Come Funzionano Gli Analizzatori Di Spettro: FFT e Leakage Spettrale (SpectraPlus)

Tramite un analizzatore di spettro è possibile svolgere l'analisi dello spettro dei segnali posti al suo ingresso. Si tratta di strumenti a banda stretta, quindi soggetti a poco noise e con una sensibilità elevata. Tramite questi software è possibile eseguire l’analisi digitale dei segnali che, acquisendo detti segnali con una scheda audio inserita nel computer, consentono di calcolare lo spettro.
Cioè in tempo reale è possibile osservare la scomposizione in frequenza di un segnale, nella pozione di spettro compresa tra il limite inferiore della scheda audio e 22 kHz. Tra i software migliori, anche se datati (almeno per quanto riguarda le prime versioni), troviamo SpectraPLUS, SpectraPRO e SpectraRTA. Più precisamente SpectraPLUS e SpectraPRO consentono di trasformare il PC in un analizzatore di spettro FFT con possibilità di sintesi dei terzi di ottava; SpectraRTA trasforma invece il computer in un analizzatore in tempo reale a banda % costante in ottava e frazioni di ottava.
L'audio è presentato mediante: forma d’onda, spettro FFT, waterfall, sonogramma.

L’FFT consente il passaggio fra un segnale nel tempo (“forma d’onda”) e la sua rappresentazione in frequenza (“spettro”), con risoluzione a bande costanti da 0 Hz (DC) alla frequenza di Nyquist.

Il numero di punti processati deve essere sempre una potenza di 2, ad esempio 2048, 4096, 8192, etc.

L’FFT produce uno spettro complesso, ciascuna frequenza è formata da un valore costituito da una parte reale o immaginaria (Pr, Pi), o, in modo equivalente, da modulo e fase. In molti casi la fase è considerata priva di importanza, e si visualizza solo lo spettro del modulo quadrato del segnale.

Il cosiddetto Autospettro del segnale si ottiene invece moltiplicando, a ciascuna frequenza il valore complesso P(f) per il suo complesso coniugato P’(f). In altri casi invece è importante anche l’informazione ottenuta dalla fase. Una delle premesse dell’analisi di Fourier è che il segnale analizzato deve essere un periodo esatto di una forma d’onda periodica. Il mancato raccordo fra ultimo campione del blocco analizzato e primo campione del blocco idealmente successivo (identico a quello analizzato, visto che il segnale è assunto periodico), si traduce in uno spettro contaminato da rumore a larga banda ("Leakage" o "Effetto di Bordo").

Per analizzare una arbitraria forma d’onda non avente periodo coincidente con il numero di campioni N, o un segnale assolutamente aperiodico, occorre dunque “finestrare” il segnale contenuto nel blocco, portandolo gradatamente a zero agli estremi (perchè il segnale non inizia e finisce con la stessa fase) ed enfatizzando il segnale centralmente. Si usano a questo scopo varie “window” (“Hanning”, “Hamming”, “Blackmann”, etc) Ottenuta una sequenza di spettri FFT nel tempo, si possono fare medie esponenziali (Fast, Slow) o lineari (Leq). Oppure si può visualizzare l’evolvere dello spettro nel tempo secondo le modalità grafiche dette waterfall e spettrogramma. Inoltre, con SpectraPLUS e SpectraPRO è possibile  utilizzare l'hard disc del computer come un registratore digitale (2 canali, 44100 Hz  di campionamento), per ascoltare, analizzare ed eventualmente eseguire operazioni di filtraggio dei files audio memorizzati. Il filtraggio può essere eseguito secondo i classici criteri di passa-basso, passa-alto, passa-banda enotch filter (ovviamente è possibile eliminare una banda di frequenze dal segnale audio e riascoltare quindi il risultato della operazione eseguita). Tutti e tre i programmi riconoscono automaticamente la scheda audio installata nel sistema Windows: non necessitano quindi di driver particolari. Dal momento che il software utilizza per l’acquisizione la scheda audio del PC, è dalle caratteristiche di quest’ultima che dipende in larga parte la  bontà di quanto successivamente elaborato.

Una scheda audio ideale, dovrebbe avere una risposta in frequenza, piatta da nel range 0-22 kHz, un'elevata linearità dinamica, un basso rumore ed una bassa diafonia.
E' bene inoltre ricordare che, a causa della assenza di filtri anti-aliasing, qualsiasi componente in frequenza che dovesse essere presente oltre la massima frequenza di analisi impostata nel software (Frequenza di Nyquist), verrebbe ribaltata nella zona di analisi generando appunto Aliasing (cioè "fantasmi" frequenze inesistenti o distorte). Nel dubbio conviene quindi impostare nel programma, la banda di analisi massima consentita (normalmente 22050 Hz). Per scaricare i programmi: SpectraPlus (Download)