Analizadores de espectros. Tipos [I]

Análisis espectral
Analizadores de espectros. Tipos [I]
Por Javier Martín
Denver Metrología
Electrónica
Se presentan los diferentes tipos de
analizadores de espectros que existen en el mercado, centrándose la
descripción en los dos mayormente
utilizados, el analizador de espectros de barrido y el FFT. En una primera parte habaremos del analizador de barrido, dejando para un segundo artículo, por su extensión, el
analizador basado en la FFT.
un nivel de continua que se visualiza en un medidor. También se pueden multiplexar todas las salidas de
los detectores para representarlas
en un único dispositivo gráfico
como un tubo de rayos catódicos.
Por ejemplo, consideremos la
figura 3. Las frecuencias f1 y f2 están
situadas dentro de la banda de paso
de un filtro y por tanto no pueden
ser discriminadas. En cambio, las
componentes f2 y f4 caen dentro de
Resolución en
frecuencia
la banda de paso de filtros diferentes, luego serán medidas de forma
independiente. Si suponemos que
los filtros tienen pendientes muy
abruptas y están situados uno a
continuación del otro, el ancho de
banda de la resolución del analizador de banco de filtros será:
El analizador de banco
de filtros
Figura 2. Los filtros están
situados uno seguido del
otro en el dominio de la
frecuencia con un
solapamiento mínimo.
Figura 1. El analizador de
espectros de banco de
filtros utiliza un conjunto
de filtros para determinar el
contenido de frecuencia de
una señal.
Figura 3. El Analizador de
banco de filtros suele tener
una resolución en
frecuencia baja.
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El analizador de banco de filtros no es muy común en instrumentación electrónica de propósito
general aunque aún sigue usándose en algunas aplicaciones como en
medidas de audio (analizadores de
espectros de 1/3 de octava). La forma más simple de implementar un
analizador de espectros es conectar
un banco de filtros electrónicos,
cada uno con su propio dispositivo
de salida (figura 1). Esta arquitectura tan simple tiene la ventaja de la
velocidad consiguiéndose sistemas
de medida en tiempo real.
Cada filtro está diseñado para
dejar pasar solamente un pequeño
rango de frecuencias al detector. Por
tanto, cada conjunto de filtro, detector y medidor dan una indicación de la energía presente en un
rango determinado de frecuencias.
Si dos frecuencias están situadas
dentro del mismo ancho de banda
de un filtro, el analizador no puede
discriminar entre ambas y por tanto,
el ancho de banda del filtro, BWRES,
determina la resolución en frecuencia del analizador y se denomina
ancho de banda de la resolución
(resolution bandwidth).
[E-1]
Donde:
fmax = frecuencia máxima del analizador
M = Número de filtros
Las dos principales limitaciones
de este tipo de analizador es el número de filtros necesario para obte-
Cada uno de los filtros electrónicos es un filtro paso banda sintonizado a una frecuencia central diferente. Los anchos de banda y frecuencias centrales de los filtros se
alinean para cubrir todo el rango de
frecuencias de interés con un solapamiento mínimo (figura 2). La salida de cada uno de los filtros se conecta a un detector que es, básicamente, un convertidor AC/DC, es
decir, convierte una señal alterna en
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Análisis espectral
ner un analizador con un ancho de
banda de resolución aceptable y la
construcción de filtros paso banda
con pendientes muy abruptas que
resulta compleja. La ventaja es que
se obtienen espectros en tiempo
real.
siendo reemplazado gradualmente
por el analizador FFT para baja frecuencia mientras se mantiene dominante en el campo de radio frecuencia y microondas.
Diagrama de bloques
heterodyno
El analizador de ondas
El analizador de banco de
filtros utiliza un gran número de
filtros fijos para implementar un
analizador de espectros. Otro enfoque es utilizar un solo filtro pero
haciéndolo sintonizable en todo el
rango de frecuencias de interés
(figura 4).
Ya que esta técnica sólo permite medir una frecuencia a la vez, no
es un analizador de espectros en un
sentido estricto, por eso adopta
otros términos como analizador de
ondas, medidor de nivel selectivo o
voltímetro selectivo.
El usuario sintoniza el analizador de ondas a la frecuencia de interés y lee el nivel de señal presente a esa frecuencia. El ancho de
banda del filtro sintonizable determina el ancho de banda de resolución (resolution bandwidth), BWRES,
del analizador de ondas. Con este
tipo de medidores se obtiene una
excelente exactitud en amplitud.
El analizador de
espectros de barrido
(Sweep Spectrum
Analizer)
La arquitectura tradicional del
analizador de espectros es la del receptor superheterodino. Al igual
que en un receptor de radio, el analizador de espectros es sintonizado
automáticamente en la banda de
interés. Este tipo de analizador está
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Los filtros paso banda sintonizables tienen restricciones muy serias en lo que se refiere al rango de
frecuencias centrales que son capaces de sintonizar.
Es por ello que raramente los
analizadores de ondas utilizan filtros sintonizables. Lo que se hace
realmente es fijar la frecuencia del
filtro y trasladar la frecuencia de entrada a la frecuencia del filtro. La
frecuencia central del filtro paso
banda se denomina Frecuencia Intermedia (IF) y el filtro se denomina
Filtro de IF (IF Filter).
[E-5]
Por tanto, a la salida del mezclador tendremos las frecuencias
suma y diferencia de la señal del oscilador local y la señal de RF.
Esta característica se usa para
implementar el diagrama de bloques superheterodino. El filtro de IF
siempre permanece sintonizado a la
misma frecuencia central y el mezclador se usa para desplazar, en frecuencia, la señal de entrada de forma que caiga en el centro del filtro
de IF.
Esto hace que el filtro de IF sea
más fácil de construir y no requiere
que la frecuencia central sea sintonizable. Por supuesto que es necesario poder variar o sintonizar la fre-
Figura 5. Un diagrama de
bloques más práctico del
analizador de ondas.
La figura 5 muestra el diagrama de bloques simplificado de un
analizador de ondas real. El componente clave es el mezclador. Éste es
un dispositivo de tres puertas que es
excitado por la señal de entrada del
analizador (normalmente denominada señal de RF) y la señal del oscilador local (LO). La salida del mezclador es la frecuencia intermedia.
Idealmente, el mezclador funciona como un multiplicador. Suponiendo que la entrada tiene la forma
de:
[E-2]
y,
[E-3]
A la salida del mezclador tenemos:
[E-4]
cuencia del oscilador local (LO) pero
esto es mucho más sencillo que
construir un filtro sintonizable en
un amplio rango de frecuencias.
El mezclador genera frecuencias
suma y diferencia de la señal de entrada y la procedente del oscilador
local (LO). De las dos frecuencias
generadas, solamente una de ellas
se utiliza y se hace coincidir con la
frecuencia central del filtro de IF. La
otra frecuencia será rechazada por el
filtro.
El filtro paso bajo que figura
antes del mezclador, se le conoce
como filtro imagen. Sin este filtro,
frecuencias indeseables podrían entrar en el mezclador, trasladándose
a la frecuencia intermedia y por tanto falsear la medida.
Figura 4. Diagrama de
bloques conceptual de un
analizador de ondas.
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Análisis espectral
El analizador de ondas sólo
puede medir una frecuencia al mismo tiempo. Una mejora obvia es
hacer que el analizador automáticamente realice barridos en frecuencia
en todo el rango de frecuencia de
interés. En el analizador de espectros, esto se lleva a cabo variando la
frecuencia del oscilador local.
tensión de rampa se aplica al eje
horizontal (X) de la pantalla, mientras que la salida del detector se conecta, una vez filtrada, al eje vertical
(Y). A medida que LO va variando o
“barriendo” en frecuencia, el espectro de la señal de entrada se dibuja
automáticamente en la pantalla. El
filtro paso bajo a la salida del detector se denomina filtro de video que
ayuda a suavizar la respuesta del
analizador resultando una curva
más limpia.
La figura 6 muestra como el
diagrama de bloques de un analizador de ondas se puede convertir en
un analizador de espectros mediante un oscilador controlado por tensión (VCO) como oscilador local. Un
generador de rampa se usa para
producir un incremento lineal de
tensión que excite al VCO. La misma
Todo lo expuesto anteriormente, utiliza tecnología analógica y
aunque resulta totalmente válida, la
aparición del microprocesador y las
técnicas digitales han cambiado el
diagrama de bloques del analizador
de espectros (figura 7).
Por ejemplo, el LO se implementa utilizando técnicas de sínte-
Arquitectura del
analizador de
espectros de barrido
sis digital controlado por microprocesador.
La señal se puede muestrear a
la salida del filtro de IF o del detector y convertirse a formato digital
para, posteriormente, ser procesada
por un microprocesador.
Consideraciones
prácticas
El diagrama de bloques mostrado anteriormente utiliza una úni-
Figura 7. Diagrama de
bloques del analizador de
espectros de barrido con
control por
microprocesador.
ca etapa mezclador/IF y se denomina receptor de conversión simple.
Este arquitectura se puede utilizar
para construir un analizador de espectros pero sus características y
rendimiento son limitadas. Los analizadores modernos usan diagrama
de bloques mucho más complicados.
Figura 6. Diagrama de
bloques simplificado del
analizador de espectros de
barrido.
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Análisis espectral
Algunos requerimientos de diseño necesitan frecuencias intermedias más altas mientras que otros,
necesitan frecuencias IF más pequeñas. Frecuencias de IF altas facilitan
el rechazo de las frecuencia imagen
pero filtros IF estrechos y los detectores con más difíciles de construir.
Del mismo modo, estos filtros y detectores resultan más fáciles de
construir si la frecuencia de IF con
más bajas, pero llega a ser más
complicado rechazar las frecuencias
imagen. Se busca una solución de
compromiso conectando en cascada
varias etapas de conversión. Cada
una de éstas etapas contiene un
mezclador, un oscilador local y un
filtro de frecuencia intermedia, siendo los osciladores locales derivados
de uno maestro. El uso de varias
etapas de conversión es muy frecuente en los analizadores de espectros.
trumento. Si se utilizan múltiples filtros de IF, la respuesta compuesta de
la cadena de filtros IF determina el
ancho de banda de resolución.
Normalmente, uno de los filtros de IF será mucho más estrecho
que el resto y por tanto determinará el ancho de banda de resolución.
Anchos de banda de resolución
múltiples se implementan mediante
conmutación a filtros diferentes. El
tiempo de establecimiento de los
filtros de banda ancho es corto, por
tanto el tiempo total de medida es
rápido.
En cambio, filtros de banda estrecha necesitan mucho más tiempo, alargando el tiempo de medida. A cambio, se obtiene mejor resolución en frecuencia y una mejor
relación señal/ruido. Esa es la razón
por la que se aumenta el tiempo de
medida cuando reducimos el ancho
de banda de la resolución.
Etapa de entrada
La entrada del analizador de espectros en el diagrama de bloques
contiene un atenuador variable, seguido con frecuencia por un amplificador. El objetivo de la sección de
entrada es controlar el nivel de la
señal que se aplica al resto de la circuitería. Si el nivel de señal es demasiado grande, los circuitos distorsionarán la señal, generando productos de distorsión que se añaden a la
señal de entrada. Si el nivel de señal
es muy bajo, la señal puede resultar
enmascarada por el ruido presente
en el analizador. Algunos instrumentos proporcionan una característica de auto rango que automáticamente selecciona la mejor atenuación.
Ancho de banda de
resolución (Resolution
Bandwidth)
El ancho de banda del último
filtro de IF determina el ancho de
banda de resolución, BWRES del ins-
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Detección de la señal
de IF
La salida del Filtro de IF se conecta a la entrada del detector. El
detector proporciona un nivel de
DC que es proporcional al nivel de
AC de la sección de IF. El detector se
puede construir de varias formas
siendo el detector de pico el más
extendido.
El detector suele tener a sus entrada un amplificador logarítmico
que comprime la señal de acuerdo a
una función logarítmica; es decir,
para una entrada v, la tensión de
salida es log(v). De esta forma se reducen las variaciones en el nivel de
señal visto por el detector y simultáneamente proporciona al usuario
una escala vertical logarítmica calibrada en decibelios.
En los analizadores de espectros, la escala logarítmica es muy
deseable debido a las grandes diferencias de nivel que puede haber
entre las diferentes líneas espectrales.
La etapa IF digital
En la instrumentación más moderna, los filtros del ancho de banda de resolución y el detector se implementan mediante procesamiento digital de señal (figura 8). La señal se digitaliza antes de su entrada
al detector. Un filtro digital proporciona el ancho de banda de resolución. La señal filtrada es detectada,
también digitalmente. Incluso el filtro de video se puede implementar
mediante técnicas digitales de procesado de señal. Con secciones de
IF digitales se consigue anchos de
banda de resolución muy estrechos
(1Hz o inferior) y además estables ya
que los filtros digitales no presentan ninguna deriva. Además, también se eliminan errores asociados
con el amplificador logarítmico y el
detector.
Figura 8. La etapa IF/
detector de un analizador
de espectros de barrido se
puede diseñar utilizando
técnicas de procesamiento
digital de señal.
El generador de
seguimiento (Tracking
Generator)
Un generador de seguimiento
es un accesorio complementario y
muy útil del analizador de espectros. El generador de seguimiento,
proporciona una señal sinusoidal
cuya frecuencia es la misma que la
de entrada del analizador. Esto permite al analizador de espectros realizar medidas básicas de redes. La
salida del generador de seguimiento se conecta a la entrada del dispositivo bajo prueba y la respuesta es
medida con el analizador. A medida
que el analizador va “barriendo” en
frecuencia, el generador de seguimiento está siempre operando a la
frecuencia del receptor, obteniéndose de esta forma, la función de
transferencia del dispositivo.
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