Comprendere il funzionamento di base dell'analizzatore di spettro

Livello di riferimento

Il livello di riferimento è il bordo superiore del display e rappresenta la potenza massima prevista all'ingresso dell'analizzatore di spettro. Nella maggior parte dei casi, il livello di riferimento viene regolato in modo che il livello massimo del segnale sia leggermente inferiore a questo livello.

È necessario evitare di impostare un livello troppo basso o troppo alto. L'impostazione di un livello di riferimento troppo alto riduce la gamma dinamica e la capacità di vedere piccole variazioni di ampiezza. Se il livello di riferimento è impostato su un valore troppo basso, la traccia appare sopra la parte superiore dello schermo. Anche l'impostazione di un livello di riferimento troppo basso può influire sui risultati della misurazione.

A valle dell'ingresso RF, alcune delle prime sezioni dell'analizzatore di spettro includono componenti attivi come mixer e amplificatori. Se il livello di ingresso è troppo alto, questi dispositivi possono andare in compressione, il che crea distorsioni e influisce negativamente sui risultati della misurazione, a volte molto gravemente. Per evitare che ciò accada, tra l'ingresso RF e questi componenti sensibili viene interposto un attenuatore d'ingresso variabile. Quando viene impostato il livello di riferimento, questo valore viene utilizzato dall'analizzatore di spettro per regolare l'attenuazione dell'ingresso e/o il guadagno dell'amplificatore IF al fine di evitare il sovraccarico dello strumento.

Larghezza di banda di risoluzione

Per le misurazioni di base dello spettro, la larghezza di banda di risoluzione (RBW, resolution bandwidth) è, di gran lunga, l'impostazione più importante. La maggior parte degli analizzatori di spettro utilizza un'architettura basata sul principio dei ricevitori eterodina per misurare lo spettro scansionandolo per tutto lo span. La traccia che mostra la potenza rispetto alla frequenza viene tracciata da sinistra a destra, di solito ripetutamente.

Un modo per comprendere meglio la larghezza di banda di risoluzione consiste nel considerarla come una finestra che si muove lungo lo span, misurando il livello man mano che procede. Tuttavia il filtro, o la finestra della larghezza di banda di risoluzione, non hanno una risposta in frequenza quadrata, bensì di forma gaussiana o simile. Inoltre, la finestra non si muove, è lo spettro viene invece fatto scorrere attraverso la finestra. Il risultato è lo stesso e molti ingegneri RF considerano la larghezza di banda di risoluzione come una finestra mobile o un filtro che attraversa uno span.

La larghezza di banda di risoluzione influisce sulla capacità di separare o distinguere segnali ravvicinati in frequenza. Due segnali a banda stretta possono essere visti separati solo se la larghezza di banda di risoluzione è inferiore alla distanza in frequenza tra questi due segnali. Se si utilizza una larghezza di banda di risoluzione più ampia, entrambi i segnali vengono coperti dal filtro mentre passa e appaiono come un singolo segnale sulla traccia.

Livello di rumore medio

Un altro aspetto della larghezza di banda di risoluzione è l'effetto che ha sul rumore. Nello specifico, la larghezza di banda di risoluzione influisce sul rumore di fondo, definito anche livello medio di rumore visualizzato (DANL). Il rumore di fondo aumenta o diminuisce a seconda della larghezza di banda di risoluzione scelta.

Cosa succede al rumore di fondo quando la larghezza di banda della risoluzione viene ridotta? A titolo di esempio, si utilizza un semplice segnale CW e uno span piuttosto ampio di 2 GHz.

• Con una larghezza di banda di risoluzione di 3 MHz, il valore medio del rumore di fondo è di circa -73 dBm
• Riducendo la larghezza di banda della risoluzione a 300 kHz, si riduce il rumore di fondo a -84 dBm
• A una RBW di 30 kHz, il rumore di fondo scende nuovamente a -93 dBm
• Con una RBW pari a 3 kHz, il rumore di fondo ha un valore medio di -104 dBm.

Diminuendo la larghezza di banda di risoluzione di un fattore 10 si riduce il rumore di fondo di circa 10 dB. In pratica, per vedere i segnali vicino al rumore di fondo, è necessario utilizzare una larghezza di banda di risoluzione più ridotta.

Larghezza di banda di risoluzione e tempo di sweep

La riduzione della larghezza di banda di risoluzione offre una migliore separazione in frequenza del segnale e una minore rumorosità, quindi perché non utilizzare sempre la larghezza di banda di risoluzione più bassa possibile? La larghezza di banda di risoluzione è essenzialmente la larghezza di banda di un filtro e i filtri stretti richiedono più tempo per stabilizzarsi e ottenere un risultato stabile rispetto ai filtri più ampi. Ciò significa che la scansione (sweeping) rallenta quando si utilizzano larghezze di banda con risoluzione inferiore per ottenere risultatiaccurati. Una scansione troppo rapida comporta errori di ampiezza e di frequenza.

Il fattore principale che determina il tempo di scansione di un analizzatore di spettro è la larghezza di banda di risoluzione. Qual è il momento giusto per lo sweep? La maggior parte degli analizzatori calcola automaticamente il tempo di scansione in base alla larghezza di banda e allo span della risoluzione. Questa impostazione può essere ignorata, ma la riduzione del tempo di scansione calcolato automaticamente di solito non è una buona idea.

La larghezza di banda di risoluzione ottimale è quasi interamente funzione del segnale da misurare e spesso deve essere determinata per via sperimentale. C'è un compromesso tra velocità e selettività/rumore. Sulla maggior parte degli analizzatori di spettro, non è possibile scegliere alcun valore arbitrario per la larghezza di banda di risoluzione, ma può essere selezionato in determinati passaggi, ad esempio 1 kHz, 3 kHz, 10 kHz, 30 kHz.

Larghezza di banda video

L'ultimo parametro di base è la larghezza di banda video. Per comprendere la larghezza di banda video, è necessario spiegare il termine segnale video. Le tracce sono essenzialmente un inviluppo di potenza a frequenze individuali e questo inviluppo è chiamato segnale video. Si chiama video perché, in passato, questo segnale veniva applicato alla deflessione verticale di un tubo catodico per disegnare una traccia video sullo schermo. Nei moderni analizzatori di spettro, la larghezza di banda video è un filtro utilizzato per calcolare la media o uniformare la traccia visualizzata.

A differenza della larghezza di banda di risoluzione, la larghezza di banda video influisce solo sulla modalità di visualizzazione del segnale, non sul modo in cui viene misurato o acquisito.

Riducendo la larghezza di banda video a una larghezza di banda video di 200 kHz, si può notare una discreta quantità di rumore sul segnale. Questo rumore si riduce quando la larghezza di banda video viene ridotta a 20 kHz e diminuisce ulteriormente quando la larghezza di banda video viene ridotta a soli 2 kHz. La riduzione della larghezza di banda video riduce solo il rumore sulla traccia, non abbassa il rumore di fondo come fa la larghezza di banda della risoluzione. Inoltre, non migliora la capacità di risolvere o separare segnali molto vicini tra loro in frequenza.

Scelta della larghezza di banda video

La larghezza di banda video modifica solo l'aspetto della traccia, quindi in una certa misura l'impostazione corretta della larghezza di banda video dipende dall'applicazione. La maggior parte degli analizzatori di spettro moderni configura e aggiorna automaticamente la larghezza di banda video in base ad altri parametri, come la larghezza di banda di risoluzione. In molti casi una larghezza di banda video più piccola o più stretta sembra preferibile poiché riduce il rumore sulla traccia. Ma proprio come la larghezza di banda di risoluzione, anche la larghezza di banda video influisce sul tempo di sweep: più piccola o stretta è la larghezza di banda video, più lungo è il tempo di sweep.