PRÁCTICA 7 ANALIZADORES DE ESPECTROS HETERODINOS

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1 PRÁCTICA 7 ANALIZADORES DE ESPECTROS HETERODINOS Departamento de Ingeniería Electrónica Área de Tecnología Electrónica (E2-SO) 1 Introducción Un analizador de espectros heterodino es, esencialmente, un receptor de radio mediante el que se pueden sintonizar determinadas s apareciendo representadas en la pantalla del analizador. Se podrá entonces medir la potencia de estas señales y su. A esta representación en el dominio de la se le denomina espectro de la señal. Los analizadores de espectros son una herramienta muy versátil. Pueden caracterizar muchas magnitudes de las señales:, distorsión, potencia, ganancia y ruido. Los tipos básicos de medidas que se pueden realizar son: absoluta, relativa, amplitud absoluta y amplitud relativa. Para más información, se remite al alumno al tema de analizadores de señal perteneciente al temario de la asignatura y a los manuales disponibles de los equipos. En cualquier caso, en los anexos de la práctica se incluyen los procesos de operación más interesantes de los equipos de forma detallada. 2 Objetivos El objetivo de esta práctica es introducir al alumno en el manejo de los analizadores de espectros. Se trabajará con los analizadores de espectros heterodinos (analógicos), HM5010/11 o HM5510/11 de HAMEG. Con ellos se hará una serie de ejercicios de medida y de calibración. Se pretende medir amplitud y. Se pretende poner de manifiesto la relación entre la anchura de barrido (span) y la velocidad de barrido respecto a la precisión del aparato (teorema de Heisenberg), así como el fenómeno de traza de la envolvente del filtro IF que se observa en los analizadores cuando reciben señal de emisora. DIE 3 Material necesario Universidad de Sevilla Escuela Superior de Ingenieros te.us.es Generador de señal (uno por grupo). Osciloscopio (uno por grupo). Analizadores de espectros HM5010/11 o HM5510/11 de HAMEG. Cable coaxial BNC a BNC (uno por grupo). Sonda de osciloscopio (una por grupo). Carga BNC de 50ohmios (una por grupo). Conexión BNC en T (una por grupo). El enunciado de la práctica. 4 Realización de la práctica Actividad 1. Trabajo previo. Las cuestiones planteadas en este trabajo previo deben ser contestadas antes del comienzo de la práctica. 1. Repasar en los apuntes de teoría y problemas el funcionamiento del analizador de espectros heterodino. 2. Leer atentamente el enunciado de la práctica incluidos los anexos. 3. Repasar el procedimiento para poder medir amplitud y de una señal mediante un analizador de espectros heterodino. 4. A qué se debe el pico de la señal que se visualiza en la pantalla del equipo una vez ha sido encendido? 5. Qué significa UNCAL en el analizador de espectros HAMEG? Instrumentación Electrónica Página 1 de 10

2 6. Calcular el valor de tensión pico-pico de una señal de -10dBm sobre una resistencia de 50 Ohmios. Responder los puntos 4, 5 y 6 en el apartado Cuestiones Actividad 1. Actividad 2. Generación de una señal de amplitud conocida. 1. Usando el generador de señal, ajustarlo para conseguir una señal de -10dBm de nivel de potencia con una de 1MHz. 2. Medir el valor pico-pico de dicha señal mediante el osciloscopio, conectándolo directamente al generador a través del cable BNC/BNC con la conexión en T (BNC) dejando al aire la otra salida. Coincide el resultado con el valor calculado en la actividad 1, apartado 6? Si no coincide, indicar posibles causas. 3. Medir el valor pico-pico de dicha señal mediante el osciloscopio, conectando la carga de 50 Ω con el cable BNC/BNC mediante la T (BNC). Coincide el resultado con el valor calculado en la actividad 1, apartado 6? Si no coincide, indicar posibles causas. 4. Cambiar a la máxima del generador de señal y medir el valor pico-pico de dicha señal. Afecta en algo el cambio realizado?. Si es así, indicar posibles causas. Actividad 3. Calibración y medida con el analizador de espectros HM5010/11 de HAMEG. Realizar el proceso de calibración sólo de la medida de amplitud. Este proceso se hará introduciendo una señal conocida externa desde el generador de señal con un valor de -15dBm y 2MHz. La calibración consistirá exclusivamente en medir el resultado obtenido. 1. Indicar, si existen errores de medida, cuales pueden ser las posibles causas. A continuación hay que generar una señal modulada en amplitud. La portadora de la información será una onda senoidal de la máxima permitida por el generador de señal y una amplitud de 1V pico a pico; la moduladora será, asímismo, una senoide de la máxima que permita el modulador y se considerarán cuatro índices de modulación distintos: 25%, 50%, 75% y 100%. 2. Dibujar los espectros indicando, expresamente, las amplitudes y s de las distintas componentes (portadoras y s). Repetir el apartado anterior pero tomando ahora una señal cuadrada como moduladora. 3. Dibujar los espectros indicando, expresamente, las amplitudes y s de las distintas componentes (portadoras y s). Explique por qué aparecen los s a las s medidas y no otras. Repetir el apartado segundo (señal moduladora senoidal) pero realizando una modulación de en vez de amplitud. 4. Dibujar los espectros indicando, expresamente, las amplitudes y s de las distintas componentes discretas. Aparece ahora alguna señal portadora? Por qué? Actividad 4. Medida de amplitud y de señales de la banda de radio Para todos los grupos en la fase final de la práctica, independiente del analizador de que dispongan. 1. Colocar a la entrada del analizador una antena monopolo o un cable con pinzas de cocodrilo de forma que se parezca en lo posible a una antena monopolo sobre plano de masa. 2. Realizar medidas de amplitudes (dbm) y s de las distintas bandas del espectro de radios y anotar en una tabla las medidas. Trasladar las medidas a unidades de dbuv. Para obtener más información sobre las bandas de radio, consultar el anexo 2. Instrumentación Electrónica Página 2 de 10

3 ANEXO 1. Manejo del analizador de espectros HAMEG HM5010/11, HM5510/11 Al igual que el apartado anterior, en este apartado se da una breve descripción de qué es y cómo se maneja el analizador de espectro HAMEG. Para aprender a manejar el instrumento, se remite al alumno al manual del mismo. PRECAUCIÓN MUY IMPORTANTE: Antes de conectar una señal al analizador de espectro, hay que asegurarse que la potencia total de la señal introducida sin atenuación es menor de +10 dbm. Si existe cualquier duda, comprobar dicho nivel con un watímetro o un voltímetro de RF de banda ancha. Antes de conectar nada, poner los atenuadores al máximo. A1.1 Medida de La escala de se puede barrer de tres modos diferentes: completo, por división y cero scan. El modo de barrido completo se utiliza para localizar señales (los rangos de más anchos se muestran en este modo). El modo barrido por división se usa para hacer un zoom de una señal determinada. En este modo, la central del display se establece mediante el control TUNING y el control del factor de escala (SCANWIDTH). El modo barrido cero scan hace que el analizador de espectro actúe como un receptor de tonos, con ancho de banda seleccionable. A1.2 Medida de amplitud La medida de amplitud se realizará teniendo en cuenta que el valor de referencia o línea base que se encuentra situada en la parte superior de la pantalla presenta los valores absolutos mostrados en la siguiente tabla. A partir de estos valores y teniendo en cuenta que cada división representa 10dB, se puede determinar de forma relativa las distintas amplitudes. En los modelos HM5510/11 el nivel de referencia se puede ajustar. Mediante la pulsación sobre la tecla REF-LEVEL se activa el LED REF- LEVEL. El nivel de referencia se puede modificar mediante la rueda TUNING o mediante las teclas. Si la banda de ruido se encuentra en el borde inferior de la reticula, no se puede aumentar el REF- LEVEL, si no que sólo se puede reducir. A1.3 Calibración vertical Antes de proceder a la calibración del dispositivo, es preciso asegurarse de que todos los atenuadores se encuentren relajados. Además, estos analizadores de espectro deben estar encendidos, al menos, 60 minutos antes de realizar la calibración. El proceso de calibración es como sigue: 1. Cambiar Video Filter (VBW) a la posición OFF, establecer el ancho de banda a 400KHz/500kHz y el scanwidth (SPAN) a 2MHz/div. 2. Conectar una señal RF de 27dBm 0.2dB (10mV) a la entrada del analizador de espectro. La de esta señal debería estar entre 2MHz y 250MHz. Poner la central a la de la señal. A. Una única espectral (de -27dBm) debe aparecer en la pantalla. Ajustar esta línea espectral al máximo con el botón Y-Pos es decir, colocarla en el borde superior de la pantalla. Todos los atenuadores deben estar aflojados. B. Después, generar dos señales comprendidas entre 27dBm y 77dBm (ajustarlas con el botón Y-Ampl) de forma que el pico de la línea espectral cambie a 5 divisiones en la dirección vertical. Las calibraciones A y B deben repetirse hasta que se consiga el ajuste ideal. Instrumentación Electrónica Página 3 de 10

4 Nota, como el ajuste Y-Ampl no se encuentra accesible por el usuario, se harán simplemente comprobaciones de calibración. Es decir, se estimarán los errores del equipo introduciendo las señales de los apartados anteriores para caracterizar los errores. A1.4 Calibración horizontal Antes de proceder a la calibración del dispositivo, es preciso asegurarse de que todos los atenuadores se encuentren relajados. Además, estos analizadores de espectro deben estar encendidos, al menos, 60 minutos antes de realizar la calibración. El proceso de calibración es como sigue: 1. El botón de Video Filter (VBW) debe estar en la posición OFF. El ancho de banda (RBW) debe establecerse a 400KHz/500kHz y el scanwidth (SPAN) a 100MHz/div. La central se fija a 500MHz y se conecta, a la entrada del analizador de especto, un generador de señal. El nivel de salida debería estar entre 40 y 50dB por encima del ruido. 2. Ajustar la del generador a 500MHz y el pico de la línea del espectro de 500MHz al centro de la pantalla del analizador de espectro usando el mando X-Pos. 3. Ajustar la del generador a 100MHz. Si la línea del espectro de 100MHz no se encuentra sobre la segunda línea de la izquierda de la pantalla, debería alinearse usando X-Ampl. Los pasos 2 y 3 deben repetirse hasta que se obtenga un ajuste óptimo. Nota, si no se dispone de un generador de hasta 500MHz, la calibración se hará por comprobación usando una señal de 10MHz y visualizando si la medida es correcta. ANEXO 2. Detalle del uso de algunas bandas de radio -Radio AM (Onda Media): Situada en la banda de media (MF), de 300 a 3000 KHz, ondas hectométricas con longitud de onda de 1000 a 100 m. Se modula en amplitud y se pueden encontrar emisoras desde los 525 hasta los 1065 KHz. Con pocas estaciones se consigue gran alcance y por tanto cobertura. Es muy sensible a distintos tipos de interferencia. Penetra bien en el interior de los edificios y sigue bien la orografía del terreno, más allá de la visión directa de la emisora, porque su propagación es fundamentalmente de superficie. Por la noche, debido a la ausencia de radiación solar, deja de ser absorbida por la ionosfera y rebota a la superficie. Por esta razón por la noche se reciben emisiones de otros países, aunque con calidad reducida. Se suele emitir con una potencia de 100 Kw. Cada emisora modula en amplitud sobre una portadora que se separa de la siguiente (9 KHz es la diferencia más pequeña entre dos emisoras del dial). Esto conduce a un total de 120 canales que podrían ser usados por 120 emisoras distintas en una zona. Como las zonas de cobertura son muy grandes, se producen solapes que hacen recomendable no asignar la misma a dos emisoras en zonas contiguas. -Radio FM (Frecuencia Modulada): Está situada en la banda VHF ( muy alta, de 30 a 300 MHz, ondas métricas con longitud de onda 10 m a 1 m), se modula en, la conocida como FM. Se encuentran emisoras desde los 87.5 hasta los 108 MHz. Las emisoras de TV en VHF están situadas muy cerca de las emisiones de radio comercial y también modulan el sonido en FM; por esta razón a veces es posible captar el sonido de TV por un aparato de radio. Al usarse una mayor que la onda media, la propagación es troposférica (y no superficial). Esto quiere decir que se necesita tener visión directa de la estación emisora, por lo que las emisoras de VHF-FM se deben situar en lugares elevados. Se consigue un alcance menor y por ello se necesitan más estaciones para cubrir el territorio, con lo que las licencias de VHF-FM son de índole local. Esta señal es menos sensible a interferencias que la AM y penetra peor en edificios, túneles y sótanos. Puede emitirse sonido monofónico o estereofónico, en cuyo caso se exige el doble de potencia para el mismo nivel de calidad. Se suele emitir con una potencia del orden de 1 a 5 Kw. Cada emisora modula en sobre una portadora que se separa de la siguiente (0,3 MHz es la diferencia más pequeña entre dos emisoras del dial). Esto produce un total de 68 canales que pueden ser empleados simultáneamente por 68 emisoras diferentes en la misma zona. Como las zonas de cobertura son regionales, los solapes hacen recomendable no asignar la misma a dos emisoras en zonas contiguas. -Radio de Onda Corta : Está situada en la banda de HF ( alta, de 3 a 30 MHz, ondas decamétricas con longitud de onda de 100 a 10 m). Se modula en amplitud, AM y se pueden encontrar emisoras desde los 5950 KHz hasta los KHz. La propagación se produce por rebote en la ionosfera. Con este sistema se cubren regiones muy alejadas de la estación emisora. Es ideal para servicios destinados a personas que viven en otros países pero que quieren recibir información generada Instrumentación Electrónica Página 4 de 10

5 en otro continente. Por el contrario, en general no puede ser utilizado en el propio país. Debido a los cambios en la ionosfera entre el día y la noche y a lo largo del año, una misma emisora debe emitir en distintas s según las circunstancias. Las emisoras suelen emitir con antenas direccionales, con determinado ángulo de rebote en la ionosfera, para conseguir cubrir la región objetivo, que puede ser todo un continente. Estas emisoras necesitan una considerable superficie de terreno, al tener que disponer de grandes campos de antenas para poder difundir simultáneamente programas a distintos destinos en distintas s. Conviene que estén en zonas despejadas, si es posible cerca de la costa, para evitar la interferencia de obstáculos, especialmente si es necesario radiar con ángulos muy pequeños para conseguir grandes alcances. Se suelen emitir grandes potencias del orden de cientos de kilowatios. -Televisión Analógica: Está situada en la banda de VHF ( muy alta, de 30 a 300 MHz, ondas métricas con longitud de onda 10 m a 1 m ) y UHF ( ultra alta, de 300 a 3000 MHz, ondas decimétricas, con longitud de onda 100 cm a 10 cm). El vídeo se modula en AM y el audio se modula en FM; por tanto se envían por separado el vídeo y el audio. Cada emisora de TV ocupa un ancho de banda de 8 MHz. Internacionalmente se distinguen regiones en términos de asignación de bandas de. España pertenece a la Región I y en ella se distinguen las siguientes bandas: Banda I: 41 a 68 MHz (VHF) Banda II: 174 a 223 MHz (VHF) Banda III: 470 a 582 MHz (UHF) Banda IV: 582 a 960 MHz (UHF) Las ondas métricas y decimétricas tienen propagación troposférica, por lo que es recomendable tener visión directa entre el emisor y el receptor, siendo necesario situar las emisoras en puntos elevados. Tienden a reflejarse mucho en obstáculos, por lo que a veces se recibe la misma señal por diferentes caminos, produciendo interferencias que degradan la señal, especialmente la de vídeo. Esta es la razón de que convenga orientar la antena receptora en la dirección de la señal de mayor intensidad. La alta empleada provoca que la señal no penetre bien en interiores, por lo que en muchas situaciones conviene utilizar una antena exterior. Las estaciones emisoras radian con gran potencia, de 50 a 100 Kw. Para lograr cubrir zonas de sombra se utilizan retransmisores de menor potencia situados en lugares con visión directa desde la zona de mala cobertura. Instrumentación Electrónica Página 5 de 10

6 5 Cuestionario. Datos de los alumnos. PUESTO NOMBRE Cuestiones actividad 1 4. A qué se debe el pico de la señal que se visualiza en la pantalla del equipo una vez ha sido encendido? 5. Qué significa UNCAL en el analizador de espectros HAMEG? 6. Calcular el valor de tensión pico-pico de una señal de -10dBm sobre una resistencia de 50 Ohmios. Instrumentación Electrónica Página 6 de 10

7 Datos de los alumnos. PUESTO NOMBRE Cuestiones actividad 2 1. Usando el generador de señal, ajustarlo para conseguir una señal senoidal de -10dBm de nivel de potencia con una de 1MHz. Medir el valor pico-pico de dicha señal mediante el osciloscopio, conectándolo directamente al generador a través del cable BNC/BNC con la conexión en T (BNC) dejando al aire la otra salida. Coincide el resultado con el valor calculado en la actividad 1, apartado 6? Si no coincide, indicar posibles causas. 2. Medir el valor pico-pico de dicha señal mediante el osciloscopio, conectando la carga de 50 Ω con el cable BNC/BNC mediante la T (BNC). Coincide el resultado con el valor calculado en la actividad 1, apartado 6? Si no coincide, indicar posibles causas. 3. Cambiar a la máxima del generador de señal y medir el valor pico-pico de dicha señal. Afecta en algo el cambio realizado?. Si es así, indicar posibles causas. Instrumentación Electrónica Página 7 de 10

8 Cuestiones actividad Indicar, si existen errores de medida, cuales pueden ser las posibles causas. 2. Resultados obtenidos para la modulación de amplitud con señal moduladora senoidal. Representación de los espectros: Resultados numéricos (las amplitudes se deben expresar en voltios): del primer del segundo del tercer del cuarto del quinto del sexto del séptimo del octavo Indice 25% Indice 50% Indice 75% Indice 100% 3. Resultados obtenidos para la modulación de amplitud con señal moduladora cuadrada. Representación de los espectros: Instrumentación Electrónica Página 8 de 10

9 Resultados numéricos (las amplitudes se deben expresar en voltios): Práctica 7. Analizadores de espectros heterodinos. del primer del segundo del tercer del cuarto del quinto del sexto del séptimo del octavo Indice 25% Indice 50% Indice 75% Indice 100% 4. Resultados obtenidos para la modulación de con señal moduladora senoidal. Representación de los espectros: Resultados numéricos (las amplitudes se deben expresar en voltios): del primer del segundo del tercer del cuarto del quinto del sexto del séptimo del octavo Indice 25% Indice 50% Indice 75% Indice 100% Cuestiones actividad Realizar medidas de amplitudes (dbm) y s de distintas bandas del espectro de radios y anotar en una tabla las medidas. Trasladar las medidas a dbuv. Para obtener más información sobre las bandas de radio, consultar el anexo 2. Instrumentación Electrónica Página 9 de 10

10 Frecuencia F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 Nombre de la emisora dbm dbuv Instrumentación Electrónica Página 10 de 10