Comunicaciones en Audio y Vídeo Laboratorio Práctica 5: Transmisión y análisis RF Curso 2008/2009 Práctica 5. Transmisión y análisis RF 1 de 9
1 EL ANALIZADOR DE ESPECTROS RF La medida de espectros (estimación espectral de la PSD, Power Spectral Density, a partir de señales medidas) se realiza actualmente mediante tres posibles técnicas: Análisis DFT usando FFT. Análisis por banco de filtros fijos (p.e. analizadores en bandas de tercio de octava en audio). Análisis por barrido de filtro. La primera ya ha sido usada por los alumnos de este laboratorio y no requiere más explicación. La documentación del laboratorio incluye un texto explicativo específico del tema. La segunda no puede ser utilizada en RF donde la banda a medir es tan amplia que se requerirían un excesivo número de filtros, algunos de ellos irrealizables. El análisis por barrido de filtro es una técnica muy usada en RF y establecida desde hace mucho. 1.1 ANALIZADOR DE ESPECTROS POR BARRIDO DE FILTRO La idea es tan simple como introducir la señal a medir en un filtro de un cierto ancho de banda cuya frecuencia central va cambiando para cubrir la zona del espectro definida por las dos frecuencias entre las que se quiere medir. Se dice que el filtro se va desplazando por el espectro o barriendo el espectro. Al filtro se le llama filtro de medida, a su ancho de banda se le llama ancho de banda de medida y al rango de frecuencias entre las que varía su frecuencia central (es decir, el rango de frecuencias entre las que se mide) SPAN. A la variación de la frecuencia central del filtro se le llama barrido del filtro. En cada posición del filtro, se toma la señal que sale de él y se calcula la potencia media. Este valor es el que se visualiza en la pantalla como valor del espectro (PSD) a la frecuencia que coincide con la frecuencia central del filtro en ese momento. Si el barrido fuese a saltos de frecuencia, se podría tener una representación de barras o de escalones, de forma análoga a lo que ocurre con los analizadores de bandas (p.e. analizadores de tercio de octava). Pero el barrido suele ser continuo por lo que la representación parece ser la de un espectro continuo. Un análisis espectral teórico usaría un filtro de medida con un ancho de banda de 1 Hz. Así, cada nivel representado sería la densidad espectral de potencia (PSD) teórica. Un filtro así es irrealizable, por lo que los valores medidos realmente no son la PSD teórica sino una estimación corregida en una cantidad relacionada con el ancho de banda del filtro de medida. Esto debe tenerse en cuenta a la hora de realizar medidas de potencia de señales de banda ancha (p.e. TV digital). Podrá notar que al cambiar el ancho del filtro cambia la amplitud de la representación del espectro. La potencia de una señal es la integral de su espectro PSD. Si la señal es de espectro ancho, el equipo deberá realizar dicha suma. En el caso de señales de espectro muy estrecho (casi deltas ) sólo esa componente aparece en la integral (suma) y por tanto tiende a coincidir la potencia con el nivel del espectro PSD. La forma real de implementar un filtro que se desplaza por el espectro sin cambiar su ancho de banda (esto supondría ir cambiando su Q), es ya conocida por el alumno, pues es el mismo método que el usado en los receptores RF: la subconversión. En este caso, el oscilador local varía su frecuencia, de modo que la parte del espectro que va quedando alrededor de la FI del analizador va variando. El filtro de medida es realmente un filtro FI con un ancho de banda y Q fijos, aunque seleccionables por el usuario entre varios posibles valores. Práctica 5. Transmisión y análisis RF 2 de 9
2 SEÑALES RF COMERCIALES (Radio y Televisión) 2.1 ANTES DE EMPEZAR A MEDIR Se enciende el analizador de espectro Hameg. Sin conectar señal a la entrada, se selecciona ATTN 20 db y RBW 400 ó 1000 khz (Ancho de banda del filtro de medida o lectura). Se pulsan los botones SPAN hasta que en pantalla indique S1000 MHz en la parte superior derecha. Pulse el botón CENTER FREQ y gire el dial TUNING hasta que marque C500 MHz en la parte superior izquierda de la pantalla. Si el modelo del analizador lo permite, teclee el valor 500 y pulse CENTER FREQ. En estos momentos, la pantalla muestra el espectro desde 0 Hz hasta 1 GHz (SPAN 1000 MHz y escala 100 MHz/div). Para otro valor de SPAN, el eje mostraría desde fc-s/2 a fc+s/2, siendo fc la frecuencia central y S el SPAN. Los mensajes que aparecen en pantalla son principalmente los indicados en la figura dentro de los rectángulos, y cuyo significado aparece descrito al lado. A/B Measure Memory C xxx MHz Center Frequency Span of Frequencies S xxx MHz M xxx MHz Marker s Frequency Reference Level R xxx dbm M xxx dbm Uncal Marker s Level Uncal Alarm Pulsando REF LEVEL ajuste su valor a -20 dbm. Este es el nivel que corresponde a la línea superior de la retícula. 2.2 MEDIDAS TV Conecte el cable que viene de la toma de antena al analizador de espectros. Con la atenuación de entrada en 20 db y el SPAN en 1000 MHz visualice el espectro resultante. El filtro de medida debe estar en 400 khz o 1000 khz para evitar el mensaje de error UNCAL en pantalla. Sitúe la delta de referencia de 0 Hz del espectro a la izquierda de la retícula y mida la banda de frecuencias en la que aparecen claramente señales de alto nivel. Práctica 5. Transmisión y análisis RF 3 de 9
Cambie la frecuencia central a aproximadamente 830 MHz y modifique el SPAN hasta 50 MHz para tener mejor resolución espectral (aunque el rango de frecuencias visualizado es menor). Qué cree que está visualizando? Baje ahora el SPAN a 20 MHz. Puede verse el efecto del ancho de banda del filtro de medida. Para poder medir mejor bájelo a 120 khz. Puede obtener una visualización con menos rizado aplicando promediado (Average) a la medida. A la derecha del espectro se puede ver un canal de TDT con modulación OFDM cuyo espectro es similar al ruido blanco. Mida la potencia del canal TDT integrando su PSD considerando su espectro rectangular, en cuyo caso la fórmula es: BW P( dbm) = PSD( dbm) + 10log =. RBW Práctica 5. Transmisión y análisis RF 4 de 9
Nótese la gran diferencia entre los valores de P y PSD. Desconecte el AVERAGE y centre ese canal TDT y modifique el SPAN a 10 MHz para verlo con detalle. Vuelva a pulsar AVERAGE. (Este equipo no permite mover la frecuencia central en modo Average, por lo que hay que desconectarlo, mover y volver a conectarlo). Visualice ahora el canal de TV analógico desplazando la frecuencia central para que el comienzo de la retícula coincida con el comienzo del canal de 8 MHz (la portadora analógica está a 1.25 MHz por encima del extremo inferior del canal). Localice y marque en la figura los siguientes elementos: 1. Extremo superior del canal de 8 MHz. 2. Portadora de vídeo. 3. Subportadora de color. 4. Portadora de sonido FM intercarrier. 5. Señal NICAM. Compruebe que existen variaciones del espectro con el tiempo, al ir variando la señal banda base transmitida. Visualice ahora con detalle la parte de las portadoras de sonido (FM y NICAM). Use SPAN 1 MHz. Ponga el nivel de referencia a -50 dbm y active 5 db/div. Observe como la señal FM va cambiando. Para ello debe disminuir el filtro de medida a un valor inferior (p.e. 9 khz). Práctica 5. Transmisión y análisis RF 5 de 9
Las señales digitales (NICAM) se analizan mejor con promediado. Aplíquelo. Compruebe que sin embargo la señal analógica FM pierde detalles con el promediado Mida para la señal NICAM, el ancho de banda para la atenuación máxima y también el ancho de banda a -3 db. Calcule cual sería el valor de Rs y del α de coseno alzado usado en NICAM. 2.3 MEDIDAS FM COMERCIAL Pase el SPAN a 1000 MHz y varíe la frecuencia central a 100 MHz (es más rápido el desplazamiento por la pantalla con SPAN altos). Baje ahora el SPAN hasta 1 MHz manteniendo centrada la frecuencia 100.7 MHz. El filtro de medida debe estar en 9 khz. También puede activar el llamado filtro paso bajo de vídeo o visualización (VBW = 4 khz) que disminuye las variaciones de la señal presentada en pantalla sin alterar el filtro de medida. Vea como varía el espectro con el tiempo al cambiar la señal. Qué ancho de banda máximo llega a alcanzar? Si activa Max-HLD la pantalla memoriza los valores máximos medidos, dando una idea del espectro global a lo largo del tiempo. Compruebe si pasa de 180 khz. Práctica 5. Transmisión y análisis RF 6 de 9
El uso de promediado en FM no da una medida significativa del espectro. Pase ahora a visualizar el canal de radio FM en 104.33 MHz, y visualice en continuo y en Max- HLD. Compruebe la separación con el canal adyacente inferior y el ancho de banda máximo que alcanza.. 3 RESPUESTA EN FRECUENCIA DE UN CABLE Para medir la respuesta en frecuencia en RF existen dos métodos. El primero usa un generador de barrido (una sinusoide cuya frecuencia va variando linealmente con el tiempo) que se sincroniza con el barrido del filtro de medida del analizador, de modo que coincide la frecuencia generada con la banda que en ese momento se mide. Esta medida sólo se puede realizar con equipos que incluyen generador de barrido ( tracking ), que sincronizan internamente su generador con su medidor y otros que puedan sincronizar externamente su barrido de medida a un generador externo. De esos equipos sólo tenemos uno en el laboratorio. El otro método es usar un generador de ruido blanco de suficiente ancho de banda (más de 1 GHz en nuestro caso). Al existir todas las frecuencias simultáneamente no es necesario sincronizar el barrido de los filtros de medida, y pueden realizarse medidas con cualquier analizador. En este caso es imprescindible hacer las medidas promediando, pues la estimación espectral del ruido blanco sólo presenta PSD plano si se promedian varias medidas. (Esto se explica en asignaturas con temas sobre estimación espectral). Este es el método que usaremos. Por último, recuerde que un cable en RF funciona según el principio de Línea de Transmisión. Práctica 5. Transmisión y análisis RF 7 de 9
3.1 Cable RF corto de 75 Ω El generador de ruido está conectado a cada puesto del laboratorio a través de un cable de RF con impedancia característica de 75 Ω En este caso existe una desadaptación ligera de impedancias debido a que el analizador tiene una impedancia de entrada de 50 Ω. El analizador se encuentra al final de la línea y por tanto no notará el efecto del filtro peine generado por la interferencia de la onda directa y la reflejada. Sin embargo, la impedancia de entrada del cable no será constante, provocando que la tensión aplicada a su entrada por el generado varíe con la frecuencia, dando lugar a una medida con rizado. Memorice en la memoria B esta medida y vuelva a la pantalla A de medida. 3.2 Cable RG-59 largo de 75 Ω Conecta ahora, como prolongación del cable corto que llega al puesto del laboratorio, un cable largo de RF del tipo e impedancia indicado. Poner el atenuador a -10 dbm. Qué atenuación se tiene entre 1 MHz y 1 GHz?. Si resta de esta medida la almacenada en B, tendrá la respuesta en frecuencia del cable largo sin considerar el tramo corto. Recuerde que dos sistemas en cascada multiplican su función de transferencia y que si éstas están expresadas en unidades logarítmicas, se suman. Pulse para ello la Práctica 5. Transmisión y análisis RF 8 de 9
visualización de A-B. Pero no use el marcador para medir niveles o atenuaciones, pues en A-B el marcador indica la diferencia entre A y B a la frecuencia en que está y no marca el nivel absoluto. Qué pendiente aproximadamente tiene la respuesta en frecuencia del cable? Práctica 5. Transmisión y análisis RF 9 de 9