ALTAFREQUENZA

SECONDA PUNTATA

Utilizzare al meglio l'analizzatore di spettro

di Antonello Giovannelli
(Ing. e Prof. Incaricato Compatibilità Elettromagnetica Università di Ferrara - giovannellia@libero.it)

Nella prima puntata abbiamo illustrato l'architettura di base dello strumento ed i principali blocchi funzionali. Passiamo ora ad indagare quali sono i principali limiti che ciascuno di questi blocchi introduce nelle prestazioni complessive
Proseguiamo questo viaggio alla "scoperta" dell'analizzatore di spettro parlando di quali possano essere gli ostacoli che si possono incontrare nella ricerca delle migliori e più affidabili prestazioni dell'apparato. Abbiamo individuato sei fattori critici, che vi evidenziamo schematicamente.
1. Filtro passa basso di ingresso: la sua funzione è quella di limitare la banda del segnale di misura, evitando che la "banda immagine" arrivi fino al primo mixer e venga rappresentata come se le componenti spettrali in essa contenute appartenessero alla banda di nostro interesse. Es.: banda di misura dello strumento da 0 a 1000 MHz, prima frequenza intermedia a 1500 MHz, oscillatore locale che "spazzola" da 1500 a 2500 MHz: in queste condizioni la banda immagine si estende da 2000 a 3000 MHz. Una riga spettrale a 2500 MHz verrà rappresentata dallo strumento come se fosse a 500 MHz (infatti la conversione "buona" avviene tra la frequenza istantanea dell'oscillatore locale a 2000 MHz e la frequenza IF 1500 MHz: 2000 – 1500 = 500 MHz; la conversione indesiderata avviene tra la riga spettrale immagine a 2500 MHz e, di nuovo, la frequenza istantanea dell'oscillatore locale a 2000 MHz: 2500 – 2000 = 500 MHz). Perché ciò non avvenga è necessario eliminare tutta la banda immagine con un filtro passa basso le cui caratteristiche siano tali da presentare una buona attenuazione già in corrispondenza del valore della prima IF (nell'esempio, 1500 MHz). Quest'ultima specifica deriva dalla necessità di evitare la possibilità che un segnale presente, guarda caso, proprio a 1500 MHz, entri "sparato" nel mixer attraversandolo e venga poi convertito dalla catena IF proprio come si trattasse di un segnale da misurare. Il risultato sarà un innalzamento di tutta la traccia sullo schermo che viene "saturato" rendendo impossibile la misura. Un buono strumento dovrà, pertanto, presentare un valore di attenuazione di almeno 60 - 70 dB in corrispondenza della frequenza di prima IF. Per verificare l'attenuazione del filtro si potrebbe semplicemente applicare in ingresso un segnale alla frequenza della prima IF e valutare quanto questo riesca attraverso tutta la catena IF fino a far traslare verso l'alto la traccia sullo schermo.
2. Mixer di ingresso: è uno dei punti più delicati dell'analizzatore. La sua caratteristica non lineare consente di effettuare la conversione in discesa fornendo alla sua porta di uscita la differenza tra i segnali rispettivamente provenienti dall'oscillatore locale e dal connettore di ingresso RF. Nel caso però in cui la potenza del segnale applicato all'ingresso RF risultasse troppo elevata, il mixer entrerebbe in una regione di eccessiva non linearità generando prodotti di intermodulazione tra i vari segnali presenti in banda e producendo armoniche dei segnali più forti. Aumentando ulteriormente la potenza in ingresso, oltre il livello massimo indicato dal costruttore, il mixer potrebbe venire danneggiato irreparabilmente. Normalmente, una potenza di segnale di 1 mW (0 dBm) consente un funzionamento praticamente privo di distorsioni; con 10 mW si inizia ad avere difficoltà nel misurare le armoniche del segnale al di sotto dei -50 / -60 dBm; a 20 mW si entra nella zona di forte non linearità; oltre i 20 mW si rischia la rottura (qualche strumento accetta potenze fino a 30 dBm, cioè 1 W). La distorsione riduce il "range dinamico" dello strumento, ovvero la capacità di misurare contemporaneamente segnali di ampiezza molto diversa. Un esempio: supponiamo di voler misurare il contenuto armonico di un trasmettitore a 100 MHz applicando all'ingresso dell'analizzatore una potenza di segnale di 10 mW (10 dBm). Molto probabilmente il mixer, lavorando nella zona di forte distorsione, produrrà delle armoniche che andranno a cadere esattamente a 200, 300, 400 MHz ecc., sovrapponendosi perfettamente a quelle che noi avremmo voluto misurare. In queste condizioni potremmo, ad esempio, leggere una seconda armonica a –60 dBm ed una terza a –50 dBm che potrebbero, in realtà, non essere presenti nel segnale in ingresso all'analizzatore. Come è possibile capire che il mixer sta distorcendo e che le armoniche presenti sono dovute al mixer? Semplice: basta attenuare il segnale in ingresso, ad es. di 10 dB: se le armoniche visualizzate sullo schermo sono davvero presenti nel segnale di misura, allora anche queste appariranno attenuate dello stesso valore, 10 dB; ma se queste fossero, invece, generate dalla distorsione del mixer, allora la seconda armonica risulterebbe attenuata, almeno in prima approssimazione, di un valore doppio in dB (quindi 20) e la terza armonica di un valore triplo (quindi 30). Se così fosse dovrebbe essere applicato un attenuatore in ingresso in modo da riportare la potenza del segnale a valori più bassi. Qual è, dunque, il metodo migliore per eseguire misure di armoniche? La soluzione migliore è certamente quella che prevede l'utilizzo di un filtro elimina banda e l'esecuzione in due fasi: nella prima si misura il livello della sola fondamentale stabilendo il riferimento; nella seconda si inserisce il filtro elimina banda per attenuare la fondamentale dopo di che si misurano i livelli delle armoniche rispetto al riferimento precedentemente fissato. Eliminando la fondamentale, ovvero la maggior parte della potenza del segnale, si riesce senza difficoltà ad evitare la distorsione del mixer consentendo una misura delle armoniche con elevata precisione fino a bassissimi livelli.
3. Attenuatore d'ingresso: consente l'adeguamento del livello del segnale di misura a quello ottimale per non saturare il mixer. Tale stadio può introdurre un errore sulla misura di ampiezza dell'ordine del dB. La massima potenza applicabile non supera, in genere, i 2 W.
4. Stadi intermedi di conversione IF: a seguito della prima, vengono effettuate almeno altre due conversioni in discesa fino ad ottenere un segnale IF a circa 3 MHz. A frequenza così bassa è possibile realizzare filtri molto selettivi che consentono allo strumento di garantire elevate prestazioni in termini di risoluzione. Il guadagno della catena IF è impostabile dall'operatore e agisce sul "reference level", ovvero sul valore in dBm associato alla prima riga in alto sullo schermo. Modificando il valore di guadagno si introduce una maggiore o minore amplificazione del segnale di misura, consentendone un comodo aggiustamento sulla scala delle ampiezze. Tale comando non modifica, però, la sensibilità dell'analizzatore che, come vedremo, dipende dal suo rumore di fondo. Gli stadi di conversione possono introdurre un errore di ampiezza nella misura (1-2 dB) a causa dell'incertezza complessiva sul valore di guadagno. L'ultimo filtro passa banda nella catena di IF è quello che determina la risoluzione finale (Resolution Bandwidth), impostabile dall'operatore in funzione della necessità di risolvere righe spettrali più o meno distanti in frequenza. Migliorando il valore di risoluzione deve necessariamente essere aumentato il tempo di scansione (Sweep Time) e/o diminuita l'ampiezza di banda esplorata (Span). Un filtro più selettivo fornirà infatti una risposta più lenta, ed imporrà dei tempi più lunghi nell'esecuzione della misura pena una "deformazione" delle righe spettrali con errori anche grossolani nei valori di ampiezza (fig.1). Anche i filtri di risoluzione contribuiranno all'errore complessivo nella misura, a causa dell'incertezza sulla larghezza di banda (fino al 10-20%) e sull'ampiezza della risposta. La scelta del valore ottimale di RBW è di fondamentale importanza per la corretta rappresentazione delle righe spettrali. Ad es., per riuscire a risolvere completamente due righe spettrali spaziate di 100 KHz occorrerà utilizzare un filtro con larghezza di banda inferiore a 100 KHz @ -3 dB. Con un tale filtro le due righe risulteranno ancora parzialmente sovrapposte, e la loro "punta" emergerà di 3 dB (fig.2). Migliorando la risoluzione, passando ad esempio a 10 KHz di RBW, la sovrapposizione scomparirà del tutto. Al cambiare del valore di risoluzione si ottiene una variazione del livello del rumore, con la possibilità di migliorare la sensibilità. Diminuendo, infatti, la larghezza di banda del filtro di risoluzione si ha una riduzione della potenza di rumore che lo attraversa (si tratta di rumore termico, a banda larga), con conseguente "abbassamento" della traccia del rumore (in gergo, "erba", (fig.3). In tutti i casi in cui si ha la necessità di far emergere dal rumore una riga spettrale conviene dunque selezionare un filtro RBW di banda più stretta, compatibilmente con il tempo di scansione dello SPAN impostato. Ad ogni diminuzione di un fattore 10 della RBW corrisponderà una riduzione del livello del rumore di 10 dB.
5. Rivelatore di inviluppo: ha il compito di estrarre l'inviluppo dal segnale di IF in uscita al filtro di risoluzione. L'ampiezza delle righe spettrali che verranno rappresentate sullo schermo dipenderà dal tipo di rivelatore di inviluppo (che potrà essere di picco, di quasi-picco e di media) e dalla variabilità nel tempo dell'ampiezza delle singole righe spettrali. Il rivelatore di picco, la cui risposta è la più veloce, consente di rappresentare il picco massimo raggiunto dal segnale di misura; il rivelatore di quasi picco, invece, essendo caratterizzato da tempi di risposta più lunghi, sarà meno influenzato dai picchi del segnale e fornirà una rappresentazione che mette in evidenza la componente di potenza stazionaria; discorso analogo, ancora più accentuato, per il rivelatore di media. Il rivelatore di picco, in molti casi, è disponibile anche nella versione "picco negativo" oltre che "picco positivo".
Mentre il picco positivo fornisce una traccia che rappresenta l'inviluppo massimo del segnale (e del rumore), il picco negativo fornisce l'inviluppo minimo. Nel caso in cui si abbia una riga spettrale di ampiezza costante nel tempo, utilizzando il rivelatore di picco negativo si riesce ad attenuare notevolmente il rumore (fig.4).
6. Filtro video: a valle del rivelatore di inviluppo è presente il filtro video, il cui compito è quello di "ripulire" la traccia dal rumore sovrapposto. L'utilizzo di tale filtro non migliora la sensibilità dello strumento (che dipende dal suo rumore di fondo) ma consente, semplicemente, una migliore intelligibilità della traccia.
Possiamo riassumere brevemente le principali cause di errore nelle misure di ampiezza finora citate:

Oltre a queste, altre cause di errore sono certamente presenti:

Alla fine non dobbiamo meravigliarci se scopriamo che, sommando tutte le cause di possibili incertezze, i migliori strumenti in assoluto non riescono a garantire un'accuratezza migliore di +/- 1 dB, che passa a +/- 2 dB o peggio per modelli più economici. Si ricorda che 1 dB rappresenta circa il 25% della potenza. Una tale precisione viene in genere garantita, oltretutto, solo appena dopo l'effettuazione della calibrazione e prima che l'operatore prema qualsiasi tasto: ogni cambio di funzione potrebbe infatti introdurre un piccolo errore casuale. Questa consapevolezza deve essere sempre presente quando si effettuano misure "di precisione", che dovrebbero sempre essere accompagnate da una stima dell'errore. Nel prossimo numero di Broadcast&Production proseguiremo tale trattazione, parlando delle altre "voci" che caratterizzano le prestazioni dell'analizzatore di spettro.