Come esplorare lo spettro radio con un analizzatore RF

I dispositivi che sfruttano lo spettro elettromagnetico (EM) per condividere e scambiare informazioni devono essere rigorosamente testati per garantire un funzionamento corretto e senza interferenze. Inoltre, interferenze e fattori ambientali possono danneggiare o impedire il funzionamento di questi dispositivi. Pertanto, la capacità di misurare segnali a radiofrequenza (RF) e nelle microonde è necessaria per comprendere come vengono trasmessi i segnali di comunicazione e come riceverli meglio. Qui vedremo quali strumenti usare allo scopo e come analizzare lo spettro di un segnale RF.

Un analizzatore di spettro misura l’entità di un segnale di ingresso rispetto alla frequenza nell’intero intervallo di frequenza dello strumento (ne trovi vari modelli abbordabili qui). L’uso principale è misurare la potenza dello spettro di segnali noti e sconosciuti. Il segnale di input che gli analizzatori di spettro più comuni misurano è elettrico; tuttavia, le composizioni spettrali di altri segnali, come le onde di pressione acustica e le onde di luce ottica, possono essere considerate attraverso l’uso di un trasduttore appropriato.

La visualizzazione di un analizzatore di spettro ha la frequenza sull’asse orizzontale e l’ampiezza visualizzata sull’asse verticale. Per l’osservatore casuale, un analizzatore di spettro sembra un oscilloscopio e, in effetti, alcuni strumenti di laboratorio possono funzionare come un oscilloscopio o un analizzatore di spettro. Perfino la scheda audio del computer può trasformarsi in un oscilloscopio e un analizzatore di spettro, se affiancata da un software adeguato, come illustrato in un nostro articolo che trovi qui.

Il software Visual Analyser, che trasforma una scheda audio in oscilloscopio e analizzatore di spettro nella regione di frequenze fino a qualche decina di chilohertz, che comprende quella audio.

Un analizzatore di spettro analizza primariamente segnali elettrici in ingresso. Esso analizza, a seconda del modello, segnali audio, radio (RF) e microonde, ed opera su tutto l’intervallo di frequenza del dispositivo. Degli analizzatori audio e dell’analisi audio in frequenza abbiamo già accennato nell’articolo Come fare uno spettrogramma di un segnale audio, che puoi trovare qui. In questo articolo ci limiteremo quindi a parlare, dopo un’introduzione generale, degli analizzatori di spettro radio, o analizzatori RF.

Utilità degli analizzatori di spettro RF

I segnali di comunicazione prodotti da un trasmettitore a radiofrequenza sono trasportati dalle onde EM che viaggiano attraverso la nostra atmosfera, in genere, dalle centinaia di chilohertz a molti gigahertz nella gamma di frequenze. Alla ricezione di questi segnali di comunicazione, l’elettronica di ricezione deve essere in grado di demodulare e decifrare questi flussi di dati. Per i ricevitori radio – come pure quelli di Wi-Fi e smartphone – tale processo può essere eseguito da un’elettronica dedicata.

Wi-Fi e Bluetooth, standard di comunicazione a microonde, coesistono nella banda senza licenza industriale, scientifica e medica (ISM) a 2,4 GHz. Il picco di segnale a 2,4 GHz è il Bluetooth, mentre il Wi-Fi è distribuito orizzontalmente su un ampio intervallo di frequenze.

Tuttavia, se è auspicabile sapere come vengono trasmessi e ricevuti i segnali di comunicazione, è necessario un metodo per misurare e registrare questi segnali in radiofrequenza (RF). Questa analisi può essere eseguita, ad esempio, al fine di determinare il funzionamento di un componente o dispositivo o per analizzare l’attività EM nell’ambiente operativo. Altre applicazioni includono il monitoraggio dello spettro EM per attività dannose o la diagnosi e la previsione di guasti alle apparecchiature.

Negli ultimi anni, ad esempio, i jammer RF sono diventati sempre più accessibili al pubblico. Sebbene la maggior parte di essi abbia lo scopo di fornire una maggiore privacy, le operazioni dei primi soccorritori potrebbero essere deliberatamente prese di mira da attacchi di disturbo e interferenze. Le interferenze radio funzionano indirizzandosi sui ricevitori. Un jammer RF trasmetterà un segnale sulla stessa frequenza del segnale desiderato. Il segnale di disturbo può essere ricevuto allo stesso livello di potenza o a maggiore livello di potenza, impedendo ai ricevitori di distinguere il segnale desiderato.

La tecnologia che consente la misurazione di segnali RF su una gamma di frequenza e potenza è nota come “analisi dello spettro”, o analisi spettrale. Un’implementazione comune dell’analisi dello spettro è quella di “spazzare” una gamma di frequenze con un rivelatore di potenza altamente sensibile – un analizzatore di spettro (SA) – mentre registra i risultati. Questo metodo produce un grafico dei livelli di potenza rispetto alla frequenza, utilizzando una certa larghezza di banda del ricevitore.

Un esempio di moderno analizzatore di spettro RF.

Le apparecchiature di rilevamento e analisi dello spettro delle radiofrequenze comprendono dispositivi in grado di rilevare, identificare e analizzare i segnali RF trasmessi da varie fonti. Le apparecchiature per la ricerca della direzione RF includono dispositivi che misurano e triangolano la direzione da cui proveniva un segnale RF trasmesso. Questi dispositivi possono essere utilizzati per identificare e localizzare trasmissioni sospette o fonti minacciose, comprese le interferenze RF che potrebbero bloccare le comunicazioni dei soccorritori o danneggiare dei dispositivi elettronici.

Differenza fra oscilloscopi e analizzatori di spettro

Un oscilloscopio misura l’entità di un segnale elettrico rispetto al tempo. Un analizzatore di spettro, invece, misura l’entità di un segnale di ingresso rispetto alla frequenza. Analizzando gli spettri di segnali elettrici, si possono osservare frequenza dominante, potenza, distorsione, armoniche, larghezza di banda e altre componenti spettrali di un segnale non facilmente rilevabili nelle forme d’onda nel dominio del tempo. Tali parametri sono utili per caratterizzare i dispositivi elettronici.

Pertanto, sia gli analizzatori di spettro sia gli oscilloscopi sono strumenti che misurano i segnali elettrici. L’oggetto principale di misurazione è l’ampiezza del segnale, le informazioni sull’ampiezza verranno visualizzate sull’asse verticale dei 2 strumenti. La differenza tra i due è che l’asse orizzontale è diverso. In pratica, l’analizzatore di spettro viene utilizzato per osservare il segnale nel dominio della frequenza e l’oscilloscopio, invece, per osservare il segnale nel dominio del tempo.

Differenza tra analizzatori di spettro e oscilloscopi. In questa figura, il segnale misurato è un segnale misto di tre onde sinusoidali con frequenze diverse. Ciò che può essere osservato dall’oscilloscopio è la forma d’onda effettiva dopo la miscelazione dei tre segnali. Ma non è intuitivo sapere quali sono i componenti del segnale. Dall’analizzatore di spettro, l’utente può vedere in modo intuitivo 3 linee verticali che rappresentano i 3 componenti di frequenza, ma non può vedere la forma d’onda di ingresso specifica.

L’osservazione tradizionale dei segnali elettrici e della relativa forma d’onda si può effettuare su un oscilloscopio nel dominio del tempo. Tuttavia, non tutte le caratteristiche sono completamente caratterizzate nel dominio del tempo. Per i componenti del circuito – come amplificatori, oscillatori, mixer, sintonizzatori, rivelatori e filtri – i caratteri di frequenza sono molto più importanti. Per queste misurazioni, ciò di cui gli utenti hanno davvero bisogno è un analizzatore di spettro.

In pratica, l’analizzatore di spettro può essere molto utile nei test su telecomandi, walkie-talkie, nel fare misurazioni su trasmettitori e ricevitori (TV, radio, telefonia mobile, Wi-Fi, etc.), telefoni cordless, e altri sistemi cablati e wireless. Gli analizzatori di spettro possono essere ampiamente utilizzati nello sviluppo, nella produzione, nel collaudo, nella manutenzione di tali apparecchiature. Perciò, la maggior parte degli oscilloscopi digitali attuali sono dotati di funzioni per l’analisi spettrale (FFT).

Gli oscilloscopi digitali dotati di funzioni “Fast Fourier Transform” (FFT, o Trasformata di Fourier Veloce) convertono i segnali del dominio del tempo in visualizzazione del dominio della frequenza tramite calcolo della FFT. Questo è anche il principio di base di alcuni analizzatori di spettro FFT. Tuttavia, limitati dalla capacità di elaborazione dell’oscilloscopio e dai limiti della larghezza di banda, la maggior parte degli oscilloscopi possono solo analizzare una bassa frequenza e la velocità è lenta.

FFT eseguita su uno oscilloscopio dotato della relativa funzione.

Gli analizzatori di spettro RF “in tempo reale”

Gli apparecchi analizzatori di spettro veri e propri non hanno tali limitazioni, e forniscono anche funzioni come cascata, spettrogramma e altre caratteristiche che consentono all’utente di osservare il segnale nel tempo. Tuttavia, questa non è la stessa cosa che visualizza l’oscilloscopio. Le informazioni sul tempo visualizzate dalla cascata o dallo spettrogramma sono più utilizzate per l’analisi delle interferenze, etc. e per osservare i “burst” del segnale ed i cambiamenti nella banda di frequenza testata.

Dopo la scoperta della Trasformata di Fourier Veloce (FFT) nel 1965, i primi analizzatori basati sulla FFT furono introdotti nel 1967. Un analizzatore FFT calcola una sequenza temporale di periodogrammi. La sigla FFT si riferisce al particolare algoritmo matematico utilizzato nel processo. Questo è comunemente usato in combinazione con un ricevitore e un convertitore analogico-digitale. Lo scopo del ricevitore è di ridurre la frequenza di campionamento con cui l’analizzatore deve confrontarsi.

Uno dei primi analizzatori di spettro a usare la FFT, usato per l’analisi audio.

Un analizzatore di spettro in tempo reale non ha alcun tempo cieco, fino a un intervallo massimo, spesso chiamato “larghezza di banda in tempo reale”. L’analizzatore è in grado di campionare lo spettro RF in entrata nel dominio del tempo e di convertire le informazioni nel dominio della frequenza utilizzando il processo FFT. Gli FFT vengono elaborati in parallelo, e sovrapposti, quindi non vi sono lacune nello spettro RF calcolato e di conseguenza nessuna informazione viene persa.

Il segnale di un router, visto con un analizzatore di spettro, mostra una distribuzione su un ampio intervallo di frequenze, poiché il Wi-Fi è una tecnologia di trasmissione basata sulla modulazione “Frequency Hopping Spread Spectrum” (FHSS), inventata dalla nota attrice Hedy Lamarr per proteggere da eventuali spie l’ubicazione della trasmittente. Infatti, dato che l’energia trasmessa con tale tecnica si sviluppa su una banda larga, la quantità di energia per frequenza specifica risulta essere molto bassa.

Il segnale Wi-Fi visto da un analizzatore di spettro. (© F. Marinelli)

Gli analizzatori di spettro “swept tuned”, a differenza di quelli in tempo reale, non possono valutare tutte le frequenze dello spettro simultaneamente, in quanto usano un unico filtro stretto. Inoltre misurano solo la grandezza, non la fase. Gli analizzatori “swept tuned” esistono di due tipi: a filtro sintonizzato e supereterodina. I primi sono simili a un ricevitore radio e mostrano il valore RMS di un’onda seno a una certa frequenza, mentre i secondi hanno un ampio intervallo di frequenza.

Gli analizzatori di spettro in tempo reale sono in grado di produrre molte più informazioni affinché gli utenti possano esaminare lo spettro delle frequenze in modo più dettagliato. Un normale analizzatore di spettro “swept” produrrebbe ad esempio visualizzazioni di picco massimo e minimo, ma un analizzatore di spettro in tempo reale è in grado di tracciare tutti gli FFT calcolati in un determinato periodo di tempo con la codifica a colori aggiunta che rappresenta la frequenza con cui appare un segnale.

Gli analizzatori di spettro in tempo reale sono anche in grado di vedere i segnali nascosti dietro altri segnali, come ad es. i jammer citati all’inizio dell’articolo. Ciò è possibile perché nessuna informazione viene persa e la visualizzazione per l’utente è l’output dei calcoli della FFT. A volte trovare un segnale nascosto può essere molto impegnativo, specialmente nei casi in cui il segnale viene deliberatamente nascosto in un modo che rende difficile il rilevamento.

Un moderno analizzatore di spettro in tempo reale del 2019.

Gli analizzatori di spettro ad alte prestazioni aiutano gli utenti a rilevare e localizzare segnali nascosti. Il loro basso rumore di fase e l’ampia gamma dinamica sono particolarmente importanti quando si cercano segnali nascosti tradizionali, noti anche come “cimici”. Un modo comune per nascondere una cimice tradizionale è posizionarla vicino a una forte portante, come un segnale AM ​​di trasmissione (c’è una gamma ristretta di frequenze appena sopra e sotto la portante che non ha modulazione).

Una funzione chiave di un moderno analizzatore di spettro, nota come “frequenza intermedia digitale” (IF), consente una selettività, una precisione e una velocità molto maggiori rispetto ai precedenti metodi IF analogici. La tecnologia IF digitale, che utilizza ADC, filtro analogico / digitale e FFT, migliora notevolmente la capacità di un analizzatore di spettro. Inoltre, un filtro di larghezza di banda video (VBW) può essere sfruttato per attenuare l’ampiezza dei segnali.

Schema a blocchi semplificato di un analizzatore di spettro.

Come usare un analizzatore di spettro RF

Fondamentalmente, si possono distinguere due diversi tipi di metodi disponibili per le misurazioni dei campi elettromagnetici ad alta frequenza. Uno è l’uso di sensori di campo isotropici portatili, che consentono una misurazione semplice e non selettiva dell’intensità del campo elettrico. L’altro è la misurazione selettiva in frequenza grazie alla combinazione di un’antenna direttiva con un analizzatore di spettro o ricevitore di test. Il principale svantaggio dei misuratori a banda larga di facile utilizzo è la non selettività di questo metodo, che non permette di valutare la singola sorgente.

Analizzatore di spettro con antenna direttiva e interfacciato a un PC.

Gli analizzatori di spettro sono essenzialmente dei ricevitori sintonizzabili a banda larga la cui larghezza di banda di ricezione può essere impostata su un’ampia gamma di frequenze. Sono usati per misurare la potenza al terminale dell’antenna – collegata allo strumento con un cavo coassiale – alla frequenza selezionata. Possono venire usati con vari tipi di antenne: a dipolo con un guadagno di circa 2,15 dBi; antenne con bassa direttività (come ad es. le antenne biconiche); antenne ad alta direttività.

Ad esempio, se utilizzato in combinazione con un’antenna selettiva a banda stretta, l’analizzatore di spettro diventa concettualmente simile a un cosiddetto “misuratore di intensità di campo”. Tuttavia, anche gli analizzatori di spettro possono essere collegati ad antenne relativamente corte e non direttive per produrre una risposta ampia su un determinato intervallo di frequenza. In questo caso, l’analizzatore mostrerà lo spettro dei segnali ambientali e quindi permetterà di accertare le frequenze coinvolte e il loro contributo relativo alla densità di potenza complessiva misurata con lo strumento a banda larga.

Esempio di analisi spettrale ottenibile con un analizzatore di spettro, che permette di identificare le singole sorgenti. (© F. Marinelli)

Se la direzione della radiazione incidente è nota, la misurazione può essere effettuata orientando l’antenna direttiva verso la sorgente e acquisendo lo spettro. Questa operazione deve ripetersi per due posizioni ortogonali nell’orientazione dell’antenna, corrispondenti a due diverse polarizzazioni. Il campo globale risultante sarà ottenuto da una somma dei due spettri acquisiti. Se ci sono molte direzioni da cui proviene radiazione incidente a causa della presenza di molte fonti collocate in posizioni diverse, è necessario effettuare più misure orientando l’antenna direttiva verso le diverse fonti, magari dopo una survey preliminare con un’antenna non direttiva.

Un analizzatore di spettro portatile di livello professionale e un’antenna ad anello, ad esempio, consentono di misurare facilmente l’intensità del campo elettrico in un ampio intervallo di frequenze, che va da 50 kHz a 30 MHz con l’apparecchio mostrato in figura. L’intensità del campo elettrico è calcolata dalla seguente equazione: Er = Pr + Af + costante, dove Er è l’intensità del campo elettrico (in dBuV/m), Pr è la potenza di ricezione (in dBm), e Af è il cosiddetto “fattore di antenna” (in dB/m). Donde l’importanza di scegliere una antenna appropriata per l’uso che si vuole fare dell’analizzatore.

L’analizzatore di spettro citato nel testo.

Nella figura seguente, i picchi che si vedono andando da sinistra verso destra – cioè da frequenza più basse a frequenze più alte –rappresentano, rispettivamente, la modulazione di frequenza radio delle emittenti radiofoniche, le emittenti televisive, le stazioni radio base della telefonia mobile delle varie compagnie, ponti radio di passaggio di tutte le compagnie, l’UMTS (usato dagli smartphone) e il Wi-Fi. Questi mostrati nella parte superiore sono i valori misurati in un’abitazione di Ciampino. La parte inferiore mostra invece i valori più “normali” e vicini al fondo naturale misurati in un’altra abitazione, ma sita ad Orvinio, una zona di campagna che risulta essere pressoché libera da elettrosmog.

In alto, analisi spettrale compiuta in una casa con forte elettrosmog, in basso in un’altra casa che non è interessata affatto da questo problema. (© F. Marinelli)

Un analizzatore di spettro economico per iniziare

Le tecnologie oggi disponibili in questo campo vanno dagli analizzatori RF a sito fisso con antenne omnidirezionali per il monitoraggio dello spettro a strumenti portatili con antenne direzionali per la ricerca della direzione. La maggior parte dei prodotti in commercio possono funzionare come un sensore autonomo. Tuttavia, alcuni prodotti – in particolare i sensori a sito fisso – possono essere collegati in rete per una maggiore copertura del monitoraggio e/o per facilitare la triangolazione.

Mentre alcune delle tecnologie includono un display integrato, molte usano un laptop o tablet esterno, che fornisce un analizzatore di spettro o una visualizzazione della mappa per individuare eventuali interferenze e le fonti rilevate di interferenze RF. Questi analizzatori di spettro sono, in generale, più economici rispetto agli apparecchi analizzatori di spettro dotati di un proprio schermo. Tuttavia, un po’ tutti gli analizzatori di spettro sono molto costosi, come dimostrerà rapidamente una ricerca su Internet.

Un analizzatore di spettro “RF Explorer” che costa “solo” fra i 200 ed i 400 euro, a seconda dell’intervallo di frequenza che ci interessa (ne esistono più versioni). Le puoi trovare facilmente online, ad esempio qui.

Sebbene tutti gli analizzatori di spettro RF effettuino l’analisi spettrale, solo alcuni effettuano la ricerca della direzione. La larghezza della banda che sono in grado di rilevare, la loro sensibilità e la larghezza di banda di scansione sono alcuni degli altri fattori che incidono sul prezzo, oltre alla presenza di schermo proprio. Un buon analizzatore RF a livello semi-professionale piuttosto economico è mostrato in figura qui sopra, ed è disponibile in più versioni che coprono diversi intervalli di frequenza.

Se non avete esigenze particolari, però, la soluzione ancora più economica che consiglio a un dilettante è l’acquisto di un analizzatore di spettro USB LTDZ 35-4400M mostrato in figura, che si trova in vendita a meno di 100 euro online, ad esempio qui. La larghezza di banda di scansione va da 35 MHz a 4400 MHz (cioè 4,4 GHz) perciò copre tranquillamente lo spettro RF e la regione delle micronde (telefonia mobile, Wi-Fi, etc.). Il software di gestione tramite computer, che gira su sistemi Windows, è il NWT4.

L’analizzatore di spettro USB LTDZ 35-4400M, che potete trovare qui.

La funzione principale di questo apparecchio è una scansione di frequenza dello spettro RF per generare uno spettro in frequenza tramite il generatore di tracciamento. Per utilizzare il generatore di tracciamento, l’utente deve premere una volta il pulsante sulla scheda per attivare il tracciatore prima delle misurazioni (una pressione è sufficiente, dopo l’accensione rimane attiva per molte misurazioni. Lo strumento può essere usato anche per misurare la risposta in frequenza dei circuiti RF.

Uno screenshot del software di gestione e (qui sotto) uno spettro in frequenza ottenuto con questo strumento, e che illustra piuttosto bene il buon rapporto qualità/prezzo.