Semplificare l’analisi di segnali complessi con i Vsa

COLLAUDO RF –

Si va sempre più diffondendo l’uso degli analizzatori di segnali vettoriali grazie ai vantaggi in termini di maggiori velocità di campionamento/acquisizione e di capacità di elaborazione e post-elaborazione.

Negli ultimi anni si sono affacciate alla ribalta tecnologie radio sempre più complesse che adottano schemi di modulazione del segnale altrettanto complessi. Ciò ha influenzato parecchi settori industriali, dalle comunicazioni wireless al comparto della difesa che si trova, ad esempio, a dover implementare contromisure sempre più sofisticate. L’esistenza simultanea di più segnali nello spettro di frequenza ha dato origine a problemi di interferenze che questi segmenti industriali non avevavo mai affrontato in precedenza.
Nel contempo, i tool utilizzati negli scorsi anni per le misure e l’analisi hanno iniziato ad evidenziare i loro limiti. Oscilloscopio e analizzatore di spettro sono ancora gli strumenti base per la comprensione di certi fenomeni che si verificano in radiofrequenza, ma devono essere integrati con nuove tecniche per effettuare l’analisi dei segnali e approfondire cause e rimedi dei problemi identificati. Uno strumento di nuova generazione particolarmente utile è senza dubbio l’analizzatore Fft o Vsa (Vector Signal Analyser). Esso fornisce una visione “in profondità” dello spettro di frequenza per garantire una migliore comprensione dei segnali che attualmente vengono usati da differenti tipi di apparecchiature a microonde. Con l’analizzatore Fft è ora possibile analizzare un segnale in modi differenti. Questi domini di analisi possono essere rappresentati secondo diverse modalità:
•    Potenza in funzione della frequenza (dominio della frequenza, noto anche come spettro);
•    Potenza in funzione del tempo (dominio del tempo);
•    Frequenza in funzione del tempo (dominio del tempo);
•    Fase in funzione del tempo (dominio del tempo);
•    Frequenza e potenza in funzione del tempo (spettrogramma, dominio del tempo).

Mentre un analizzatore di spettro utilizza un oscillatore locale che effettua uno “spazzolamento” (sweep) dalla frequenza F1 alla frequenza F2, l’analizzatore di segnali vettoriali o Vsa (Vector Signal Analyser) misura una frequenza centrale fissa all’interno di una data ampiezza di banda. Un Vsa non si occupa tanto di acquisire segnali nel dominio nel tempo, bensì di catturare in tre dimensioni informazioni sul segnale nei tre domini di misura in un periodo di tempo e di frequenza. L’analizzatore Fft è in grado di acquisire e campionare uno spettro in tempo reale in un dato periodo di tempo senza perdere alcuna informazione relativa allo spettro stesso. Esistono comunque alcune limitazioni: esso non può effettuare il campionamento dello spettro su un intervallo di tempo infinito e neppure su un’ampiezza di banda infinita. Nonostante ciò, i progressi compiuti nel campo delle tecnologie di campionamento e delle memorie consentono ora a un VSA di coprire una banda di frequenza superiore a 100 MHz.

Domini di analisi di un Vsa
Grazie alla velocità di misura di un Vsa e alle sue capacità di elaborazione, ora è possibile studiare in dettaglio il comportamento fisico (in termini di potenza, frequenza, tempo e fase) dei segnali del mondo reale. Oltre a essere in grado di visualizzare lo spettro di un segnale (potenza in funzione della frequenza o del tempo), uno dei punti di forza di un Vsa è rappresentato dalla sofisticata visualizzazione grafica che un analizzatore di spettro non è in grado di fornire, come ad esempio:

•    variazioni di frequenza in funzione del tempo;
•    variazioni di fase in funzione del tempo;
•    variazioni di potenza e frequenza in funzione del tempo su un unico display grafico – spettrogramma.

La visualizzazione dello spettrogramma fornita dall’analizzatore Fft non è la stessa offerta da qualche modello di analizzatore di spettro – anch’essa comunemente denominata spettrogramma: questa prevede semplicemente la sovrapposizione grafica in due dimensioni di ciascun spazzolamento dell’intervallo di frequenza uno dopo l’altro (questa funzionalità viene usata principalmente per monitorare lo spettro al fine di identificare le interferenze).
La codifica del colore dell’ampiezza che spazia dal blu al rosso consente allo strumento di visualizzare le fluttuazioni da alto a basso dei livelli del segnale che vengono acquisiti. Per illustrare in pratica la visualizzazione di un segnale complesso grazie allo spettrogramma. Questo spettrogramma a colori è molto semplice da leggere una volta compreso che quando il segnale non è presente (tra due impulsi) il colore diventa blu (segnale debole) mentre quando il segnale è presente (durante un impulso) il colore diventa rosso.

Analisi post-processing: la funzione replay
Quando un segnale viene acquisito e campionato dal Vsa, esso viene memorizzato nell’hard disk dello strumento per le successive analisi.
L’utente ha a disposizione tutte le funzioni dell’analizzatore per visualizzare il comportamento del segnale. A tale scopo l’utente può sfruttare i seguenti tipi di visualizzazioni:
•    Visualizzazione dello spettro (potenza in funzione della frequenza)
•    Potenza in funzione del tempo
•    Frequenza in funzione del tempo
•    Fase in funzione del tempo
•    Spettrogramma.

Questa funzione è denominate “replay”. Essa può essere usata in assenza di un segnale fisico all’ingresso dell’analizzatore. La funzione replay prende in considerazione gli stessi parametri che sono stati usati durante il campionamento del segnale originale e salvati in un file Xml:
•    Livello di riferimento dell’analizzatore, valore di attenuazione, valore di risoluzione
•    Frequenza centrale, ampiezza di banda
•    Durata dell’acquisizione del segnale da parte del Vsa
•    Frequenza di campionamento.

Tutti questi parametri sono usati automaticamente e non possono essere modificati. La traccia resta fissa sullo schermo poiché non è stato “rinfrescata” con nuovi segnali. L’utente del Vsa può eseguire analisi dettagliate sul segnale e quindi ricavare tutte le informazioni che desidera come se si trattasse di un segnale “dal vivo”.

Generazione del segnale arbitrario
Alcuni modelli di analizzatori di segnale (come gli analizzatori di spettro e Vsa della serie MS269xA e della serie MS2830A di Anritsu) sono dotati di un generatore di segnali ad ampia banda (100 MHz) arbitrario che è totalmente indipendente dal resto dello strumento. Uno dei principali benefici di questi generatori di segnali arbitrari è la capacità di creare una forma d’onda campionata in precedenza dal Vsa. La rigenerazione di un segnale campionato può essere eseguita in qualsiasi momento e a una determinata frequenza portante (che viene definita dall’utente, generalmente inferiore a 6 GHz) per consentire l’esecuzione di nuove analisi sul segnale, preservando esattamente il comportamento del segnale originale acquisito. Con una combinazione di strumenti come quelli appena descritti, un testbench è in grado di analizzare un segnale (utilizzando un analizzatore di spettro o un Vsa), campionare un segnale (mediante il Vsa) e generare una forma d’onda (sfruttando il generatore di segnali). In tal modo risulta possibile effettuare un collaudo esaustivo di componenti come ad esempio amplificatori di potenza (sia con onde portanti sia modulati) oppure trasmettitori/ricevitori.

Comprendere i segnali
Il controllo totale e la piena comprensione delle funzioni dell’analizzatore di segnale richiedono una fase di studio e di apprendimento da parte di ingegneri e tecnici elettronici, ampiamente ricompensata da una maggiore efficacia e produttività nell’analisi di segnali complessi che trasportano differenti forme di modulazione. Naturalmente l’analizzatore di spettro è ancora ampiamente utilizzato nei laboratori di ricerca & sviluppo, sulle linee di produzione e persino sul campo, dove l’esecuzione delle operazioni può risultare difficoltosa in certe condizioni. D’altra parte si va sempre più diffondendo l’uso dei Vsa grazie ai vantaggi intrinseci di questo tipo di strumenti: aggiunta di nuove funzioni, maggiori velocità di campionamento/acquisizione, oltre a capacità di elaborazione e post-elaborazione nettamente migliori di quelle di un tradizionale analizzatore di spettro. Non va comunque dimenticato che l’analisi di spettro e l’analisi Fft sono operazioni complementari l’una con l’altra ed entrambe sono utili per una migliore comprensione del comportamento dei segnali usati nelle moderne apparecchiature Rf.

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