Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
Analizzatore di spettro
Analizzatore di spettro
Generalità sull’analisi spettrale
Analizzatori a scansione
Analizzatori a doppia conversione
2
© 2006 Politecnico di Torino
1
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
Analizzatori a scansione
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
4
© 2006 Politecnico di Torino
2
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
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. 231
6
© 2006 Politecnico di Torino
3
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
Contenuti 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
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
8
© 2006 Politecnico di Torino
4
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
Analizzatori a scansione
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
10
© 2006 Politecnico di Torino
5
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
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
12
© 2006 Politecnico di Torino
6
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
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
13
Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino
7
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
Analizzatore con filtro a sintonia variabile
Schema di principio
Filtro a sintonia
variabile
Rivelatore
Segnale
Asse Y
TRC
Generatore
di rampa
Asse X
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
16
© 2006 Politecnico di Torino
8
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
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
17
Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino
9
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
Principio operativo
Soluzione: conversione di frequenza di tipo
eterodina
filtro passa banda a frequenza fIF fissa
spettro che scorre sull’asse delle frequenze
ν
Curva di
selettività
del filtro
H(ν)
ffIFIF
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 fLO è variata con continuità
Il segnale di ingresso fs viene mescolato con il
segnale sinusoidale dell’oscillatore locale,
ottenendo in uscita:
fu = fLO± fs
20
© 2006 Politecnico di Torino
10
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
La conversione di frequenza 2/2
Se per esempio si suppone fLO>fs la componente
fs dello spettro tale che:
fLO − fs = fIF
cade all’interno del filtro e dà una risposta in
uscita
21
Conversione di frequenza con fLO variabile
Gamma di
Filtro IF
∆f=fIF Filtro IF scansione
∆f=fIF
0
fs
fIF
fLO
v
0
fLO − fs = fIF
Filtro IF
fsmin=fLOmin-fIF
0
Analisi dell’estremo
inferiore dello spettro
fsmin
fIF
fsmax fLOmin
v
fLOmax
Filtro IF
Spettro
convertito
fIF
di fLO
Spettro da
analizzare
v
0
fsmax=fLOmax-fIF
Spettro
convertito
fIF
v
Analisi dell’estremo
superiore dello spettro
22
© 2006 Politecnico di Torino
11
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
Schema a blocchi di un analizzatore
IN
Attenuatore
a scatti di
ingresso
Filtro Passa
Basso
RF
Mescolatore
fIF
Amplificatore
e Filtro IF
fLO
Oscillatore locale a
frequenza variabile
Generatore
di tensione
a rampa
Defl. X
fs
Rivelatore
di
inviluppo
TRC
Defl. Y
Amplificatore
lineare/
logaritmico
Filtro
passa-basso
23
Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino
12
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
Controllo della velocità di scansione
Attenuatore RF
Livello ingresso
IN
Attenuatore
a scatti di
ingresso
Generatore
di tensione
a rampa
Banda filtro IF
fs
Filtro Passa
Basso
Mescolatore
fIF
Amplificatore
e Filtro IF
fLO
Attenuatore
tarato
Oscillatore locale a
frequenza variabile
Σ
Freq.Centrale
Velocità
di scansione
(Hz/s)
Freq.SPAN
Defl. X
TRC
Rivelatore
di inviluppo
Filtro Passa
Basso
Sensib.Vert.
Defl. Y
Amplificatore
Attenuatore
tarato
25
Controllo larghezza della banda esplorata
Attenuatore RF
Livello ingresso
IN
Attenuatore
a scatti di
ingresso
Generatore
di tensione
a rampa
Banda filtro IF
fs
Filtro Passa
Basso
Mescolatore
fIF
Amplificatore
e Filtro IF
fLO
Attenuatore
tarato
Σ
Oscillatore locale a
frequenza variabile
Freq.Centrale
Velocità
di scansione
(Hz/s)
Freq.SPAN
Defl. X
TRC
Rivelatore
di inviluppo
Filtro Passa
Basso
Sensib.Vert.
Defl. Y
Amplificatore
Attenuatore
tarato
26
© 2006 Politecnico di Torino
13
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
Controllo della frequenza centrale
Attenuatore RF
Livello ingresso
IN
Attenuatore
a scatti di
ingresso
Generatore
di tensione
a rampa
Banda filtro IF
fs
Filtro Passa
Basso
Mescolatore
fIF
Amplificatore
e Filtro IF
fLO
Attenuatore
tarato
Oscillatore locale a
frequenza variabile
Σ
Freq.Centrale
Velocità
di scansione
(Hz/s)
Freq.SPAN
Defl. X
TRC
Rivelatore
di inviluppo
Filtro Passa
Basso
Sensib.Vert.
Defl. Y
Amplificatore
Attenuatore
tarato
27
Selettività del filtro IF
Attenuatore RF
Livello ingresso
IN
Attenuatore
a scatti di
ingresso
Generatore
di tensione
a rampa
Banda filtro IF
fs
Filtro Passa
Basso
Mescolatore
fIF
Amplificatore
e Filtro IF
fLO
Attenuatore
tarato
Σ
Oscillatore locale a
frequenza variabile
Freq.Centrale
Velocità
di scansione
(Hz/s)
Freq.SPAN
Defl. X
TRC
Rivelatore
di inviluppo
Filtro Passa
Basso
Sensib.Vert.
Defl. Y
Amplificatore
Attenuatore
tarato
28
© 2006 Politecnico di Torino
14
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
Fattore di scala verticale
Attenuatore RF
Livello ingresso
IN
Attenuatore
a scatti di
ingresso
Generatore
di tensione
a rampa
Filtro Passa
Basso
Banda filtro IF
fs
Mescolatore
fIF
Amplificatore
e Filtro IF
fLO
Attenuatore
tarato
Σ
Oscillatore locale a
frequenza variabile
Freq.Centrale
Velocità
di scansione
(Hz/s)
Freq.SPAN
Defl. X
TRC
Rivelatore
di inviluppo
Filtro Passa
Basso
Sensib.Vert.
Defl. Y
Amplificatore
Attenuatore
tarato
29
Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino
15
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
Miglioramento della sensibilità
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)
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
B3dB
fIF
ν
32
© 2006 Politecnico di Torino
16
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
Ampia gamma di scansione
Si riesce a realizzare una scansione su più decadi
di 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)
33
Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino
17
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
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)
Filtro IF
∆f=fIF
Scansione
di fLO
Spettro da
analizzare
0
fsmin≅0
fsmax
fIF
fLOmin≅fIF
v
fLOmax
35
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
fs≅0
Mescolatore
fIF
Amplificatore e
Filtro IF
fLO
fIF
fLOmin ≅fIF
36
© 2006 Politecnico di Torino
18
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
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”
0 dBm
Riga spuria:
oscillatore locale
10
passante
dB/div
0
2
4
6
8 f (MHz)
37
Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino
19
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
Frequenze immagine fIM
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
∆f=fIF Filtro IF
∆f=fIF
Spettro da
analizzare
fsmin
fsmax
Gamma
immagine
fIF
fLOmin fLOmax fIMmin fIMmax
v
39
Eliminazione fIM 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
fIF
Filtro IF
∆f=fIF
Spettro da
analizzare
fsmin fsmax fIF
Gamma
immagine
fLOmin fLOmax
v
fIMmin fIMmax
40
© 2006 Politecnico di Torino
20
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
Eliminazione fIM 2/3
Attenuatore RF
Livello ingresso
IN
Attenuatore
a scatti di
ingresso
Generatore
di tensione
a rampa
Banda filtro IF
fs
Filtro Passa
Basso
Mescolatore
fIF
Amplificatore
e Filtro IF
fLO
Attenuatore
tarato
Σ
Oscillatore locale a
frequenza variabile
Rivelatore
di
inviluppo
Filtro
Passa
Basso
Freq.Centrale
Velocità
di scansione
(Hz/s)
Freq.SPAN
Defl. X
TRC
Sensib.Vert.
Defl. Y
Amplificatore
Attenuatore
tarato
41
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 basso
fsmax<ft<fIF
42
© 2006 Politecnico di Torino
21
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
Analizzatori a scansione
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)
44
© 2006 Politecnico di Torino
22
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
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 B3dB del
filtro IF
RBW=1kHz
1 kHz
3dB
1 kHz
46
© 2006 Politecnico di Torino
23
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
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
B3dB
Non si distinguono
se
B60dB
B3dB ≅ 10
60 dB
B60dB
B3dB
B60dB
f1
<6
f2
47
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 fLOmin
e fLOmax
H(ν)
Banda
convertita
fLOcentr
δ(f0)
ν
0
f0
fLOmin -f0
fIF
fLOmin
fLOmax -f0
fLOmax
48
© 2006 Politecnico di Torino
24
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
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 riga
Questa compare nell’istante in cui fLO=fLOcentr
essendo fLOcentr-fo= fIF
H(ν)
Curva di selettività
del filtro IF
Banda
convertita
fLOcentr
ν
0
f0
fLOmin -f0
fIF
fLOmin
fLOmax -f0
fLOmax
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 fLO
La tensione in uscita al variare di fLO ha
l’andamento della curva di selettività
H(ν)
Curva di selettività
del filtro IF
Banda
convertita
fLOcentr
ν
0
f0
fLOmin -f0
fIF
fLOmin
fLOmax -f0
fLOmax
50
© 2006 Politecnico di Torino
25
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
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
FREQ. SPAN
100 Hz
10
dB/div
-40 -20
0 +20
∆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
FREQ. SPAN
10KHz
10
dB/div
-4
-2
0 +2
∆f (kHz)
52
© 2006 Politecnico di Torino
26
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
Analizzatori a scansione
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
54
© 2006 Politecnico di Torino
27
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
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
56
© 2006 Politecnico di Torino
28
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
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
58
© 2006 Politecnico di Torino
29
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
Analizzatori a scansione
Problemi di stabilità di frequenza fLO 1/2
La minima RBW utilizzabile deve essere
compatibile con la stabilità nel tempo di fLO
Fluttuazioni nel tempo di fLO producono infatti
fluttuazioni nella frequenza convertita
Anche se fs è idealmente stabile
H(ν)
Frequenza
convertita
instabile
Instabilità
di fLO
0
© 2006 Politecnico di Torino
fS
fIF
ν
fLO
60
30
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
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)
H(ν)
Frequenza Curva di selettrività
convertita del filtro IF
Rumore di
instabile
ampiezza in uscita
Instabilità
di fLO
t
0
fS
fIF
ν
fLO
61
Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino
31
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
Costruzione dello spettro
I segnali X e Y sono disegnati su assi cartesiani
come in un oscilloscopio
IN
Attenuat.
ingresso
fs
Filtro
Passa
Basso
fIF
MIXER
fLO
Amplificatore e
Filtro IF
Oscillatore
locale
Generatore
di rampa
X
0 dBm
TRC
Rivelatore
di
inviluppo
Y
Y(t)
t⇔f
X(t)
t⇔f
10
dB/div
-4
-2
0 +2
∆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
Y
10
dB/div
t
Traccia che
svanisce
X
t
64
© 2006 Politecnico di Torino
32
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
Presentazione digitale
I moderni analizzatori presentano il segnale Y(t)
in forma digitale come in un DSO
Per gentile concessione della ditta Tektronix
65
Analizzatori a scansione
© 2006 Politecnico di Torino
33
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
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
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
68
© 2006 Politecnico di Torino
34
Misure Elettroniche II
Analizzatori a scansione
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
69
© 2006 Politecnico di Torino
35