Spettro e banda di un segnale

(la videolezione)  Qual è la differenza più evidente tra un segnale radio FM e un segnale Wi-Fi? La risposta risiede in due concetti fondamentali dell'elettronica e delle telecomunicazioni: lo Spettro e la Banda del segnale. Comprendere questi termini è cruciale per chiunque voglia capire come viaggiano le informazioni nel mondo moderno.

Quando si parla di un segnale elettrico (che sia una voce all'uscita di un microfono, un'immagine video o un'onda radio), si pensa spesso alla sua variazione nel tempo. Tuttavia, l'analisi più profonda si fa nel dominio della frequenza. Lo Spettro del segnale è la rappresentazione che mostra come l'energia (o la potenza) del segnale è distribuita tra le diverse frequenze che lo compongono. Un esempio classico di spettro è un raggio di luce bianca che attraversando un prisma si scompone nei colori dell'arcobaleno (spettro della luce bianca). Il matematico francese Fourier ha dimostrato che qualsiasi segnale complesso può essere scomposto in una somma di semplici segnali sinusoidali, ognuno con la sua frequenza, ampiezza e fase.

In altri termini, lo spettro non è altro che un grafico che ti dice: "A questa specifica frequenza, quanto è forte l'energia del segnale?". I segnali ideali (come un'onda perfettamente sinusoidale) hanno uno spettro composto da un solo "picco"; i segnali reali e complessi (come la musica) hanno spettri larghi e articolati.

Dalla figura  in basso risulta evidente la differenza tra un segnale nel dominio del tempo e lo stesso segnale nel dominio della frequenza. 

Se lo Spettro mostra tutte le frequenze presenti, la Banda del segnale (o Larghezza di Banda, in inglese Bandwidth) ci dice quanto "spazio" in frequenza occupa effettivamente quel segnale. La banda è definita come la differenza tra la frequenza massima e la frequenza minima che contengono la maggior parte (solitamente il 90-99%) dell'energia (o potenza) del segnale:

B=fmax​−fmin​

In generale, maggiore è la larghezza di banda, maggiore è la quantità di informazione (dati) che il segnale può trasportare in un dato tempo. Per questo motivo, un video in alta definizione ha bisogno di molta più banda (decine di MHz) rispetto a una conversazione telefonica (pochi kHz).

Le autorità di regolamentazione assegnano precise bande di frequenza (come "canali") alle diverse applicazioni (radio FM, TV, 5G, ecc.) per evitare interferenze. Se un segnale una banda di 10 MHz, necessita di uno spazio libero di 10 MHz nello spettro radio per essere trasmesso correttamente.

Per l'analisi in frequenza si utilizza un'analizzatore di spettro.

Si tratta di uno strumento molto simile esteticamente all'oscilloscopio che permette di analizzare un segnale nel dominio delle frequenze. L'analisi nel dominio delle frequenze ha il vantaggio di permettere di visualizzare ogni singola componente del segnale piuttosto che la loro somma come avviene con l'oscilloscopio nel dominio del tempo.  Guardando l'immagine in basso è possibile comprendere meglio l'impiego dell'analizzatore di spettro.

L'analizzatore di spettro è uno strumento molto versatile largamente impiegato nel campo delle telecomunicazioni, che consente di effettuare automaticamente tutta una serie di misure necessarie per progettare e produrre apparecchiature secondo le specifiche di numerosi standard di trasmissione:

- misure di livello, bande passanti e frequenze di un segnale;

- analisi della purezza spettrale di una sorgente;

- misure di modulazione di ampiezza e frequenza;

- misure di modulazione di impulsi;

- misure su sistemi di comunicazione;

- misura delle oscillazioni parassite o della distorsione armonica.