Problematiche degli analizzatori sweep-tuned a conver-

Purtroppo non tutto `e semplice come abbiamo finora descritto: lo strumento appena introdotto ha alcune problematiche, alle quali bisogner`a fare caso mediante alcuni accorgimenti.

Misure a bassa frequenza

Se si ha uno spettro con estensione anche a frequenze molto basse, prossime alla continua, e quindi f_s,min' 0, avviene un fenomeno piuttosto spiacevole:

dal momento che la frequenza viene misurata mediante differenza delle due frequenze, come gi`a detto, quella che si misurer`a, al momento di scansionare i contributi delle frequenze minime, sar`a:

f_LO,min− f_s,min ' f_LO,min

A questo punto, passer`a al filtro passa banda il contributo non della frequenza f_s = 0, ma il contributo di f_LO,min:

f_IF = f_LO,min

Quella che verr`a visualizzata a questo punto sullo schermo dell’oscillo-scopio non sar`a una componente prossima alla continua dunque, bens`ı la componente legata al minor valore assumibile dall’oscillatore locale LO: il mescolatore non `e in grado di rilevare linee prossime alla continua, ed il filtro cattura una frequenza errata. Questa frequenza, viene detta indicatore di frequenza zero, o oscillatore locale passante.

Frequenze immagine

Potrebbe capitare che, oltre allo spettro utile del segnale, si formi una sorta di spettro ombra, o spettro immagine: `e infatti possibile che siano contenute alcune componenti immagine (ad esempio di rumore, o generiche righe spet-trali inutili rispetto allo spettro del segnale), f<sub>IM</sub>, pi`u elevate delle f_LO, in grado di far s`ı che:

f_IM − f_LO = f_IF

Ossia, frequenze in grado di far raggiungere comunque il livello del filtro passa banda f_IF, considerando questa volta lo spettro presentabile dall’oscil-latore locale come inferiore. Il rimedio a questo tipo di problema esiste ed `e molto semplice da realizzare: introducendo all’ingresso dell’analizzatore di spettro un filtro passa basso, si eliminano le componenti spettrali non rien-tranti nel segnale da analizzare, ed in questo modo si elimina la possibilit`a di considerare a spettri immagine come quello appena descritto. La frequenza del filtro f_IF sar`a di solito di poco inferiore alla f<sub>LO,min</sub>, ed entrambi molto superiori alla frequenza di lavoro dello strumento (al fine di rappresentare un’ampia gamma di frequenze). La frequenza di taglio del filtro passa bas-so in ingresbas-so, f<sub>t</sub>, andr`a scelta in modo da essere superiore alla f_s,max del segnale, ma inferiore alla fIF; in questo modo, si elimina il problema delle frequenze immagine.

Risoluzione in frequenza

La risoluzione in frequenza, come gi`a detto, `e la capacit`a di distinguere due componenti spettrali vicine tra loro. Questa, dipende dalla larghezza del

filtro, esprimibile in termini di larghezza di banda (a -3 dB o a -6 dB, a seconda delle specifiche) del filtro IF (dette anche RBW₃ e RBW₆). Nella fatispecie, la risoluzione dipende da due fattori, fondamentalmente: distanza in frequenza, e distanza in ampiezza delle due righe spettrali.

• Se due righe hanno la stessa ampiezza, sar`a sufficiente, al fine di

dis-tinguerle, che vi sia una differenza di ampiezza pari a 3 dB (o 6 dB a seconda delle specifiche); in questo caso, l’analizzatore di spettro si accorger`a della differenza, e presenter`a sullo schermo un’unica riga. La possibilit`a di distinguere le due curve dipende dall’ampiezza di banda del filtro IF utilizzata: se utilizzassimo un filtro stretto abbastanza da permettere di visualizzare il varco in ampiezza a 3 dB delle due curve, sarebbe possibile distinguerle (sempre se effettivamente esse lo abbiano, questo varco).

• Se due righe sono a livello diverso, per distinguere le due righe spettrali,

bisogna studiare il rapporto della banda a 3 dB con la banda che si intende vedere della curva. Perch`e si possano distinguere, vi deve essere una differenza nel rapporto tra la banda che si desidera visualizzare (ad esempio supponiamo 60 dB) `e necessario un filtro tale per cui:

B_60dB B_3dB ^{≤ 6}

Per cercare di capire meglio, supponiamo di avere due righe spettrali sovrapposte: una `e molto stretta in spettro ed alta in ampiezza, l’altra molto pi`u larga in spettro e bassa in ampiezza rispetto alla prima. Se si utilizza un filtro molto largo, non si riesce a distinguere le due, poich`e la riga stretta sembra soltanto essere il massimo della curva pi`u larga. Restringendo la RBW3 del filtro (considerando ossia un filtro dichiarato nelle specifiche con larghezza di banda a - 3 dB), possiamo distinguere sempre meglio la differenza tra le due curve. Il criterio che abbiamo utilizzato qua, `e il seguente: sapendo che le due ampiezze differiscono dell’ampiezza A in dB che noi intendiamo presentare sull’oscilloscopio (nel nostro esempio 60 dB), se esse sono distanti in frequenza almeno X volte la larghezza di banda del filtro a frequenza IF, al fine di ottenere una corretta visualizzazione, dovr`a essere verificata la relazione (valida per la banda 3/6 dB significa o a 3 o a 6 a seconda delle specifiche dello strumento):

AdB

Risposta in frequenza del filtro IF

Come gi`a detto in precedenza, la risposta nel tempo del filtro IF `e una cosa da non trascurare, poich`e potrebbe determinare effetti molto spiacevoli. Al fine di effettuare correttamente le misure, serve che il filtro sia a regime: introdurre infatti un segnale che scorre nel filtro, richiede una sua continua risposta, e dunque un continuo transitorio. L’unico metodo per effettuare misure in maniera corretta di fatto `e utilizzare scansioni estremamente lente, in modo da mandare a regime nel tempo il filtro, e cos`ı poter rappresentare correttamente lo spettro sullo schermo. Bisogna fare in modo da rendere la risposta nel dominio del tempo del filtro simile allo spettro: per quanto sia possibile, dobbiamo cercare di scansionare lentamente, ma comunque uti-lizzare una banda pi`u stretta possibile. Gli analizzatori di spettro moderni, utilizzando una banda di filtraggio molto stretta, addirittura, ovviano questo problema bloccando le velocit`a di scansione al di sopra di un certo valore, in modo da non rovinare la presentazione su schermo.

Supponiamo di introdurre nell’analizzatore di spettro una sinusoide vicina all’idealit`a: ci aspettiamo che questo presenti sullo schermo una risposta di tipo impulsiva, ossia una singola riga in tutto lo schermo. Supponiamo di scansionare lentamente e a banda stretta tra la frequenza f<sub>LO,min</sub> e f<sub>LO,max</sub>. Non `e detto di fatto che si abbia in uscita, a queste condizioni, una riga spettrale, poich`e ci`o che si vede dipende dalla curva di selettivit`a del filtro passa banda, ossia da quanto `e effettivamente stretta e vicina ad un impulso la forma della funzione di trasferimento del filtro IF. Quello che capita nella realt`a `e che, essendo non nulla la banda intorno alla frequenza centrale del filtro, si mantengono delle sorte di residui, anche per le f_LO tali da non avere risposta spettrale. Nella realt`a, quindi, non si dovrebbe vedere sullo schermo una riga, bens`ı una sorta di campana.

A nostro vantaggio tuttavia gioca il frequency span: poich`e il range di frequenze esplorate solitamente `e molto ampio, `e possibile che questa sorta di campana venga visualizzata molto schiacciata, al fine di poter permettere una visualizzazione di una porzione molto ampia di spettro. Per questo motivo, in sostanza, impostando un frequency span sufficientemente elevato, si riesce ad ottenere, come risultato finale, una singola riga.

Ci`o che abbiamo finora detto `e tutto vero, a patto da eseguire la scansione molto lentamente, creando una situazione in prima approssimazione statica:

∆ν ∆t ^{∼ 0}

In questa maniera, si fa in modo che, al momento della presentazione, l’uscita del filtro sia a regime, e cos`ı si ottenga una presentazione corretta

del-l’ampiezza nel punto interessato. Si pu`o tuttavia quantificare, introducendo un parametro, la qualit`a delle presentazioni a partire da alcuni dettagli:

• La velocit`a di scansione, ossia la variazione di frequenza nel tempo:

∆ν ∆t

• La larghezza di banda del filtro IF (consideriamo banda a -6 dB): B₆

Si definisce un parametro k, esprimente la qualit`a della presentazione, come: k = ∆ν ∆t B2 6

All’aumentare del parametro k, possono accadere sostanzialmente due cose (intuibili facilmente leggendo la sua definizione):

• Aumenta la rapidit`a di scansione, e quindi la variazione nel tempo

delle frequenze passanti entro il filtro, rendendo cos`ı pi`u difficile il raggiungimento di un’uscita a regime;

• Diminuisce la banda passante del filtro, rendendo s`ı migliore la qualit`a

dell’immagine, ma aumentando notevolmente la risposta nel tempo, e quindi rendendo meno reattivo il circuito (e allungando il regime). Affinch`e si abbia una corretta rappresentazione sullo schermo, si vuole che k ¿ 1; per far ci`o, `e necessario operare sui controlli situati sul pannello dell’analizzatore di spettro:

• Ampiezza del range di frequenze da esplorare (frequency span); • Velocit`a di scansione (o durata della scansione);

• Larghezza di banda del filtro IF.

Gli strumenti pi`u moderni sono configurati in modo da impedire, se k sale al di sopra di una soglia troppo elevata, di utilizzare combinazioni dei tre parametri prima descritti (quindi ad esempio impedisce di alzare troppo la velocit`a di scansione).

Stabilit`a dell’oscillatore locale

Abbiamo finora parlato di regolare l’ampiezza di banda del filtro IF, sen-za tener conto di una cosa: la frequensen-za dell’oscillatore locale LO potrebbe essere molto instabile. Non avrebbe senso dunque utilizzare una banda trop-po ridotta per il filtro passa banda: le fluttuazioni trop-potrebbero cambiare la frequenza filtrata, e cos`ı non solo si otterrebbe una costante di tempo del sistema molto elevata, ma anche un risultato di fatto poco significativo. Si avrebbero dunque fluttuazioni delle frequenze rilevate, nella curva di selettiv-it`a del filtro IF, trasformando il rumore in uscita significativa secondo il filtro, che presenter`a la frequenza sbagliata a causa dell’instabilit`a dell’oscillatore. Problemi di rappresentazione

Stiamo continuamente dicendo di cercare di ridurre la velocit`a di scansione, in modo da presentare sullo schermo lentamente i segnali. Ci`o potrebbe sembrare furbo, ma in realt`a si trascura un fatto: la tecnologia CRT si basa sulla persistenza dell’immagine su di uno schermo mediante fosfori: utilizzan-do fosfori molto lenti, ad elevata persistenza, sarebbe possibile ovviare per qualche momento a questo tipo di problema, ma non `e una soluzione defini-tiva. La soluzione definitiva `e utilizzare, quando `e possibile, l’analizzatore di spettro digitale, che non ha di questi problemi; quando sar`a necessario, ci si dovr`a accontentare degli schermi che si hanno a disposizione in ambito analogico.