Analisi di segnali Rf con il digital real-time processing

ANALIZZATORI –

La cattura di fenomeni transitori costituisce uno dei fattori più critici nell’ambito della progettazione di circuiti digitali che integrano moduli a radio frequenza.

La complessità spettrale all’interno di bande piuttosto ampie è fattore comune a innumerevoli applicazioni Rf con tecnologie operanti all’interno della cosiddetta banda Ism. La progettazione elettronica Rf, a partire dal singolo componente fino ad arrivare a moduli e aggregazioni in sistemi più complessi, affronta oggi delicate problematiche di troubleshooting e di debugging, e si stringono i parametri di aderenza (compliancy) a molteplici standard di compatibilità elettromagnetica sia nazionali che internazionali. I progettisti si confrontano con segnali estremamente difficili da rilevare e la cui analisi richiede tempistiche elevate in relazione al grado di complessità. Spesso i segnali in frequenza appaiono come rapidi “burst” letteralmente “sepolti” nella banda, ovvero nascosti da altri segnali che rapidamente si susseguono lungo lo spettro (frequency hopping).

Real-time monitoring di complessi segnali Rf
Per affrontare queste sfide tecnologiche sono necessari strumenti innovativi in grado di operare il cosiddetto “real-time”, ovvero l’analisi in tempo reale a larga banda e con performance che superano quelle dei tradizionali strumenti per l’analisi spettrale dei segnali. Pensiamo all’Rtsa (Real Time Signal Analyzer) ovvero l’analizzatore di segnali Rf in tempo reale. Un potentissimo motore di processing software di segnali digitali ad alta velocità è integrato all’interno di questo strumento consentendo di elaborare l’analisi in real-time dei segnali acquisiti in una span di 110 MHz, molto più ampio rispetto alla tipica banda acquisita da un comune analizzatore di spettro mid-range. Su tutta la banda sopra specificata, l’analisi spettrale e la variazione di ampiezza e frequenza del segnale acquisito avviene in modo diretto ed estremamente veloce grazie alla cosiddetta tecnologia Dpx. Questa tecnologia non rivoluziona solamente il processing, ma anche le modalità di visualizzazione dello spettro real-time del segnale, combinando il tutto con un potente e avanzato sistema di triggering del segnale e di analisi multi modale per la decodifica diretta delle più recenti e complesse modulazioni digitali. L’analisi spettrale secondo le modalità classiche rimane comune disponibile, stavolta però con prestazioni di rilievo, come il TOI di +17dBm, il DANL a -154dBm/Hz e un bassissimo rumore di fase anche per analisi in bassa frequenza e verifiche di compatibilità elettromagnetica. L’implementazione del Dpx dagli stadi di conversione dal segnale analogico Rf ai campioni digitali (A/D converter) sono campioni che vengono trasferiti in tempo reale al processing in grado di applicare la trasformata discreta di Fourier generando fino a 292K spettri al secondo. Questo flusso rapido di dati viene trasferito ad un buffer di memoria per l’elaborazione grafica, costituito da un array in grado di memorizzare la densità delle occorrenze nello spettro per ogni singolo pixel, incrementando il conteggio ogni qual volta un pixel caratterizza un determinato valore di potenza Rf. Con una periodicità inferiore, gestibile e coerente con le capacità umane di visualizzazione, questa matrice grafica viene trasferita al display dello strumento.
Ogni visualizzazione quindi corrisponde alla sovrapposizione grafica di tutti gli spettri elaborati e ne mantiene l’intero contenuto informativo sotto forma di gradazioni di colore più o meno intense.
I pixel con gradazione di colore verso il rosso indicano una certa ripetitività dell’ampiezza Rf rilevata a quella frequenza mentre i colori più freddi corrispondono ai transitori. In questo modo, essi rimangono comunque visibili nonostante la sovrapposizioni degli spettri su una singola visualizzazione. In questa modalità eventi transitori e burst estremamente rari sono resi immediatamente riconoscibili sulla visualizzazione dei 292 mila spettri elaborati. L’eccezionale rapidità di elaborazione consente la cattura e la rappresentazione in frequenza di eventi brevissimi (durata minima di 5,8 µs per una probabilità certa di osservazione), un risultato impossibile da raggiungere con la classica tecnica swept per l’analisi spettrale. Altre modalità di analisi vengono messe a disposizione da questo strumento. Operando sul segnale uno sweep di durata brevissima (20 microsecondi) ed elaborando oltre 50.000 acquisizioni al secondo è possibile ottenere in modo estremamente veloce una visualizzazione dell’andamento del segnale in ampiezza, frequenza e fase per tutta la finestra temporale del segnale acquisito, cioè il cosiddetto tempo spettrale. Questa doppia modalità di analisi, non solo nel dominio della frequenza ma anche nel dominio del tempo è forse ciò che maggiormente distingue un analizzatore di spettro real-time da un comune swept analyzer, quest’ultimo in grado di non andare oltre le 200 misure al secondo nei modelli di maggiori prestazioni. Il processore Dpx è così tecnologicamente avanzato da non consentire paragoni con le tecnologie precedenti in termini di prestazioni, con un salto che richiama, per fare un parallelo, l’avvento degli oscilloscopi real-time nel mercato degli oscilloscopi digitali.

Analizzatore di spettro o analizzatore di segnali?
Un salto tecnologico come quello illustrato poc’anzi induce a ripensare la terminologia con la quale si caratterizzano questi strumenti di misura. Quando le visualizzazione del contenuto informativo elaborato differisce, la questione emerge in modo evidente. L’analisi real-time consente di triggerare molto più frequentemente, di elaborare migliaia di volte al secondo più velocemente le acquisizioni e di poter visualizzare tutto il contenuto informativo elaborato. Per necessità di troubleshooting sul segnale poi, lo stesso rate di elaborazione si applica alle visualizzazioni di ampiezza, fase e frequenza nel dominio del tempo. Oltre alla analisi rapidissima dello spettro è possibile attivare il tracciamento nel dominio del tempo di lunghe sequenza temporali (fino a 2000 secondi) così da catturare fenomeni lenti e a bassa frequenza come ad esempio quelli imputabili ad accoppiamenti con il circuito di alimentazione. Le modalità descritte operano congiuntamente a diverse opzioni di trigger, sia interno che esterno. Abbinare le potenzialità del Dpx ai trigger avanzati legati alla potenza del segnale, al superamento specifico di soglie (runt), a maschere dal profilo customizzabile in frequenza così come ad eventi nel dominio del tempo consente di definire una soluzione di misura esaustiva. A completamento del tutto, 4 Gbyte di memoria interna consentono un acquisizione continua del segnale nel tempo fino a 7 secondi nel settaggio full bandwidth.

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