Analizzatore di spettro e generatore di segnali a microonde

Analizzatore di spettro

1) Schema di un analizzatore di spettro supereterodina :

Il segnale RF è inviato tramite un filtro passabasso al mixer il quale presenta un isolamento IF-RF non infinito pertanto si preferisce avere una IF maggiore della RF e fissa ad una determinata frequenza in modo da semplificare il progetto dei successivi filtri passabanda molto stretti i quali precedono il rivelatore ad inviluppo. Un generatore di rampa invia lo stesso segnale sia al canale orizzontale del CRT che all´oscillatore locale il quale quindi varia la f_LO e  corrispondentemente dovendo rimanere fissa f_IF si va ad analizzare una differente f_RF .

Il passabasso in ingresso ha il compito di tagliare via il contributo dovuto alla frequenza immagine ossia la speculare della f_RF rispetto all´oscillatore locale.

 

2) Criteri per risolvere due segnali molto vicini in frequenza :

Un analizzatore di spettro che abbia un tono in ingresso lo rappresenta sempre in uscita mediante una campana gaussiana che corrisponde alla risposta del filtro RBW selezionato, ciò significa che se abbiamo due segnali molto vicini in frequenza le loro campane si sovrapporranno, ne consegue che se i due toni hanno la stessa ampiezza sarà sufficiente impostare per la RBW una opportuna banda a –3dB mentre se la ampiezza di uno dei toni è molto maggiore rispetto alla ampiezza della altro tono occorre poter variare anche la selettività del filtro RBW ossia il rapporto tra la larghezza di banda a –60dB e la larghezza di banda a –3dB.

 

3) Skirt :

Si tratta del valore di attenuazione del filtro per un dato offset rispetto alla frequenza centrale, è importante in quanto consente di selezionare una opportuna RBW al fine di visualizzare due segnali di cui uno ha un livello inferiore di NdB rispetto alla altro.

 

4) Caratteristiche della oscillatore locale :

È un oscillatore a frequenza variabile basato su sfere di YIG, presenta una FM residua di circa 1kHz dovuta alla accoppiamento tra il dente di sega che polarizza il YIG ed il dispositivo attivo presente nell´oscillatore, l´effetto si fa evidente al diminuire della RBW, in particolare quando questa è dello stesso ordine di grandezza della banda dovuta alla FM residua si vedono delle frastagliature sulla campana che descrive il segnale d´ingresso.

L´oscillatore locale presenta inoltre instabilità sia in ampiezza che in fase, la prima può essere eliminata mediante un limitatore mentre la seconda è dovuta all´elemento attivo e manifesta i suoi effetti in corrispondenza del rumore di fondo del sistema, in particolare si hanno contributi 1/f , 1/f² , 1/f³ , 1/f⁴ che si ipotizza siano dovuti a battimenti con se stesso del rumore 1/f .

 

5) Sweep Time :

È il tempo necessario all´oscillatore locale per eseguire una spazzolata della intervallo di frequenze, tale tempo aumenta alla aumentare della risoluzione ossia al diminuire della RBW , si ha infatti che il tempo  che il segnale rimane all´interno della RBW deve essere maggiore del  del filtro di risoluzione essendo k una costante che tiene conto del fatto se valutiamo l´80% o il 90% del valore asintotico per valutare il tempo di risposta del filtro. Sostituendo si ottiene la disuguaglianza  che evidenzia come al diminuire della RBW lo Sweep Time aumenta quadraticamente , per evitare tempi di scansione eccessivamente lunghi si può ridurre lo span nel caso si utilizzino RBW molto piccole ma in questo caso la dipendenza è solo lineare.

 

6) Caratteristiche del rivelatore d´inviluppo :

La frequenza del segnale d´ingresso è desumibile dalla frequenza della oscillatore locale pertanto ci interessa soltanto determinare la ampiezza associata ad ogni frequenza, a tal fine si utilizza un rivelatore d´inviluppo costituito da un diodo seguito da un  parallelo RC la cui costante di tempo deve esser tale da seguire i picchi del segnale IF. Si osservi che se l´oscillatore locale viene fatto lavorare ad una frequenza fissa allora all´uscita del rivelatore abbiamo la demodulata.

7) Filtraggio video :

È possibile eliminare il ripple sovrapposto al segnale demodulato semplicemente posponendo al rivelatore d´inviluppo un filtro video passa basso che precede il CRT, nel caso che sia VBW <  RBW si ha che la VBW concorre alla determinazione del minimo Sweep Time, in particolare si ha .

 

8) Media video :

Si tratta di un filtraggio che consiste nell´effettuare una media dei valori ottenuti su due o più spazzolate della intervallo di frequenze in esame, in tal modo vengono notevolmente ridotte le fluttuazioni.

 

9) Metodi di visualizzazione :

La visualizzazione diretta su CRT presenta problemi di persistenza nel caso di lunghi Sweep Time, si preferisce pertanto ricorrere a display numerici, per essi si ha che lo Span viene suddiviso in un numero di celle non superiori a 1000 ad ognuna delle quali è associata una locazione di memoria, le modalità di assegnamento di un valore ad una cella sono le tre seguenti:

a)       Sample Mode

viene campionato e visualizzato il segnale presente sempre in una determinata posizione della cella, ad esempio al centro o su di un bordo

b)       Pos Peak e Neg Peak

col detector Pos Peak viene visualizzato il valore di ampiezza massimo presente nella cella mentre con il Neg Peak viene visualizzato il minimo

c)       Rosenfell

Nel caso di rumore verranno mostrati per ogni cella sia il valore massimo che il minimo mentre nel caso di un segnale verrà mostrato soltanto il valore massimo

 

10) Incertezza assoluta e relativa :

L´incertezza assoluta è funzione della procedura di calibrazione dello strumento che consiste nell´inviare in ingresso un segnale di cui siano note frequenza e potenza in modo da correggere gli errori sistematici. L´incertezza relativa tiene conto del fatto che i segnali in ingresso alla analizzatore hanno frequenza ed ampiezza diverse rispetto a quelle del segnale di calibrazione.

 

11) Sensibilità della analizzatore di spettro :

La capacità di rilevare segnali aventi livello molto basso è inficiata dal rumore generato dalla circuiteria della analizzatore di spettro ed in particolare dalla amplificatore IF . Lasciando l´ingresso aperto sul display si ha la somma del rumore esterno e del rumore generato internamente, la cifra di rumore del sistema è molto elevata, per ridurla si utilizza un preamplificatore il quale però riduce anche il range dinamico pertanto occorre inserire anche un attenuatore il quale diminuendo il livello del segnale ma lasciando inalterato il rumore peggiora il rapporto S/N e pertanto la cifra di rumore. Un miglioramento della sensibilità si ottiene restringendo la RBW, in tal modo infatti si può tagliar via più rumore.

 

12) Cifra di rumore della analizzatore di spettro :

Dato che la analizzatore ha guadagno unitario, si ha che il fattore di rumore è  quindi la cifra di rumore è  nella quale sostituisco  la quale per B=1Hz vale –174dBm mentre per B=10kHz vale –110dBm analogamente si ha  quindi sostituendo, semplificando B e facendo comparire RBW in una espressione si ha che considerando una RBW pari a 10kHz vale circa 24dB il quale è un valore molto alto ma si deve tener conto che la analizzatore di spettro è uno strumento a carattere generale e non un semplice ricevitore.

 

13) Misura di rumore :

L´analizzatore di spettro in genere presenta un livello di rumore inferiore di 2,5dB al valore effettivo, ciò è dovuto al fatto che la distribuzione d´ingresso è normalmente gaussiana ma all´uscita del detector abbiamo l´inviluppo che, nel caso di una scala lineare, è distribuito secondo Rayleigh ciò determina una correzione di +1,05dB alla quale si debbono aggiungere +1,45dB nel caso di scala logaritmica pertanto complessivamente si ha un errore sistematico pari a 2,5dB che può essere corretto in maniera automatica.

 

14) Cifra di rumore di un sistema composto da analizzatore di spettro e preamplificatore  :

Il fattore di rumore del sistema è  quindi osservando che il fattore di rumore della analizzatore è compreso tra 100 e 1000 possiamo trascurare 1 rispetto a F_SA pertanto la cifra di rumore del sistema è  che può essere rappresentata sulle ordinate di un grafico avente in ascissa  , evidentemente quando quest´ultima grandezza vale 0 abbiamo   mentre asintoticamente abbiamo sia a dx che a sx . L´ottimo per la cifra di rumore del sistema si può ottenere in due modalità distinte :

a)       con un preamplificatore a guadagno molto elevato si ha che la cifra di rumore del sistema coincide con la cifra di rumore del preamplificatore, il problema di questa soluzione è che si riduce il range di misura e pertanto occorre introdurre un attenuatore

b)       se la cifra di rumore della analizzatore di spettro è maggiore di almeno 10dB rispetto alla somma del guadagno del preamplificatore e della sua cifra di rumore allora la cifra di rumore del sistema è pari alla differenza tra la cifra di rumore della analizzatore di spettro ed il guadagno del preamplificatore.

 

15) Range dinamico e distorsione interna :

Il range dinamico è la differenza tra il livello massimo di un segnale ed il livello minimo di un secondo segnale che possono essere visualizzati contemporaneamente consentendo la misura del segnale più piccolo con una fissata incertezza. Se il segnale RF è in modulo troppo elevato allora il mixer genererà anche le sue armoniche che pertanto si vanno a sommare ad un eventuale segnale in ingresso alle stesse frequenze, i due contribuiti possono però essere distinti semplicemente per il fatto che variando la attenuazione in ingresso al mixer il segnale d´ingresso subisce una attenuazione A mentre i prodotti di ordine n subiscono un´attenuazione nA. Al crescere della potenza in ingresso il range dinamico non è limitato dal rumore bensì dalla generazione della 2ª e 3ª armonica.

 

16) Measurement Range :

Il range di misura si differenzia dal range dinamico in quanto il segnale minimo ed il segnale massimo possono essere visualizzati non contemporaneamente

 

17) Estensione del range di frequenza :

Occorre prima di tutto togliere il filtro passa basso che si aveva in ingresso per eliminare l´immagine, dopodiché per il range sino a 2.9GHz si continua ad utilizzare la catena precedente mentre per il range esteso si sfrutta la seconda armonica generata dal mixer e si va direttamente al passa banda centrato a 321.4MHz che quindi seleziona una

down-convertion. Possiamo avere una idea delle sovrapposizioni in frequenza tra le varie armoniche tracciando nel piano f_RF , f_LO  le curve f_RF = f_LO e  f_RF = f_LO ± f_IF  in particolare chiamiamo 1⁺ la f_LO + f_IF  ed 1^- la f_LO - f_IF  analogamente considerando le armoniche della oscillatore locale chiamiamo n⁺ la nf_LO + f_IF  ed n^- la nf_LO - f_IF    , se consideriamo il range 1kHz-2.9GHz abbiamo che l´intervallo di f_RF individuato dalla 1^- non si sovrappone agli intervalli individuati dalle altre f_LO pertanto un passa basso sarà sufficiente a tagliar via l´immagine.

Nel caso di estensione del range di frequenza le cose si complicano infatti vi sono sovrapposizioni già tra la 1⁺ e la 1^- ed a maggior ragione tali sovrapposizioni ci saranno con gli altri modi in quanto la larghezza di banda IF si è notevolmente ridotta e poi al crescere di n aumenta la pendenza delle rette e fortunatamente peggiora il guadagno di conversione.

 

18) Metodi di identificazione dei segnali :

Vi è sia una soluzione software che una soluzione hardware, la soluzione software consiste nello spostare l´oscillatore locale prima in basso di 2f_IF e poi in alto sempre di 2f_IF in tal caso la risposta giusta è quella dal lato in cui si ha la permanenza del segnale. La soluzione hardware prevede lo sdoppiamento del primo mixer , in particolare se ne ha uno sul ramo che copre la banda (1kHz , 2.9GHz) ed un altro sul ramo che copre la banda  (2.7GHz , 26.5GHz) in particolare su quest´ultimo ramo il mixer è preceduto da un preselettore ossia un filtro a banda stretta (…circa 20MHz) che è pilotato dalla stessa rampa che pilota il mixer e pertanto taglia via le frequenze immagini. Il preselettore è realizzato con delle sferette di YIG.

Generatore di segnali a microonde

19) Tipologie di sorgenti a microonde :

a)       Sorgenti sweppate

Si basano sull´utilizzo di un VCO nel quale la frequenza viene impostata agendo su di un diodo varactor o su delle sfere di YIG , hanno il problema che la potenza in uscita varia di diversi dB al variare della frequenza pertanto si ricorre alla ALC ossia al controllo automatico di guadagno, in particolare dopo il VCO si pone un attenuatore variabile a diodi PIN pilotato da un segnale che si ottiene rettificando e confrontando con un riferimento il segnale che si ottiene all´uscita prelevato con un accoppiatore direzionale previa amplificazione e filtraggio.

b)       Sorgenti a frequenza variabile in passi discreti dette sintetizzatori

Queste sorgenti si basano sull´utilizzo di un oscillatore fisso di riferimento, ve ne sono sostanzialmente tre tipi

·         Sintetizzatori digitali i quali generano frequenze più basse rispetto al riferimento

·         Sintetizzatori diretti con frequenze sino ad un massimo di 100MHz

·         Sintetizzatori ad aggancio di fase

 

20) Sintetizzatori digitali :

Ad ogni colpo di clock un accumulatore avente in ingresso una quantità Dq variabile in funzione della frequenza che si intende generare la somma al suo valore precedente, in tal modo genera un indirizzo che seleziona una cella di memoria contenente in quella data posizione il seno oppure il coseno della indirizzo, anche alla memoria arriva il clock mentre l´uscita viene inviata ad un convertitore D/A e successivamente ad un filtro passa basso il cui compito è di filtrare la forma d´onda squadrata che si è ottenuta. Naturalmente la accumulatore una volta giunto alla sua capacità massima viene azzerato e si inizia da capo.