L'analizzatore di spettro: strumento complesso, costoso, delicato, al quale il tecnico affida la bontà delle tarature di filtri, la misura del contenuto armonico di un segnale, della banda occupata, e di altre caratteristiche di un qualunque segnale radioelettrico, e che a volte può anche tradire tale incondizionata fiducia se utilizzato in modo inadeguato. Per questo abbiamo ritenuto importante dedicare spazio a una serie di considerazioni che potrebbero consentire al lettore interessato di utilizzare al meglio tale strumento di lavoro.
In questa prima puntata andiamo a indagare il principio di funzionamento.
Partiamo da lontano, ricordando che un segnale può essere analizzato secondo due "punti di vista", cioè considerando l'evoluzione nel tempo di una grandezza elettrica oppure considerando il suo spettro nella banda delle frequenze. In gergo matematico si direbbe "dominio del tempo" e "dominio della frequenza"... in pratica, potremmo dire che si tratta di due modi apparentemente diversi per rappresentare la stessa cosa. La differenza consiste nel tipo di informazioni che vengono offerte all'osservatore, che potrebbe avere interesse a preferire l'una o l'altra a seconda del tipo di applicazione. Nel caso di analisi nel dominio del tempo lo strumento che si usa è l'oscilloscopio, in grado di rappresentare l'evoluzione nel tempo di una tensione applicata al suo ingresso; nel caso di analisi nel dominio della frequenza si utilizza l'analizzatore di spettro, meno adatto dell'oscilloscopio a rappresentare segnali variabili nel tempo, ma in grado di fornire indicazioni sulla distribuzione dell'energia del segnale in una certa banda di frequenze. La teoria matematica di Fourier dimostra che un segnale periodico (es. onda quadra, triangolare ecc.) è composto da un insieme di sinusoidi, aventi ciascuna una frequenza di oscillazione pari a un multiplo della "fondamentale". Tali sinusoidi altro non sono che le cosiddette "armoniche", presenti sempre nello spettro di un segnale periodico qualsiasi. Con un'unica eccezione: il caso in cui il segnale fondamentale in questione non sia già una sinusoide ideale. Solo e soltanto in questo caso, è matematicamente dimostrabile, non troveremmo alcuna armonica. Non appena da sinusoide ideale il segnale si trasforma in qualcosa di diverso, allora cominciano a comparire le armoniche, che in un certo senso rappresentano quindi "tutto ciò che differisce da una sinusoide ideale". L'analizzatore consiste, sostanzialmente, in un ricevitore in grado di sintonizzarsi in modo ripetitivo su tutte le frequenze di una determinata banda impostata. I segnali presenti nella suddetta banda danno origine, nel momento in cui vengono sintonizzati, ad altrettante "righe" verticali nella traccia sullo schermo, collocate in un certo punto dell'asse orizzontale (asse delle frequenze), e con altezza proporzionale alla rispettiva potenza (spettro a righe di un segnale). Per poter operare in tal senso, l'architettura dello strumento prevede i seguenti blocchi funzionali:
Generatore di rampa;
Mixer di ingresso;
Filtro passa basso di ingresso;
Attenuatore d'ingresso;
Filtri di frequenza intermedia (per ciascuna conversione);
Amplificatori di frequenza intermedia;
Filtri di risoluzione;
Rivelatore di inviluppo;
Blocco di rappresentazione sullo schermo.
Descrizione del funzionamento: il segnale di ingresso, dopo aver attraversato il filtro passa basso che limita la massima frequenza della banda di misura (al fine di evitare risposte indesiderate dovute alla banda immagine), raggiunge l'attenuatore, controllabile dall'operatore, al quale è demandato il compito di adeguare il livello di potenza del segnale a quello massimo accettabile dal primo mixer. Alle porte di ingresso di quest'ultimo vengono applicati rispettivamente il segnale di misura e quello proveniente dal primo oscillatore locale. Grazie al fatto che il primo oscillatore locale ha la proprietà di variare la sua frequenza di oscillazione in funzione del valore della tensione applicata alla porta di controllo (una rampa periodica), la frequenza generata subirà una variazione tra un minimo e un massimo valore (impostati dall'operatore, "SPAN"). Supponiamo, ad esempio, di avere un'escursione compresa tra 1500 e 1600 MHz, e che la frequenza centrale del primo filtro di IF sia 1000 MHz. In questo caso il mixer opererà una conversione tale che si otterrà un'escursione di frequenza nella sintonizzazione della banda di misura compresa tra 500 e 600 MHz, che è quella che risulterà rappresentata nello schermo. Ogni volta che, durante questa esplorazione di banda, in corrispondenza di un particolare valore di frequenza viene sintonizzato un segnale, si osserva un "guizzo" verso l'alto della traccia sullo schermo per tutto il tempo in cui tale segnale rimane entro la banda del filtro di IF (non dimenticate infatti che la frequenza di sintonia si sposta in continuazione, proprio come se l'operatore girasse la "manopola della sintonia" in modo continuo da un estremo all'altro della banda). La rappresentazione della riga spettrale, in realtà, ricalcherà quella della funzione di trasferimento del filtro di IF, proprio a causa di questo "incrociarsi" nel tempo tra la risposta in frequenza del filtro (una sorta di "campana") e la riga ideale, di spessore infinitesimo, della componente spettrale del segnale in esame. Quanto più stretta sarà la banda del filtro, tanto migliore sarà la risoluzione, ovvero la capacità di discriminare due segnali posti a frequenza molto vicina. In realtà, poiché non è possibile realizzare un filtro molto selettivo a una frequenza così alta, per migliorare la risoluzione dello strumento si operano diverse conversioni in discesa e altrettanti filtraggi sempre più selettivi, fino al vero e proprio filtro di risoluzione (RBW, Resolution Band Width). La larghezza di banda di quest'ultimo è impostabile dall'operatore, e determina la risoluzione finale. Il "motore" di tutte queste operazioni è il generatore di rampa, che pilota, contemporaneamente, l'oscillatore locale (determinandone l'escursione di frequenza) e la deflessione orizzontale nello schermo (sviluppando in una traccia sull'asse orizzontale la rappresentazione della banda di frequenze esplorata ad ogni singola rampa). Non è possibile impostare in modo totalmente arbitrario i valori di SPAN (ampiezza della banda esplorata) RBW (risoluzione) e SWEEP TIME (velocità di esplorazione della banda, che dipende dalla frequenza della rampa): infatti, all'aumentare della risoluzione deve necessariamente essere ridotta la velocità di esplorazione, oppure l'ampiezza della banda (o tutti e due), pena l'introduzione di un notevole errore nella misura. Tale errore è determinato dal fatto che più la banda di un filtro è stretta, più lungo è il tempo di risposta dello stesso. L'esplorazione dovrà essere dunque eseguita più lentamente al fine di consentire la corretta risposta al filtro di risoluzione che, altrimenti, "non farà in tempo" a far salire la traccia fino a rappresentare il corretto valore di ampiezza . In generale, per evitare errori di impostazione conviene utilizzare la modalità di accoppiamento automatico tra SPAN, SWEEP TIME e RBW, che, impostato uno dei tre parametri, ricava automaticamente il migliore valore per i rimanenti due. Un altro circuito di cui vale al pena parlare è il rivelatore di inviluppo, costituito da un rivelatore di picco (nei modelli più costosi è presente anche il "quasi picco", per le misure EMC) che ha il compito di filtrare la componente di alta frequenza in uscita all'ultimo filtro di IF (quello di risoluzione, centrato, in genere, intorno ai 3 MHz) ma di lasciar passare le variazioni dell'inviluppo (più lente), quelle che consentono il formarsi sullo schermo delle righe spettrali. Nella prossima puntata analizzeremo le varie modalità di funzionamento dell'analizzatore di spettro.