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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




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



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



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




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



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



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




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



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




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 ±=



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 =−



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




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


IN

fLO


Sensib.Vert.

Banda filtro IF

Σ

Rivelatoredi inviluppo

Filtro PassaBasso


26

Controllo larghezza della banda esplorata


tarato


Freq.Centrale

Freq.SPAN

Defl. YDefl. X

Attenuatoretarato


Filtro PassaBasso


IN


Filtro PassaBasso


fLO


Sensib.Vert.

Σ

Banda filtro IF

Velocitàdi scansione

(Hz/s)



27

Controllo della frequenza centrale

AmplificatoreAttenuatore

tarato


Freq.Centrale

Freq.SPAN

Defl. YDefl. X

Attenuatoretarato


Filtro PassaBasso


IN

fLO


Sensib.Vert.

Banda filtro IF

TRC

Σ


Filtro PassaBasso


(Hz/s)


28

Selettività del filtro IF


tarato


Freq.Centrale

Freq.SPAN

Defl. YDefl. X

Attenuatoretarato


Filtro PassaBasso


IN

fLO


Sensib.Vert.

Banda filtro IF

Σ


Filtro PassaBasso


(Hz/s)




29

Fattore di scala verticale


tarato


Freq.Centrale

Freq.SPAN

Defl. YDefl. X

Attenuatoretarato


Filtro PassaBasso


IN

fLO


Sensib.Vert.

Σ


Filtro PassaBasso


(Hz/s)

Banda filtro IF





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



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)




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


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



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




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


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


fIFFiltro passa basso



41



tarato

Σ


Freq.Centrale

Freq.SPAN

Defl. YDefl. X

Attenuatoretarato


Filtro PassaBasso


IN

Rivelatoredi

inviluppo

FiltroPassaBasso


fLO


Sensib.Vert.

Banda filtro IF


(Hz/s)

42


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




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)



45


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


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



47


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



49


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


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



51


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


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




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



55


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


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



57


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


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




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



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




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



65

Presentazione digitale

I moderni analizzatori presentano il segnale Y(t) in forma digitale come in un DSO

Per gentile concessione della ditta Tektronix




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



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

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