Uno spettro di strumenti per le misure RF

T&M –

Per le misure nella banda Rf/microonde la sfida è aumentare sempre più la banda, permettere misure vettoriali non lineari e magari proporre strumenti portatili, alimentati da una semplice connessione Usb o da batterie.

Una delle sfide più complicate per la strumentazione elettronica è rappresentata dai segnali in radiofrequenza, che vanno cioè da poche decine di Hz o meno fino alle decine di GHz delle trasmissioni satellitari. Le trasmissioni a radiofrequenza sono ormai comuni per una miriade di applicazioni, dai telefoni cellulari alle reti locali Wi-Fi, all'identificazione Rf. Tutte applicazioni che vanno a affollare sempre più lo spettro (la banda di frequenza disponibile) e che devono quindi individuare nuovi metodi e protocolli trasmissivi per coesistere senza interferire, anche perché il numero di apparati attivi sta crescendo parallelamente. Gli apparati per le applicazioni cellulari ad alta velocità supportano attualmente standard come 3Gpp e 3Gpp2, mentre le trasmissioni Rf devono essere in grado di gestire il video broadcast (Dvb-H e Dvb-T). Sempre senza dimenticare il problema di controllare sempre le interferenze Emc, per rispettare le rigorose normative definite dai vari enti regolatori nazionali. Tutti questi segnali devono quindi essere individuati, misurati e verificati pur essendo molto difficili da analizzare e quantificare; i costruttori di strumentazione di misura si sono impegnati a creare soluzioni sempre più sofisticate e potenti sia dal punto di vista dell'hardware che da quello del software in un costante inseguimento a esigenze sempre più astruse. Le misure nel dominio del tempo e della frequenza sono diventate sempre più intrinsecamente connesse e interdipendenti, e spesso i progettisti di apparati Rf utilizzano i classici oscilloscopi (tradizionalmente usati dai progettisti di circuiti digitali) per le misure nel dominio del tempo insieme agli analizzatori di spettro per le misure in frequenza con cui controllare l'integrità del segnale, le interferenze Emi. Gli oscilloscopi ad alte prestazioni sono ormai proposti da molti costruttori, ad esempio da LeCroy con i modelli WaveExpert 9000 e SDA 100G, entrambi caratterizzati da una banda di oltre 100 GHz, ma anche gli analizzatori di spettro non si sottraggono alla competizione.

Soluzioni di misura Uwb
Uno dei modelli più recenti proposti da Tektronix, l'analizzatore di spettro in tempo reale RSA 3408 da 8 GHz (lo strumento più performante della famiglia midrange 3000), offre triggering in tempo reale fino a 36 MHz migliorando la risoluzione di misura Rf oltre 2000 volte e consente di visualizzare le caratteristiche del segnale rispetto al tempo, alla frequenza e alla modulazione. Utilizzando una serie di tecniche di memorizzazione ed elaborazione del segnale (tecnologia DPX) lo strumento permette poi di visualizzare le variazioni di segnale sotto forma di spettrogramma, permettendo di misurare segnali impulsivi e transitori, anche con salti di frequenza. La stessa tecnologia viene anche offerta sui modelli di fascia alta (6000) il più potente dei quali RSA6120A, opera nel range di frequenza da 9 kHz a 20 GHz con analisi su banda di frequenze grande a piacere (ottenuta affiancando segmenti di banda di 40 - 110 MHz analizzati in tempo reale in sequenza), con funzioni di trigger sulla densità dello spettro. Sempre nel segmento radiofrequenza, Tektronix è stata tra le prime a presentare una soluzione di misura Uwb implementata totalmente tramite software sugli oscilloscopi della famiglia 70000, a ulteriore dimostrazione che ormai le funzioni tipiche degli strumenti di misura Rf possono essere integrate anche in strumenti destinati a tutt'altro uso. Il software Uwb WiMedia2 per la Common Radio Platform definita da WiMedia Alliances permette di fare, con un singolo comando, i test necessari ad effettuare debug efficienti, oltre ai test di conformità Rf dei sistemi Uwb WiMedia, con misure di demodulazione delle forme d'onda Rf e misure della qualità del segnale Rf compresi pattern constellation, Evm, (Error Vector Magnitude), Psd (Power Spectral Density), misure Acpr (Adjacent Channel Power ratio) e spettrogrammi. Tektronix fornisce anche generatore di segnali (famiglie 5000 e 7000) che consente agli sviluppatori Uwb di generare segnali WiMedia per la completa verifica dei ricevitori. L'AWG7000B è in grado di generare direttamente segnali Uwb grazie alla sua frequenza di campionamento di 24 GS/s e alla banda passante di 5 GHz. Per la stessa serie di generatori di forme d'onda è anche disponibile un software che supporta le modulazioni Qpsk, Qam, and Gmsk.

Strumenti a basso costo
Anche nel segmento degli strumenti a basso costo i prodotti interessanti non mancano: ad esempio il generatore di segnali sintetizzati digitalmente SF800 di Signal Forge che costa meno di mille euro ma offre eccellenti prestazioni, con una gamma di frequenza fino a 1 GHZ e uscite digitali e differenziali.

Analizatori per ogni esigenza
Agilent Technologies propone una vasta gamma di soluzioni che spaziano dagli analizzatori di spettro agli analizzatori vettoriali di reti. Negli analizzatori di spettro si va dai modelli Basic, proposti a un prezzo inferiore ai diecimila euro vai modelli ad altissime prestazioni che possono arrivare anche a 10 volte tanto. Un modello recente e molto interessante è il CSA N1996A, proposto in due versioni, a 3 GHz e 6 GHz, che coniuga la potenza e le funzioni di un ottimo analizzatore da banco con la leggerezza e la trasportabilità di un apparato portatile, alimentato anche a batterie e dotato di funzioni avanzate e di un display Xga, 1024 x 768. I nuovi analizzatori di segnali a basso costo N9000A CXA, che coprono la gamma di frequenze fino a 7,5 GHz, sono invece i modelli entry level degli analizzatori di segnali per radiofrequenza e microonde. Caratterizzati da grande flessibilità grazie a da una vasta gamma di funzioni di misura integrate e opzionali, accessibili con la semplice pressione di un tasto sul pannello frontale, ma con la possibilità di installare nello strumento anche applicativi di misura avanzati; le applicazioni sono identiche a quelle disponibili negli analizzatori di segnale Agilent EXA, MXA e PXA. Nel segmento degli analizzatori di rete (famiglie PNA, PNA-L e PNA-X) è arrivata la funzionalità di analizzatore vettoriale di reti non lineari (Nvna) come opzione del modello PNA-X, a 13,5, 43,5, e 50 GHz per l'analisi a radiofrequenza delle reti non lineari da 10 MHz a 26,5 GHz. Grazie al software Nvna e senza richiedere particolare hardware un PNA-X a 4 porte si trasforma in un analizzatore ad alte prestazioni di reti non lineari, potendo caratterizzare i componenti non lineari e misurare anche parametri scattering non lineari, (parametri X); mentre nel segmento analizzatori di segnali è stato lanciato il modello N9030A PXA, descritto come lo strumento a più alte prestazioni della Serie-X. Le specifiche tecniche del PXA includono larghezza di banda analizzabile di 140 MHz, il rumore di fase di –128 dBc/Hz ad un offset di 10 kHz (1 GHz), accuratezza assoluta in ampiezza di 0,19 dB e sensibilità di –172 dBm di rumore medio visualizzato (DANL) a 2 GHz.

Riduzione dei tempi di collaudo
A completare l'offerta Agilent (caso mai ce ne fosse bisogno) arrivano poi gli strumenti Keithley, la cui divisione Rf è passata di recente proprio ad Agilent. Keithley Instruments vanta un portafoglio Rf che comprende tra l'altro analizzatori di segnali vettoriali, tra cui un nuovo modello, il 2820A, caratterizzato da un'ampiezza di banda di acquisizione del segnale di 40 MHz e disponibile in versioni con un range di frequenza di 400 MHz - 4 GHz o 400 MHz – 6 GHz, in grado di sintonizzarsi su una nuova frequenza in soli 250 ms, un tempo decisamente inferiore rispetto a quello richiesto dai comuni analizzatori disponibili sul mercato, permettendo di ridurre sensibilmente il tempo di collaudo di dispositivi che operano su un'ampia banda di frequenza o su più bande di frequenza.

La più ampia banda di frequenza
Sempre in tema di analizzatori vettoriali, Anritsu offre uno tra gli strumenti con la più ampia banda di frequenza disponibili sul mercato, il VectorStar ME7828A per misure da 70 kHz a 110 GHz. Questa caratteristica significa che è possibile usare lo strumento per caratterizzare in continua componenti ma anche eseguire misure su dispositivi. La famiglia VectorStar offre un'architettura interna di nuova generazione che consente di ottenere una gamma dinamica di 103 dB e una velocità di misura che arriva a 20 μs/punto. Sono disponibili modelli da 20, 40 e 70 GHz per misure a 2 porte con la possibilità di aggiungere in futuro ulteriori opzioni di misura ed è compatibile con i sistemi di misura esistenti a 4 porte. Nella fascia dei prodotti portatili Anritsu propone i modelli VNA Master MS2026B e MS2028B (rispettivamente da 5 kHz a 6 GHz e da 5 kHZ a 20 GHz) e gli analizzatori di spettro palmari SpectrumMaster Serie E potenziati di recente con una nuova opzione adatta a valutare la qualità dei segnali emessi dalle reti di comunicazione radiomobili cellulari. Spectrum Master MS2712E e MS2713E possono demodulare segnali con banda base fino a 10 MHz per verificare la qualità del segnale a radiofrequenza, la qualità della modulazione e il livello di copertura per tutti i principali standard di comunicazione radiomobile, tra cui LTE, WiMax, Wcdma/Hsdpa, TD-Scdma/Hsdpa, Cdma e Gsm/Gprs/Edge. Gli analizzatori di spettro palmari possono così essere sfruttati per eseguire tutte le misure di prestazioni necessarie per garantire il funzionamento ottimale dell'apparato in esercizio identificando il sorgere di eventuali problemi che potrebbero portare a un deterioramento del livello di servizio per gli utilizzatori finali. Anritsu inoltre offre anche uno strumento, il MT8860C WLAN test set, che combina power meter, analizzatore di spettro e generatore di segnali vettoriale per analisi di chip Wlan.

Strumenti di fascia media rapidi e accurati
Rohde & Schwarz nel segmento degli analizzatori vettoriali ha presentato un analizzatore appartenente alla famiglia ZVA caratterizzato da una gamma dinamica di ben 110 dB a 67 GHz e il tempo di misura è pari a soli 3,5 µs per punto, particolarmente interessante destinato a misure su componenti e sistemi per radar civili e militari apparati a microonde. La gamma di analizzatori vettoriali di rete Rohde e Schwarz comprende oltre ai modelli ZVA, ZVB e ZVT anche il sistema ZVL che integra opzionalmente un analizzatore di spettro pienamente funzionale. Disponibile in versioni da 9 kHz a 3 GHz e da 9 kHz a 6 GHz con risoluzione 1 Hz e velocità di sweep 5 ms. Nel segmento degli analizzatori di spettro, i modelli FSV vengono presentati come gli strumenti di fascia media più rapidi ed accurati oggi disponibili. Con una larghezza di banda di analisi fino a 40 MHz gli FSV coprono un'ampia gamma di standard di comunicazione wireless, dal 3Gpp Lte al Wlan 802.11n. Notevole anche la semplicità di interazione nelle misure, grazie anche allo schermo tattile, con tastiera su schermo e al un pannello di controllo ingrandito, ma anche all'aiuto contestualizzato, alle funzioni Undo/Redo e Auto Set che, come altre, si possono richiamare con la pressione di un tasto. Con 1000 scansioni al secondo nella modalità controllo remoto, l'FLV è fino a cinque volte più veloce degli altri analizzatori di segnale della sua classe, il che significa maggiore resa in produzione, ed è compatibile con gli strumenti Rohde & Schwarz delle precedenti generazioni. Tra le caratteristiche principali, l'incertezza di misura totale di soli 0,3 dB fino a 3,6 GHz e soli 0,4 dB fino a 7 GHz. L'unità di base offre un set completo di funzioni (misura di potenza del canale e del canale adiacente nella maschera dello spettro di emissione, con possibili opzioni per analizzare Gsm/Edge, Gpp, Wcdma, 3Gpp Lte, WiMax e WLan. L'analizzatore FSV è disponibile in due modelli: uno per la gamma di frequenze da 9 kHz a 3,6 GHz, e l'altro con una gamma fino a 7 GHz.

Strumenti modulari e sintetici
Da non dimenticare infine, gli strumenti modulari, create con schede plug-in per personal computer o basti sui vari standard di interconnessione VXI e PXI e in particolare LXI, fino ad arrivare alla cosiddetta strumentazione sintetica, basata principalmente sul software anziché sull'hardware e destinata più alle attività di collaudo in linea che alle esigenze di misura vere e proprie. In questo segmento il principale attore è sicuramente National Instruments, che dispone di una gamma molto vasta di moduli, dallo switch PXI da 5 GHz al modulo analizzatore vettoriale 5660 da 2,7 GHz e il pacchetto Spectral Measurements Toolkit per LabView e LabWindows/CVI. Molte altre aziende del settore T&M propongono comunque soluzioni modulari per test Rf: da Aeroflex (generatore digitale di segnale 3020C PXI da 1 MHz a 3 GHz per applicazioni in banda HF, VHF e UHF), ad Agilent (ad esempio i digitalizzatori Acqiris PXI a 10 bit da 4 Gcampioni/s), DRS Technologies, Honeywell, Phase Matrix, e Teradyne, ma anche Elcom Technologies (sintetizzatori di frequenza), Pickering Interfaces, VXI Technology.

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