LOS ANALIZADORES DE ESPECTROS. Ing. Rene Taquire Profesor Aux. TC.

Transcripción

1 LOS ANALIZADORES DE ESPECTROS Ing. Rene Taquire Proesor Aux. TC.

2 OBJETIVOS: En este tema vamos a abordar el estudio de los equipos que analizan la señal en el dominio de la recuencia, en concreto de los analizadores de espectro. Principio de uncionamiento, coniguración, aplicación y limitaciones de uso de los analizadores de espectro.

3 Conceptos Básicos de los Analizadores de Espectros Análisis espectral. Conceptos básicos. Analizadores superheterodinos. Controles básicos, resolución en recuencia y tiempo de barrido. Detectores, iltrado de vídeo y visualización. Especiicaciones y limitaciones de uso en amplitud. Exactitud en las medidas.

4 DIAGRAMA EN BLOQUES DEL ANALIZADOR DE ESPECTROS

5 ANÁLISIS ESPECTRAL Analizadores de Fourier. Analizador con banco de iltros. Analizadores de barrido.

6 Conceptos Básicos Transormación de una señal en el dominio del tiempo en su equivalente en el dominio recuencial. Amplitud Dominio Temporal Dominio Frecuencial Ing. Raúl Hinojosa Sánchez

7 APLICACIONES. Ensayos DISTORSIÓN ARMÓNICA INTERMODULACIÓN OCUPACIÓN ESPECTRAL EMC

8 Serie de Fourier

9 A una señal periódica puede asignársele una recuencia igual a la cantidad de ciclos por segundo.

10 La señal periódica más simple es la onda senoidal.

11 x(t) = X sen t = 2

12 x x(t) = X sen t T 2T t

13 x x(t) = X sen t T 2T t

14 x x(t) = X sen t T 2T t

15 Muchas señales habituales están ormadas por ondas senoidales de varias recuencias a la vez. Esto es consecuencia del Teorema de Fourier.

16 Teorema de Fourier Cualquier unción periódica de recuencia puede considerarse como la superposición de una serie de ondas senoidales de recuencias, 2, 3, 4, etc.

17 Teorema de Fourier Frecuencia Fase n = 1 x(t) = X n sen(2nt + n ) Armónicos

18 Teorema de Fourier Los valores X n se llaman coeicientes de Fourier, y se calculan de la siguiente manera...

19 Teorema de Fourier X n = A n2 + B n 2 2 A n = x(t) cos nt dt T T 0 2 B n = x(t) sen nt dt T T 0

20 x t x t

21 ANALIZADORES DE FOURIER Los analizadores de Fourier determinan matemáticamente el espectro de la señal VENTAJAS: Bajo coste. Medida de amplitud y ase INCONVENIENTES: No tiempo real. No ruido. Aliasing. < 200kHz

22 ANALIZADOR CON BANCO DE FILTROS La señal se distribuye por igual entre los distintos iltros y mediante la observación de sus salidas, puede determinarse la recuencia y amplitud de las componentes que orman parte de la señal. A Banco de iltros de medida simultánea Visualización del espectro completo 1 2 VENTAJAS: Medida del espectro completo en tiempo real INCONVENIENTES: Alto coste. Eecto de carga. Resolución limitada por el número de iltros

23 ANALIZADORES DE BARRIDO Puede utilizarse un iltro cuya recuencia central se conmute o sintonice. Durante el barrido de la recuencia central del iltro, únicamente se obtendrá señal a la salida cuando las componentes recuenciales de la señal de entrada estén dentro del ancho de banda del iltro. A El iltro barre el rango de recuencias del analizador 1 2 Visualización del espectro completo VENTAJAS: Medida del espectro completo tras el barrido INCONVENIENTES: Filtro sintonizable complejo e imperecto

24 ANALIZADORES SUPERHETERODINOS. Principio de uncionamiento. Ecuación de sintonización. Diagrama de bloques.

25 ANALIZADOR SUPERHETERODINO PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Podemos barrer la señal de entrada en vez del iltro A El iltro de recuencia ija Visualización del espectro completo 1 2 VENTAJAS: Medida del espectro completo tras el barrido. Filtro sintonizable ijo más sencillo y perecto INCONVENIENTES: Análisis no simultaneo del espectro (barrido)

26 ANALIZADOR SUPERHETERODINO PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. MEZCLADOR. El barrido se produce al aumentar la recuencia de un oscilador local controlado por tensión, mezclándola con la señal de entrada. El mezclador que realiza esta última unción es un dispositivo no lineal, cuya salida incluye una combinación lineal de las recuencias de la señal y del oscilador local. El mezclador multiplica las señales de entrada: v sig sig k v sig vlo sig ± LO LO v LO

27 ANALIZADOR SUPERHETERODINO ECUACIÓN DE SINTONIZACIÓN La señal de entrada puede ser compleja Supongamos que analizamos uno solo de sus armónicos Salida del oscilador local Salida del mezclador kv k v sig V Teniendo en cuenta que 2 sig LO v LO kv cos( sig k V 2 ' sig sig V V LO LO LO v v v sig sig LO cos ) t y que V V V cos sig IF 0 sig LO cos( t cos cos t cos sig cos i V i sig t LO LO cosit t t LO ) t cos( ) IF sig LO IF sig LO IF LO sig ECUACIONES DE SINTONIZACIÓN

28 ANALIZADOR SUPERHETERODINO ECUACIÓN DE SINTONIZACIÓN IF sig LO IF sig LO ECUACIONES DE SINTONIZACIÓN IF LO sig sig sig + LO sig LO? LO LO sig Para elegir el término más aconsejable hay que tener en cuenta la aplicación del circuito superheterodino.

29 ANALIZADOR SUPERHETERODINO ECUACIÓN DE SINTONIZACIÓN: CRITERIO DE SELECCIÓN Se demuestra ( Spectrum and Network Measurements. R.A. Witte) IF sig LO IF sig LO IF LO sig NO ES ÚTIL STEP DOWN con pequeño rango de recuencias de entrada (sin barrido) Habitualmente USADO con gran rango de recuencias de entrada (con barrido) SEGUNDOS MEZCLADORES PRIMER MEZCLADOR

30 ANALIZADOR SUPERHETERODINO MEZCLADOR + FILTRO IF: PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

31 ANALIZADOR SUPERHETERODINO DIAGRAMA DE BLOQUES Atenuador de entrada Ampliicador IF mezclador Filtro IF Detector Señal de entrada Preselector o iltro pasabaja Oscilador local Log Amp Filtro de vídeo Oscilador de reerencia Generador de barrido Display

32 ANALIZADOR SUPERHETERODINO DIAGRAMA DE BLOQUES MEZCLADOR DE VARAS ETAPAS PRIMER MEZCLADOR IF LO sig SEGUNDOS MEZCLADORES IF sig LO

33 CONTROLES BÁSICOS DE UN ANALIZADOR DE ESPECTROS RESOLUCIÓN Y TIEMPO DE BARRIDO. Controles básicos de un analizador. Resolución en recuencia. Tiempo de barrido. Estabilidad y resolución.

34 CONTROLES BÁSICOS DE UN ANALIZADOR VISUALIZACIÓN OSCILADOR LOCAL NIVEL REFERENCIA SEÑAL DE ENTRADA

35 CONTROLES BÁSICOS DE UN ANALIZADOR Nivel de Reerencia Frecuencia central _ SPAN + _ FREQ + _ REF + Señal de entrada Escala horizontal (recuencia) en Hz Escala vertical (amplitud en db)

36 CONTROLES BÁSICOS DE UN ANALIZADOR CONFIGURACIÓN DE LA REPRESENTACIÓN EN LE EJE X (FRECUENCIA): FRECUENCIA SPAN LO Generador de barrido recuencia DISPLAY

37 CONTROLES BÁSICOS DE UN ANALIZADOR CONTROL DE SPAN Permite la coniguración del eje HORIZONTAL determinado el valor de recuencia que abarca la pantalla completa (o una división) 20MHz _ SPAN + _ FREQ + _ REF + Rampa de control del LO SPAN INICIAL

38 CONTROLES BÁSICOS DE UN ANALIZADOR CONTROL DE SPAN 10MHz _ SPAN + _ FREQ + _ REF + Rampa de control del LO SPAN INICIAL

39 CONTROLES BÁSICOS DE UN ANALIZADOR CONTROL DE SPAN 5MHz SPAN + _ FREQ + _ REF + Rampa de control del LO SPAN INICIAL

40 CONTROLES BÁSICOS DE UN ANALIZADOR CONTROL DE FRECUENCIA Permite la coniguración del eje HORIZONTAL determinado el valor de la recuencia central de la visualización 100MHz _ SPAN + _ FREQ + _ REF + Rampa de control del LO SPAN INICIAL

41 CONTROLES BÁSICOS DE UN ANALIZADOR CONTROL DE FRECUENCIA 110MHz _ SPAN + _ FREQ + _ REF + Rampa de control del LO SPAN INICIAL

42 CONTROLES BÁSICOS DE UN ANALIZADOR CONTROL DE FRECUENCIA 120MHz _ SPAN + _ FREQ + _ REF + Rampa de control del LO SPAN INICIAL

43 CONTROLES BÁSICOS DE UN ANALIZADOR CONTROL DE NIVEL DE REFERENCIA Permite la coniguración del eje VERTICAL determinado el valor de la recuencia central de la visualización 0dB SPAN FREQ + + _ REF + RF INPUT ATTENUATOR IF GAIN La ganancia y atenuación de ajustan adecuadamente de modo automático

44 CONTROLES BÁSICOS DE UN ANALIZADOR CONTROL DE NIVEL DE REFERENCIA -10dB SPAN FREQ + + _ REF + RF INPUT ATTENUATOR IF GAIN

45 CONTROLES BÁSICOS DE UN ANALIZADOR CONTROL DE NIVEL DE REFERENCIA -20dB SPAN FREQ + + _ REF + RF INPUT ATTENUATOR IF GAIN

46 RESOLUCIÓN EN FRECUENCIA RESOLUCIÓN EN FRECUENCIA DEL FILTRO IF (RBW) La RESOLUCIÓN en recuencia es la habilidad del analizador de discernir dos sinusoides de entrada en dos respuestas separadas. FILTRO IF 3 db BW 3 db Entrada Resolution Bandwidth Filter (RBW) RBW Display

47 RESOLUCIÓN EN FRECUENCIA SELECTIVIDAD O FACTOR DE FORMA DE FILTRO IF Capacidad de resolución de sinusoides de distinta amplitud Cuanto menor sea este cociente más selectivo es el iltro y, por tanto, podrá resolver señales de distinta amplitud más ácilmente. Con iltros analógicos se puede conseguir una selectividad que varía desde 25:1 en iltros estándar hasta 11:1 en los iltros de peril más estrecho.

48 RESOLUCIÓN EN FRECUENCIA RESOLUCIÓN Y SELECTIVIDAD DE FILTRO IF Mediante iltros analógicos se pueden conseguir anchos de banda que no suelen ser menores que algunos centenares de Hertzios. Para conseguir mejores resoluciones se debe recurrir a iltros digitales. Con estos iltros se pueden obtener anchos de banda de hasta 10Hz. Otro importante beneicio obtenido con el uso de estos iltros digitales es la mejora de la selectividad que puede alcanzar valores de 5:1 RES BW 100 Hz FILTRO ANALÓGICO FILTRO DIGITAL SPAN 3 khz

49 TIEMPO DE BARRIDO Hay que tener siempre en cuenta que el barrido debe realizarse de modo que los circuitos reactivos que componen el iltro se cargen y descargen completamente. Resultado de realizar medidas de la misma señal con dierentes velocidades de barrido.

50 TIEMPO DE BARRIDO RESOLUCIÓN Y TIEMPO DE BARRIDO Regla práctica: se puede utilizar la siguiente ecuación para calcular el tiempo de barrido necesario para no cometer errores. ST k SPAN 2 RBW ST es el tiempo necesario para barrer las 10 divisiones horizontales de la pantalla deinidas por el SPAN para un iltro de RBW determinado. La constante k depende del peril y tecnología del iltro y tiene valores comprendidos entre 2 y 3 para iltros analógicos y entre 10 y 15 para digitales.

51 TIEMPO DE BARRIDO RESOLUCIÓN Y TIEMPO DE BARRIDO ST k SPAN 2 RBW EJEMPLO 1 k = 2; SPAN = 100MHz; RBW = 10KHz ST = 2 s EJEMPLO 2 k = 2; SPAN = 100MHz; RBW = 5kHz ST = 8 s EJEMPLO 3 k = 2; SPAN = 100MHz; RBW = 1kHz ST = 200 s > 3 min

52 ESTABILIDAD Y RESOLUCIÓN La estabilidad de los osciladores locales del analizador aecta a la resolución del analizador puesto que tienen una FM residual de 1 khz o más, que se transiere a la señal IF. El ancho de banda de resolución mínimo que puede hallarse en un analizador está determinado, al menos en parte, por la estabilidad del oscilador local.

53 VISUALIZACIÓN VISUALIZACIÓN ANALÓGICA. Delexión vertical directa del haz del TRC a partir de la señal de vídeo. Ventaja: Visualización directa sin muestreo Desventaja: Mala visualización para grandes tiempos de barrido. VISUALIZACIÓN DIGITAL. Delexión vertical a partir del muestreo y memorización de la señal de vídeo. Ventaja: Visualización estable y persistente Desventaja: Muestreo. Problema: Cuál es el valor que debe mostrarse para cada celda de muestreo?

54 VISUALIZACIÓN MUESTREO: Asignación de un valor a cada celda

55 MUESTREO MODO SIMPLE VISUALIZACIÓN

56 MUESTREO MODO SIMPLE VISUALIZACIÓN

57 VISUALIZACIÓN MUESTREO MODO POST-PICO

58 VISUALIZACIÓN MUESTREO MODO POST-PICO

59 VISUALIZACIÓN MUESTREO MODO ROSENFELL O MAX/MIN

60 VISUALIZACIÓN MUESTREO MODO ROSENFELL O MAX/MIN