Misure Elettroniche II Generalità sull’analisi spettrale
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Analizzatore di spettro
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Analizzatore di spettro
Generalità sull’analisi spettrale
Analizzatori a scansione
Analizzatori a doppia conversione
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Generalità sull’analisi spettrale
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Metodologicicome eseguire l’analisi spettrale di un segnale esigenze di analisi in tempo reale per segnali con spettro tempo variantepossibilità di analisi a scansione di frequenza per segnali con spettro tempo invariantetrasformazione tempo-frequenza su segnale campionato
Obiettivi della lezione
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Prerequisiti per la lezione
Teoria dei segnali:analisi spettrale di un segnaletrasformazione tempo-frequenzacampionamento e trasformata discreta tempo-frequenza
Sistemi elettronici:filtri passa bandarivelatori di ampiezzarisposta al transitorio di un filtro a banda stretta
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“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
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Generalità sull’analisi spettrale:
Generalità
I segnali da analizzare
Analizzatore numerico real-time
Analizzatore analogico real-time
Contenuti della lezione
Generalità sull’analisi spettrale
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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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Misura di distorsione 2/2
Rappresentazione spettrale di una sinusoide a 2 MHz in cui l'ampiezza della seconda armonica è40 dB inferiore alla fondamentale (distorsione di 2a armonica D2=1%)
2 64 8 f (MHz)
Fondamentale
2a armonica10 dB/div
0 dBm
A1
A2A3 A4
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Pannello di un analizzatore di spettro
Per gentile concessione della ditta Agilent
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Rappresentazione a colori
Finestre spettrali con evidenziati diversi parametri
Schermo di un analizzatore di spettro
Generalità sull’analisi spettrale
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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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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-timeanalizzatore sweep-tuned (cioè a sintonia variabile)
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Analizzatore real-time
L’analizzatore real-time, misura simultaneamentel'ampiezza delle varie componenti dello spettro del segnale
Questa operazione avviene in tempi brevi e quindi è possibile analizzare spettri tempo-varianti (transitori)
t
V(t)
f
A(f)A0(f0)
A1(f1)A2(f2)An(fn)
Misurate contemporaneamente
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Analizzatore sweep-tuned
L’analizzatore sweep-tuned esegue una scansionein frequenza dello spettro:
L’operazione avviene in tempi lunghiSi possono analizzare solo segnali con spettroinvariante durante tutto il tempo della scansione
t
V(t)
f
A(f)A0(f0)
A1(f1)A2(f2)An(fn)
Misurate sequenzialmente
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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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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
Generalità sull’analisi spettrale
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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 FourierTransform, 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 moltobrevi, da apparire quasi in tempo reale, sullo schermo di un TRC con tecnica generalmente di tipo raster
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PRESENTAZIONE
S/H ADC
CLK
DIGIT.MEM.
CPU
Campionatore eConvertitore A/D
UNITÀ DI MEMORIA EDI ELABORAZIONE
trigger delay
Blocco di trigger
ATT. AMPL.
Unità di ingressoIN
BU
S D
ATI
Filtro p.b.
Bw
DSP
TRC
GESTIONE.DISPLAY
EXT.TRIG
Schema di principio di un analizzatore FFT
FILTRO p.b BW
TRIGGER DELAY
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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, purchéil segnale abbia caratteristiche di stazionarietàper tutta la durata dell' acquisizione
Sotto questo aspetto, l’analizzatore FFT ha prestazione simile all’analizzatore analogico realtime
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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 tempo-frequenza)
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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 frequenzasegnali transitori
La banda di frequenza in tempo reale può arrivare anche al gigahertz (frequenze di campionamento di 4-5 GHz)
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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 frequenzasia per l’algoritmo di calcolo delle componenti spettrali…
Generalità sull’analisi spettrale
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Principio operativo
Schema a blocchi
Segnale diIngresso
Rivelat. #1Filtro f1
Rivelat. #2Filtro f2
Rivelat. #n
MUX
Generatoredi
Scansione
TRC
Y
X
f1 fnFiltro 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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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”
FILTROP. BANDA
Vin Vout
t
tVin
Vout
TR
Generalità sull’analisi spettrale
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I seguenti concetti devono essere meditati e risultare chiari dallo studio della lezione:
significato fisico dello spettro di ampiezza di un segnaleil motivo per cui occorre utilizzare la tecnica piùadatta al tipo di segnaleperché si ha la necessità di analisi real time per particolari segnalilimiti delle ipotesi real-time degli analizzatori reali
Approfondimenti
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Domande di riepilogo
Sommario della lezione
Generalità sull’analisi spettrale:
GeneralitàI segnali da analizzareAnalizzatore numerico real-timeAnalizzatore analogico real-time
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