Gamma dinamica

Dato un certo livello di potenza del segnale da misurare, molteplici fattori limitano la gamma dinamica di un analizzatore di spettro:

• Per basse potenze, il fondo di rumore intrinseco P_N dell’analizzatore di spettro
• Per alte potenze, la compressione del mixer di ingresso
• Per deboli segnali in prossimità di una portante intensa, il rumore di fase

Quando vari toni sono applicati all’analizzatore di spettro, i prodotti di intermodulazione possono limitare la gamma dinamica.

In particolare, l’intermodulazione del terzo ordine deve essere considerata, poiché causa i prodotti di intermodulazione dominanti.

I data sheet degli analizzatori di spettro riportano una figura di merito della distorsione a due toni attraverso il punto di intercetta del terzo ordine (TOI), misurato con due portanti non modulate.

Il TOI corrisponde alla potenza teorica di un segnale che genererebbe prodotti di intermodulazione di intensità pari al segnale stesso e può essere calcolato come:

[1] 

dove TOI è espresso in dBm, P_in è la potenza di ciascun tono in ingresso in dBm e P_Δ è l’ampiezza dei prodotti di intermodulazione relativi a P_in (vedi figura 2).

Fig. 2: diagramma dei componenti di intermodulazione del terz’ordine e parametri rilevanti.

A causa della compressione che si verifica impiegando un dispositivo attivo in regime non lineare, il livello di TOI non può essere raggiunto in una misura reale (ad esempio all’uscita di un amplificatore).

Tuttavia rappresenta un buona figura di merito per calcolare la gamma dinamica priva di intermodulazione P_Δ:

[2] 

L’ampiezza dei prodotti di intermodulazione del terzo ordine PIM3 risulta quindi:

[3] 

Un altro fattore che limita la gamma dinamcia, in particolare per basse potenze di ingresso, è il livello del rumore di fondo dell’analizzatore di spettro. Questo valore viene indicato nel datasheet come Displayed Average Noise Floor (DANL).

La somma delle distorsioni porta al diagramma della gamma dinamica mostrato in figura 3. Per basse potenze di ingresso il livello di rumore di fondo limita la gamma dinamica. Per potenze elevate, il fattore limitante è invece la distorsione del terzo ordine.

Anche le distorsione del secondo ordine ed il rumore di fase influenzano la gamma dinamica. Le distorsioni del secondo ordine non sono ulteriormente discusse in questo articolo in quanto i prodotti di distorsione cadono a frequenze lontante dal segnale (f1 + f2 e f2 - f1) e quindi non sono rilevanti per la distorsione in banda e per l’ACLR.

Sommando linearmente tutte le fonti di distorsione si ottiene gamma dinamica effettiva dell’analizzatore di spettro.

Il minimo di questa curva è chiamato livello ottimo del mixer. In questo punto l’analizzatore di spettro raggiunge il la massima gamma dinamica. Utilizzando il preamplificatore e l’attenuatore regolabile, l’intensità del segnale in ingresso al mixer per un dato segnale di ingresso può essere impostata al valore ottimale.

Nelle misure reali è necessario considerare l’aumento del rumore di fondo dovuto alla banda estesa del segnale da misurare.

Le impostazioni di filtraggio dell’analizzatore non hanno impatto sul primo mixer in quanto esso è a monte e vede sempre tutta la banda e quindi solo la banda del segnale è rilevante. La potenza del rumore di fondo in funzione della banda B (espressa in dB) e relativa alla potenza del segnale al mixer è pari a [1]

(4) 

Di conseguenza, la gamma dinanica diminuisce ed il punto di lavoro ottimale del mixer trasla verso potenze maggiori, come illustrato in figura 3, ad esempio nel caso di B = 100 kHz (50 dB).

Fig. 3: diagramma della gamma dinamicoa con l’incremento del rumore di fondo dovuto ad un segnale a banda larga. TOI = 15 dBm, DANL = -155 dBm/Hz, rumore di fase = -130 dBc.