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| RILIEVO SPERIMENTALE DELLA MODULAZIONE DI AMPIEZZA E FREQUENZA CON L'ANALIZZATORE SI SPETTRO |
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STRUMENTI ADOPERATI: 1) ANALIZZATORE DI SPETTRO TEKTRONIX 2711 1,8 GHz 2) MODULATORE MARCONI TF 2015 A AM - FM 3) GENERATORE DI FUNZIONE HP 8111 4) CAVETTI RG 58 DI COLLEGAMENTO Nella prova pratica precedente abbiamo rilevato sperimentalmente all’oscilloscopio un segnale modulato in ampiezza con i tre metodi dell’inviluppo, del trapezio e dell’ellisse allargata. Ma qualunque segnale specialmente se ad alta frequenza può essere visualizzato all’analizzatore di spettro, strumento spesso insostituibile nel campo delle telecomunicazioni moderne. Come è noto l’oscilloscopio rappresenta i segnali elettrici nel dominio del tempo, mentre l’analizzatore di spettro li mostra nel dominio della frequenza, per cui da un certo punto di vista certamente i due strumenti si completano a vicenda nello studio di un segnale. Quando si tratta poi di studiare un segnale modulato, e quindi costituito da più frequenze componenti è certamente più interessante e più utile effettuarne il rilievo all’analizzatore di spettro che ne mostra in un’unica immagine tutte le componenti spettrali in cui è racchiusa l’informazione che si vuole trasmettere. |
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| DESCRIZIONE SOMMARIA DELLO STRUMENTO | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
L’analizzatore di spettro, strumento relativamente moderno, oggi spesso realizzato in configurazione digitale sia nello schermo che nelle memorie interne, consente di misurare l’ampiezza e la frequenza di un segnale a bassa o ad alta frequenza senza però rilevarne la fase in quanto i valori dell’ampiezza sono mostrati in modulo sotto forma di righe verticali disposte lungo l’asse orizzontale delle frequenze. Il pannello frontale dell’analizzatore di spettro TEKTRONIX 2711 rappresentato alla pagina successiva, è costituito dallo schermo a sinistra e dai pulsanti a destra che sono raggruppati per funzione. Le aree che definiscono i gruppi di tasti relativi alla stessa funzione sono evidenziate da una leggera bordatura. Questo tipo di strumento può lavorare in due modi diversi: agendo direttamente sui tasti funzione, oppure attraverso menù all’interno dei quali si effettuano tutte le scelte. Le due maniere di agire hanno naturalmente effetti equivalenti. La più immediata e semplice delle due maniere è quella dei tasti funzione, che spiegheremo per sommi capi di seguito. Al centro in basso c’è il pulsante dell’accensione POWER ON/OFF con la manopola per la regolazione dell’intensità luminosa dello schermo INTENSITY . All’accensione, lo strumento va a regime ed effettua una serie di controlli e di calibrazioni automatiche che richiedono un tempo di 15 minuti evidenziato con la scritta in basso sullo schermo “ WARMUP TIME 15 MIN “. (tempo di riscaldamento = 15minuti) E’ bene effettuare le misure quindi dopo che sia trascorso detto tempo se si desiderano risultati precisi.
Il pannello frontale dello strumento ha la forma di seguito rappresentata in cui sono indicati tutti i comandi più importanti che interessano questa prova pratica:
Quando lo strumento si accende per la prima volta esso consente di visualizzare tutta la gamma di frequenze di cui dispone cioè fino a 1,8 GHz. Una volta acceso lo strumento, appaiono sullo schermo quattro scritte in alto a sinistra che indicano: 1) la frequenza della riga verticale centrale (900 MHz); 2) il livello di potenza in dBm della riga orizzontale più alta dello schermo (20.00 dBm); 3) lo span/div , cioè l’intervallo di frequenza associato ad una divisione orizzontale (180 MHz/MAX); 4) la larghezza di banda RBW (resolution bandwith), del filtro che seleziona le righe da visualizzare (5MHz RBW); Nella zona centrale del pannello di comando c’è un’area VERT SCALE per la scelta del tipo di graduazione della scala verticale. Con il pulsante LIN si ha la scala lineare, mentre con il pulsante 10/5/1 si ha la scala logaritmica. Nel pannello centrale, in alto al centro, ci sono tre pulsanti rettangolari allungati associati a coppie di frecce direzionali che consentono di scegliere: 1) la frequenza centrale dello schermo FREQUENCY ; 2) il valore di una divisione in frequenza SPAN/DIV ; 3) il livello di riferimento della riga orizzontale più alta in dBm REF/LEV In alto al centro c’è il pulsante PEAK FIND che posiziona il marker (puntino luminoso) sulla riga spettrale più alta dello schermo. Ci sono poi poco più in basso due pulsanti con frecce MKR che consentono di spostare il marker a destra o a sinistra ma sempre sui picchi delle righe verticali del segnale. Accanto al pulsante PEAK FIND c’è il pulsante CTR MEAS/TRKG che posiziona la riga con il marker al centro dello schermo. Il pulsante MKR/D/OFF poi, che è poco sotto il PEAK FIND , dà luogo a tre possibili scelte: a) premuto una sola volta consente la lettura, in alto a destra sullo schermo, della frequenza e del livello di potenza del punto indicato dal marker. b) premuto una seconda volta, crea un secondo marker spostabile con i pulsanti a freccia, rispetto al primo, che resta fermo, consentendo una immediata lettura nella parte alta a destra dello schermo, della differenza di frequenze e di livelli fra i segnali indicati dai due marker. c) premuto una terza volta fa sparire le letture precedenti. E così via ciclicamente. La grossa manopola FREQ/MARKERS in alto al centro dovrebbe spostare il marker con continuità in qualunque punto della cresta o della base del segnale ma attualmente sembra che non funzioni. Al centro, a destra, ci sono le aree che regolano la risoluzione della larghezza di banda, (RES BW) e della rapidità di scansione (SWEEP). Ambedue funzioni dispongono, per maggiore comodità, di un tasto che determina la scelta automatica ottimale AUTO . E’ disponibile poi un tasto che inserendo un filtro video, elimina parte del rumore, pulendo l’immagine VIDFLT . E’ disponibile poi nell’area SWEEP il tasto SINGLE che consente di avere una sola scansione dell’immagine per volta. Per disabilitare la funzione SINGLE basta premere AUTO . Se si vuole poi disabilitare uno dei tasti AUTO o VIDFLT , basta premerlo una seconda volta. In alto a destra nel pannello dei comandi c’è un’area rettangolare con i pulsanti numerici, da 0 a 9 e con il punto decimale, che consentono di comporre tutti i valori richiesti dei dati da introdurre, con le relative unità di misura a destra (V; mV; dBx; -dBx) (GHz; MHz; KHz; Hz). E’ consentita inoltre la correzione dell’ultimo dato immesso per mezzo del tasto BKSP |
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| I° PARTE | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
Si predispone innanzitutto un generatore di segnale modulante (HP 8111 A), poi uno strumento in grado di generare la portante, che chiameremo modulatore (MARCONI TF 2015 A), ed infine, naturalmente l’analizzatore di spettro che visualizzerà il segnale modulato (TEKTRONIX 2711). Si dispongono gli strumenti come indicato in figura ricordando che il modulatore Marconi possiede un ingresso posteriore per il segnale modulante ( EXT MOD IN ).
In questo caso, nel collegare il modulatore MARCONI TF 2015 A non si corre alcun pericolo, ma normalmente prima di collegare qualsiasi strumento al TECTRONIX 2711 bisogna essere certi che non si immettano tensioni superiori a 2VPP perché verrebbe danneggiato irrimediabilmente lo stadio di ingresso.
COME SI IMPOSTANO I DATI NEGLI STRUMENTI Generatore di segnale modulante (HP 8111 A) Per questo strumento l’impostazione dei dati è banale e quindi non si descrive. Modulatore (MARCONI TF 2015 A) Per questo strumento vi è qualche difficoltà per cui si preferisce dare una breve descrizione del pannello frontale rappresentato in fondo alla pagina. Questo è suddiviso essenzialmente in tre aree destinate a tre funzioni diverse e precisamente:
Analizzatore di spettro (TEKTRONIX 2711) Si preme il tasto Frequency e sullo schermo a sinistra appare la scritta FREQ . Si premono i tasti numerici 1 poi 2 poi l’unità di misura MHz nell’area in alto a destra. Si seleziona, analogamente con il tasto SPAN/DIV il valore di 1 MHz e poi ancora con il tasto REF/LEV il valore di 0 dBm. Questi dati vengono memorizzati ed appaiono in alto a sinistra sullo schermo al posto dei valori precedenti presenti all’accensione. Inoltre nell’area RES BW e SWEEP si premono i tasti AUTO la cui accensione è verificata da LED rossi. A questo punto si verifica sullo schermo in alto a sinistra che siano apparsi i valori digitati: 12.0 6 MHZ ( FREQ ) 0.00 DBM ( LEVEL ) 1.00 MHZ / (SPAN ) 300 KHZ ( RBW ) Se non fossero questi, sarà opportuno correggerli. A questo punto si dovrebbe vedere una riga centrale che indica la presenza della portante. Quindi premiamo il tasto PEAK FIND e il marker si posiziona in cima alla riga della portante e in alto a destra sullo schermo leggiamo i valori del punto indicato dal marker. Nel nostro caso è risultato: M 11.98 MHZ ( FREQ ) M - 27.2 DBM (LEVEL) 10 DB/ Si osservi che il livello indicato a destra di - 27.2 DBM ( o altro) è un livello assoluto e non dipende dal livello di riferimento della riga in alto. Se si vuole portare la frequenza della portante esattamente a 12 MHz, si può agire sul Fine Tune del modulatore osservando come si sposta la riga verticale. Premendo poi il PEAK FIND si può leggere e destra il nuovo valore. Si può provare ad abbassare od alzare il livello della portante dal modulatore agendo sull’ attenuatore fine (17 - 7 dB) ed osservare come si abbassa o si alza il picco dell’immagine all’analizzatore di spettro. Proviamo a inserire e poi a levare il filtro video premendo una o due volte il tasto VIDFLTR Il segnale si pulisce in parte dai disturbi radio e dal rumore. Possiamo poi abbassare od alzare il livello della riga spettrale sullo schermo, fermo restando il livello del segnale prodotto dal modulatore premendo i tasti a freccia associati a REF/LEV e alla fine lo posizioniamo a -20 dBm. Si è vista finora solo la portante. Osserviamo che il modulatore in esame, MARCONI TF2015 A è in grado di modificare l’indice di modulazione:
quando il segnale modulante è esterno in quanto fermo restando il livello del segnale esterno, lo strumento ne preleva una quota parte maggiore o minore che applica alla portante con la rotazione della manopola AM Depth. Perché però i valori indicati dalla manopola AM Depth siano attendibili è necessario che l’indicatore visivo ad indice (Mode & Carrier Level) sia esattamente centrato come già indicato prima.Se quindi ora variamo l’indice di modulazione in AM inizialmente posto a 0 %, agendo sulla manopola AM depth, si aggiungeranno le righe laterali alla riga centrale della portante pur restando per il momento invisibili sullo schermo. Alla fine lo posizioniamo per esempio sul 60 % Per poter vedere le righe laterali della modulazione di ampiezza che distano 10 KHz dalla portante, devo però porre lo SPAN DIV a 10 KHz/div agendo sui tasti freccia associati al tasto SPAN/DIV . L’immagine può spostarsi per cui si deve riportare al centro premendo prima il tasto PEAK FIND e poi il CTR/MEAS. Può essere necessario ripetere questa operazione più volte se nel frattempo la portante ha leggermente slittato di frequenza. A questo punto l’immagine della portante dovrebbe essere più o meno centrata e si dovrebbero vedere le righe laterali che indicano l’informazione racchiusa nel segnale modulante. Si osservino le eventuali altre righe laterali indesiderate ma di scarso livello e che nascono possibilmente con indice di modulazione vicino a uno. Dopo aver fatto tutte queste prove si effettui la misura vera e propria delle frequenze e dei livelli della portante e delle righe laterali del segnale modulato in AM. Volendo effettuare il rilievo dell’indice di modulazione, conviene usare la scala verticale lineare in cui i livelli sono espressi in Volt o millivolt. Per far questo premiamo nell’area centrale del pannello il tasto LIN e osserviamo che l’immagine si è in po’ abbassata. La risolleviamo per mezzo dei tasti a freccia annessi al REF/LEV .Per bloccare l’immagine se per caso il modulatore, slittando in frequenza la spostasse sullo schermo, è opportuno premere SINGLE nell’area SWEEP a destra al centro del pannello di comando.
Ponendo il marker sulla portante con il tasto PEAK FIND , e usando i tasti a freccia sotto di lui si leggono in alto a destra sullo schermo le caratteristiche della portante che nel nostro caso sono risultate: M 11.98 MHZ (FREQ)
Ponendo il marker sulla banda laterale destra si ottiene invece: M 11.99 MHZ (FREQ) Poiché le righe laterali della AM sono alte:
alquanto simile a quello impostato nel modulatore (60 %). E’ però più interessante misurare i valori delle bande laterali riferendoli a quelli della portante. Questo si può fare ponendo prima il marker sulla portante con PEAK FIND , premendo poi una sola volta poi il tasto MRK/D/OFF che crea un secondo marker spostabile rispetto al primo che rimane fisso sulla portante. Si ponga quindi, con i tasti a freccia, il secondo marker prima sulla banda laterale destra e poi sulla sinistra e ogni volta si effettui la lettura. Si leggono nel nostro caso sullo schermo in alto a destra i valori:Riga destra: D 9.8 KHZ (FREQ) D -7.07 mV (LEVEL) 2.00 mV/ (SPAN VERTICALE) Riga sinistra: D 9.8 KHZ (FREQ) D -7.07 mV (LEVEL) 2.00 mV/ (SPAN VERTICALE) Per far sparire il secondo marker bisogna premere una volta il tasto MRK/D/OFF. Se invece si volesse di nuovo un solo marker con l’indicazione in alto a destra sullo schermo, si dovrebbe premere ancora una volta il tasto MRK/D/OFF. Per il rilievo della larghezza di banda bisogna porre il marker sulla riga spettrale sinistra con i tasti a freccia MKR e, dopo averne creato un secondo marker con il tasto MKR/D/OFF , bisogna porlo sulla riga destra e leggere a destra in alto sullo schermo, i valori cercati. Nel nostro caso è risultato: D 19.6 KHZ (LARGHEZZA DI BANDA) D 0.00 mV (DIFFERENZA DI LIVELLO) 2.00 mV/ (SPAN VERTICALE) Per ritornare al nodo normale premere AUTO a destra di SINGLE. Così facendo si sblocca l’immagine che si era bloccata per consentire una migliore lettura dei dati. CONCLUSIONI Abbiamo così rilevato in definitiva per la modulazione di ampiezza nel caso che noi abbiamo esaminato:
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| II° PARTE | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
Per questo nuovo tipo di rilievo si dispongono gli stessi strumenti già indicati a pagina 4 con lo stesso schema topografico già usato per la modulazione di ampiezza. I dati da immettere negli strumenti per questa nuova prova potrebbero essere ad esempio:
Anche in questo caso prima di fare la misura bisogna regolare il livello del segnale esterno fino a posizionare l’indice Mod & Carrier Level al centro per tarare così la manopola Deviation. Bisogna poi, nell’analizzatore di spettro, rimettere lo SPAN VERT nella sua posizione iniziale di Default, e cioè a 10 dB/div con il tasto 10/5/1 sotto l’area VERT SCALE al centro del pannello al fine di graduare la scala verticale in decibel invece che in Volt. Dovrebbe vedersi la portante insieme alle righe laterali destra e sinistra non distinguibili. Per risolvere l’immagine rendendo chiaramente distinguibili le singole righe componenti lo spettro, bisogna variare lo SPAN/DIV premendo i tasti a freccia annessi riducendo i valori secondo la sequenza:1 MHz 500 KHz 200 KHz 100 KHz 50 KHz 20 KHz . Man mano però che si riducono i valori dello SPAN/DIV bisogna, se necessario, riportare a centro l’immagine ponendo prima il marker sulla parte centrale dello spettro con i tasti a freccia MKR poi premendo il tasto CTR/MEAS/TRKG Si possono fare delle prove aumentando e diminuendo l’ampiezza della modulante e vedendo come varia in corrispondenza la distribuzione spettrale del segnale modulato sia come numero di righe, sia come ampiezza. In particolare è opportuno individuare qualcuno degli zeri di Bessel, individuare quindi quei valori della tensione modulante che annullano la portante. Ricordiamo infatti che nella FM è:
 m nota perché la scegliamo noi, se determiniamo Vm in corrispondenza del primo zero che si ricava dal diagramma di Bessel per m = 2,4,si può determinare la costante del modulatore K F:
Qualora si avesse tempo a disposizione, si potrebbe addirittura tracciare la curva caratteristica del modulatore per verificarne la linearità, rilevando alcuni valori di V Il rilievo successivo è quello della larghezza di banda che in FM è: B = 2 N fm dove fm è la frequenza modulante e quindi la distanza fra due righe spettrali contigue, ed N è il numero delle righe laterali, destre o sinistre di ampiezza superiore all’1% del livello della portante non modulata. Determinato allora il valore di K
Immettendo nel modulatore il valore di V Non è possibile fare diversamente se si vuole modulare con un certo indice di modulazione perché il modulatore non indica il valore di m nella modulazione di frequenza. Nel nostro caso è risultato:
A questo punto si devono contare le righe laterali destre (per esempio) il cui livello sia superiore all’1% del livello della portante non modulata. A questo scopo si trasmette solo la portante ad esempio regolando la manopola Deviation KHz = 0 nel modulatore e si rivela il livello della portante all’analizzatore di spettro. Nel nostro caso è risultato leggendo al solito sullo schermo in alto a destra:L’1% in dB corrisponde a:
- 22,4 dB - 40 dB = - 62,4 dB saranno conteggiate, le altre invece, ignorate. Si crea allora il marker con il tasto MKR/D/OFF e lo si pone sulle varie righe laterali leggendo sullo schermo in alto a destra il livello di ogni singola riga. E’ risultato nel nostro caso N = 8 in corrispondenza di m = 5. Se si avesse molto più tempo a disposizione, si potrebbe costruire una tabella di corrispondenza tra m , N |
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