatore numerico real-time
Analizzatore analogico real-time
Domande di riepilogo
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