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Analizzatori di spettro: cosa sono e quali sono i diversi tipi

Siete ingegneri elettrotecnici...? Avete mai usato un analizzatore di spettro?

La maggior parte degli ingegneri elettrotecnici (o tutti, si spera), e forse molti ingegneri di altre discipline, sanno cos'è un oscilloscopio e ne hanno usato uno. Suppongo che sia un dispositivo noto alla maggioranza degli ingegneri elettrotecnici già dall'inizio della loro formazione specifica. Tuttavia, quando si tratta di lavorare con un analizzatore di spettro, alcuni ingegneri elettrotecnici praticanti potrebbero non sapere cosa sia, né averne mai usato uno.

Cos'è un analizzatore di spettro?

Per molti ingegneri elettrotecnici, un analizzatore di spettro è come un oscilloscopio, solo con più funzioni e grafici. Tuttavia, sebbene entrambi mostrino l'ampiezza di un segnale sull'asse verticale, la differenza tra i due sta in cosa è mostrato sull'asse orizzontale: un oscilloscopio mostra il tempo, un analizzatore di spettro mostra la frequenza. Nella figura seguente è possibile vedere diverse misure di frequenza mostrate su un analizzatore di spettro DSA815-TG di Rigol.

Figura 1: Gli analizzatori di spettro mostrano misure di frequenza sull'asse orizzontale. (Immagine per gentile concessione di Rigol Technologies[1])

Secondo Keysight Technologies, un analizzatore di spettro "misura l'ampiezza di un segnale in ingresso rispetto alla frequenza nell'intero campo di frequenza dello strumento. Viene utilizzato principalmente per misurare la potenza dello spettro di segnali noti e sconosciuti".[2] In altre parole, un analizzatore di spettro permette agli utenti di "analizzare uno spettro", ossia un insieme di onde sinusoidali che, combinate, producono un segnale nel dominio del tempo.

Osserviamo ad esempio un segnale su un oscilloscopio (Figura 2).

Figura 2: Un segnale mostrato da un oscilloscopio (Immagine per gentile concessione di Agilent Technologies[3])

Anche se questo segnale non è di certo una forma d'onda sinusoidale pura, un analizzatore di spettro determina ciascuna delle singole forme d'onda sinusoidali che compongono il segnale. Una volta che l'analizzatore di spettro ha identificato queste forme d'onda, rappresenta l'ampiezza e la frequenza di ciascuna di esse. Come si vede nella Figura 3, il segnale della Figura 2 è composto da due forme d'onda sinusoidali.

Figura 3: La relazione tra un segnale nel dominio del tempo (mostrato dall'oscilloscopio) e un segnale nel dominio della frequenza (mostrato dall'analizzatore di spettro) (Immagine per gentile concessione di Agilent Technologies[3])

Tipi di analizzatori di spettro: tipi di tecnologie e fattori di forma

Esistono due categorie principali di analizzatori di spettro: analizzatori a scansione (del tipo sweep-tuned) e analizzatori in tempo reale, chiamati anche analizzatori di spettro in tempo reale o RTSA. Entrambi i tipi, in uso da molti anni, mostrano l'ampiezza sull'asse verticale e la frequenza su quello orizzontale, ma ciò che li distingue è il modo in cui "analizzano uno spettro".

Dato che un analizzatore di spettro sweep-tuned "non è altro che un voltmetro selettivo di frequenza con un campo di frequenza accordato in modo automatico"[4] non sorprende capire che questa tipologia tradizionale di analizzatori "nasce dai ricevitori radio".[4] E poiché gli analizzatori sweep-tuned "non sono in grado di analizzare contemporaneamente tutte le frequenze in un dato intervallo"[4] vengono per lo più usati per misurare segnali a regime costante o ripetitivi. Questi analizzatori sono stati impiegati con successo per diverse decadi dalla comunità tecnica per la verifica della conformità (ad esempio, il collaudo pre-conformità e i collaudi EMC/EMI).

A differenza degli analizzatori di spettro sweep-tuned, quelli in tempo reale sono in grado di analizzare tutte le frequenze contemporaneamente. Un analizzatore di spettro in tempo reale prima di tutto raccoglie i dati nel dominio del tempo, quindi li converte nel dominio della frequenza utilizzando la trasformata di Fourier veloce (FFT).

Gli analizzatori di spettro possiedono una vasta gamma di fattori di forma, tra cui da banco (Figura 4), palmare (Figura 5) e portatile.

Figura 4: L'analizzatore di spettro da banco T3SA3200 di Teledyne LeCroy offre un campo di frequenza da 9 kHz a 3,2 GHz. (Immagine per gentile concessione di Teledyne LeCroy[5])

Figura 5: Il modello RF Explorer 2,4G di Seeed Technology è un analizzatore di spettro palmare da 2,35 GHz a 2,55 GHz. (Immagine per gentile concessione di Seeed Technology)

I modelli da banco in genere superano in prestazioni le loro controparti palmari, ma hanno un prezzo maggiore. Gli analizzatori di spettro palmari sono meno costosi e più piccoli, ma offrono delle capacità più ridotte rispetto a quelli da banco. Gli analizzatori portatili sono quelli che possono essere trasportati facilmente grazie alle loro batterie e comprendono alcune versioni da banco.

Conclusione

Sebbene (speriamo!) tutti gli ingegneri elettrotecnici sappiano cosa sia un oscilloscopio e come si utilizzi, si può ipotizzare che solo alcuni di loro abbiano usato un analizzatore di spettro. Anche se gli oscilloscopi e alcuni analizzatori di spettro (le versioni da banco) possono sembrare simili sia riguardo al fattore di forma che a quanto mostrato sul display, sono molto diversi. Un analizzatore di spettro presenta i dati raccolti confrontando l'ampiezza con la frequenza, mentre un oscilloscopio mostra le informazioni confrontando ampiezza e tempo. Tuttavia, proprio come gli oscilloscopi, sono disponibili diversi tipi di analizzatori di spettro, a seconda delle necessità e del budget.

 

Riferimenti:

1 - Rigol Technologies, "DSA800 Spectrum Analyzer Datasheet" (pagina 3)

2 - Keysight Technologies, "What is a Spectrum Analyzer?"

3 - Agilent Technologies, "Agilent Spectrum Analysis Basics" (pagine 4-5)

4 - Keysight Technologies, "Different Types of Analyzers"

5 - Teledyne LeCroy, "T3SA3100/T3SA3200 Data Sheet" (pagina 2)

Informazioni su questo autore

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Nick Davis ha conseguito una laurea in ingegneria elettrica presso la University of Idaho, situata nella bellissima città di Moscow, Idaho. Ha lavorato per aziende di piccole e grandi dimensioni, con un organico da 50 a oltre 30.000 dipendenti. Nei 18 anni trascorsi nel campo dell'ingegneria, ha ricoperto vari ruoli tecnici, tra cui ingegnere di progettazione, ingegnere di sistemi, ingegnere di produzione e ingegnere di collaudo e validazione. Attualmente, i suoi interessi riguardano lo sviluppo di sistemi elettromeccanici basati su microcontroller, la creazione di file di schemi e layout per PCB, la modellazione CAD 3D e l'imprenditorialità.

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