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Misure Elettroniche II Generalità sull’analisi spettrale

© 2006 Politecnico di Torino 1

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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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




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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




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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




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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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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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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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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…




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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




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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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