Analizador de espectro - Electronica

Medidas Electrónicas 2
Analizador de espectro para Microondas
Analizador de espectro para microondas
Indice:
1- Introducción:
2- Usos del analizador de espectro
3- Principio de funcionamiento.
4- Diagrama en bloques
5- Descripción de las etapas y controles principales
5.1- Atenuador de entrada
5.2- Preselector
5.3- Oscilador Local: LO
5.4- Control de Sintonía: Frecuencia Central
5.5- Intervalo de frecuencia Span
5.5.1- Barrido en toda la banda de frecuencia: Fullband sweep
5.5.2- Barrido cero: Zero Span
5.6- Circuito de estabilización
5.7- Base de tiempo: Time Base
5.8- Salida de Calibración
5.9- Nivel de Referencia: Reference Level
5.10- Filtro de FI: Ancho de banda de resolución RBW
5.11- Ancho de banda de video: VBW
5.12- Pantalla: descripción
6- Características y definiciones vinculadas
6.1- Decibel: dB
6.2- Distorsión armónica: Harmonic Distortion
6.3- Compresión
6.4- Error de subdivisión de escala
6.5- Factor de forma: Selectividad del filtro
6.6- Cifra de ruido: Noise Figure
6.7- FM residual
6.8- Intermodulación
6.9- Rango o margen dinámico
6.10- Nivel del mezclador: Mixer Level
6.11- Nivel de ruido de fondo: Noise Floor
6.12- Punto de intersección
6.13- Pureza espectral
6.14- Resolución
6.15- Ruido de banda lateral única
6.16- Sensibilidad
6.17- Planicidad
6.18- Promedio
6.19- Tiempo de barrido: SWT
6.20- Error de estabilización: Settling Error
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1- Introducción
El analizador de espectro es un instrumento utilizado para analizar una señal en el dominio de la
frecuencia así como un osciloscopio analiza una señal en el dominio del tiempo.
Un esquema básico de funcionamiento se ilustra en la siguiente figura:
Trabajar en el dominio de las frecuencias permite realizar muchas mediciones que están limitadas
en el dominio del tiempo. Debido a que en este caso se utilizan circuitos sintonizados (banda
angosta) se reduce considerablemente el ruido presente y se obtienen sensibilidades mucho
mayores. Además en este caso se pueden ver cada una de las componentes de una señal, sean
componentes armónicas, no armónicas o espurias, ruido, señales interferentes, etc., por separado
en vez de ver todo el conjunto como pasa con un osciloscopio.
Otra gran ventaja es el rango de frecuencias de trabajo: como el osciloscopio es de banda ancha,
tiene limitaciones en frecuencia debido al ancho de banda de sus circuitos pudiendo llegar
actualmente a algunos GHz. El analizador de espectro al ser de banda angosta permite llegar a
frecuencias de 50 a 100 GHz. Por lo tanto es el instrumento por excelencia en microondas.
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2- Usos del analizador de espectro
Alguno de los usos más frecuentes del analizador de espectro son los siguientes:
Distorsión armónica, no armónica
y productos de distorsión
Señales presentes en mezcladores
Señales moduladas en AM y FM
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AM y FM demoduladas
Potencia de ruido
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Pulsos
Radiaciones espurias
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3- Principio de funcionamiento:
El analizador de espectro tiene el mismo principio de operación que una radio. Consta de un
mezclador que realiza la convolución entre la señal a medir y una señal proveniente de un
oscilador local (LO).
fin
R I
L
fLO - fin
fin
fLO + fin
fLO
fLO
A la salida del mezclador aparecerán las siguientes señales:
A1.sen(win.t)
A2.sen(wLO.t)
A3.sen(wLO + win)t
A4.sen(wLO – win)t
Todas estas componentes pasan a través de un filtro de FI pasabanda cuya frecuencia es:
fFI = fLO – fin
Esta frecuencia de FI es fija, por lo tanto cuando en la entrada del analizador aparezca una señal
cuya frecuencia fin es fLO-fFI, se detectará una tensión proporcional a la amplitud de dicha señal.
El LO esta excitado por un generador de rampa de tensión, haciéndolo barrer linealmente en
frecuencia desde una frecuencia mínima fLOmin hasta un valor máximo de fLOmax. Esta misma
rampa se usa para el barrido horizontal de la pantalla. El barrido vertical es proporcional a los
valores detectados para cada frecuencia.
Veamos el siguiente ejemplo:
Sea un analizador de espectro hasta 1,8 GHz con un filtro de FI en 2 GHz y se quiere medir una
señal fin en 0,5 GHz:
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Según la ecuación de sintonía:
fFI = fLO – fin
Para ver el espectro de frecuencias de 0 a 1,8 GHz, el LO deberá barrer entre 2 GHz y 3,8 GHz.
fin
1
0
2
(GHz
)
mezclador
3
4
FI
detector
Entrada
2,0
f FI
Barrido
A
L
f fL
f
0
0
1
2
3
4
0,5
(GHz
)
2
1 1,5
Pantalla
(GHz
)
En las siguientes figuras se muestra cómo varia el espectro de frecuencia a la salida del
mezclador a medida que el LO barre en frecuencia y lo que se va visualizando en pantalla.
En la siguiente figura se produce un batido cero debido a que coincide la frecuencia de FI con la
fLOmin para que el rango de frecuencias del analizador parta de un valor cercano a cero.
fLO
fLO - fin
A
fLO + fin
fin
f
0
1
0
0,5 GHz
2
1,5 GHz
2 GHz
3
0,5
1
1,5
2
4
2,5 GHz
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En la siguiente figura la componente fLO esta prácticamente afuera de la banda de paso del filtro
de FI, por lo que casi no se detecta tensión.
fLO
fLO - fin
A
fLO + fin
fin
f
0
1
0
2
3
0,5
1
1,5
2
4
1,7 GHz 2,2 GHz 2,7 GHz
0,5 GHz
En la siguiente figura la componente fLO – fin cae dentro del filtro. Se detecta esta componente y
se va mostrando en la pantalla. Nótese que la forma de la componente que se muestra en pantalla
coincide con la forma del filtro pasabanda, por lo tanto al variar el ancho de banda de esta,
cambiara la forma de la componente en pantalla.
fLO
fLO - fin
A
fLO + fin
fin
f
0
1
0
0,5 GHz
2
3
0,5
1
1,5
2
4
2,0 GHz 2,5 GHz 3,0 GHz
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En la ultima figura el LO alcanzó su valor máximo en frecuencia y como no pasó ninguna otra
componente por el filtro, en la pantalla solamente aparecerá el ruido interno del equipo.
Una vez efectuado un barrido completo, el LO vuelve a su valor mínimo y se repite un nuevo
barrido. La velocidad con que se hace este barrido depende de la pendiente de la rampa de
tensión.
fLO
fLO - fin
fLO + fin
fin
1
0
A
2
0,5 GHz
3
4
f
3,5 GHz 4 GHz 4,5 GHz
0
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0,5
1
2
1,5
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4- Diagrama en bloques
Un diagrama en bloques básico es el siguiente:
atenuador
IF
mezclador
Entrada
Filtro
Amplific.
FI
detector
Amplificador
Filtro de
video
oscilador
local
Generador
de barrido
TRC
El siguiente diagrama en bloques corresponde al Hewlett Packard 8565A pero el concepto se
extiende a cualquier analizador de espectro para microondas.
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5- Descripción de las etapas y controles principales
5.1- Atenuador de entrada
Es un atenuador ajustable por pasos de 10 dB entre 0 y 70 dB. Se encuentra entre el conector de
entrada y el preselector o bien la primera etapa mezcladora del analizador.
Puede funcionar en modo automático o manual:
Modo automático:
El atenuador ajusta el nivel de la señal que entra en el primer mezclador para obtener un margen
dinámico máximo sin interferencias y una buena relación S/N.
Modo manual:
Se utiliza para poder optimizar otros parámetros como sensibilidad o intermodulación.
5.2- Preselector:
El preselector puede ser:
Un filtro pasabajos coincidente con la máxima frecuencia medible para los analizadores de
espectro de baja frecuencia o en el caso de analizadores de espectro de microondas, coincidente
con el primer rango de frecuencias donde el oscilador interno trabaja con su fundamental.
Un Filtro YIG Sintonizado (YTF) para los rangos superiores de frecuencia en los analizadores de
espectro de microondas. Este filtro solo permite que pase una determinada porción del espectro
moviéndose acorde a la frecuencia sintonizada del oscilador local (LO). Esto sirve para eliminar
el problema de múltiple batido.
La función del preselector es entonces eliminar toda frecuencia imagen, respuesta espuria y otras
que suelen aparecer para evitar falsas mediciones.
5.3- Oscilador Local: LO
Es el oscilador que genera la señal de heterodinación de las etapas mezcladoras. Pueden haber
dos, tres o más de estos dependiendo principalmente de la cantidad de mezcladores que haya. Se
suelen heterodinar sus fundamentales o sus armónicas según los rangos de frecuencia:
La ecuación de sintonía es la siguiente:
fin = fLO ± fFI
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Las curvas de sintonía en las distintas bandas de frecuencia son las siguientes:
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En nuestro caso el primer LO es un oscilador sintonizado tipo YIG (YTO) con un rango de
sintonía de fundamental entre 2 GHz y 4,46 GHz.
Para los diferentes rangos de frecuencia se utiliza una armónica y/o una conversión distinta como
ser de la siguiente forma:
Rango
especificado
(GHz)
0,01 a 1,8
1,7 a 4,1
3,8 a 8,5
5,8 a 12,9
8,5 a 18
10,5 a 22
14,5 a 26,6
22,9 a 40
Armónic
Suma o
a
resta en el
empleada mezclador
1
1
2
3
4
+
5
+
6
+
10
+
Rango cubierto
(GHz)
-0,05 a 1,9
1,68 a 4,14
3,68 a 8,60
5,68 a 13,06
8,32 a 18,16
10,32 a 22,62
14,05 a 28,81
22,05 a 46,65
1ra. FI
utilizada
(MHz)
2050
321,4
321,4
321,4
321,4
321,4
2050
2050
5.4- Control de Sintonía: Frecuencia Central
Ajusta el LO para visualizar la señal a medir de tal forma que en el centro de la pantalla la
frecuencia sea:
fcentral = fLO - fFI
En el caso de medición a fullband posiciona la frecuencia central a fMAX / 2 o en los antiguos
analizadores, posiciona una marca en frecuencia en la pantalla.
5.5- Intervalo de frecuencia Span:
Como el LO barre en forma lineal en frecuencia, el SPAN es el ancho de este barrido . Se lo
expresa en Hz/div de pantalla. En nuestro caso se extiende entre 1 kHz/div y 500 MHz/div.
5.5.1- Barrido en toda la banda de frecuencia: Fullband sweep
Es el barrido en todo el rango de frecuencias del analizador según las distintas bandas. En la
pantalla se puede observar todo el espectro de la señal siendo una función útil para identificar
distintas señales, ver la pureza espectral, etc.
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5.5.2- Barrido cero: Zero Span
Es un modo de funcionamiento en el cual el barrido en frecuencia del oscilador local se ajusta a
cero. Esto permite efectuar medidas de nivel a frecuencias fijas y también poder representar una
señal en el dominio del tiempo (por ejemplo ver la señal modulante en AM, FM, pulso, etc.).
SPAN = 1 kHz/div
SPAN = 0 Hz (ZERO SPAN)
5.6- Circuito de estabilización:
Debido a las inestabilidades propias del oscilador y su FM residual, entre otras, por debajo de
cierto Span de barrido (100 kHz/div) actúa en forma automática el circuito de estabilización el
cual enclava al oscilador YTO a un oscilador de referencia de 1 MHz a cristal. Una vez
enclavado permite efectuar un ajuste fino en frecuencia.
Otra posibilidad podría ser dejar fijo al primer LO (coincidente con la frecuencia central en la
pantalla) y barrer el ultimo LO.
5.7- Base de tiempo: Time Base
Es la referencia en frecuencia que utiliza el sintetizador interno. Por lo tanto es la que determine
la estabilidad del analizador.
5.8- Salida de Calibración:
Consta de una señal de frecuencia y amplitud determinadas con un cierta incertidumbre
(100 MHz / -10 dBm). Esto se utiliza para verificar el correcto funcionamiento del analizador.
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5.9- Nivel de Referencia: Reference level
Es el valor de referencia para todas las medidas de nivel. Se encuentra situado en el tope de la
pantalla. Las mediciones efectuadas con nivel de referencia poseen la máxima exactitud, ya que
desaparece el error de linealidad o error de subdivisión de escala.
El nivel de referencia depende de:
El valor del atenuador de entrada
La ganancia del amplificador de FI.
5.10- Filtro de FI: Ancho de banda de resolución RBW
Consta de una serie de filtros pasabanda seleccionables de diferentes ancho de banda
situados en la ultima FI.
En general están especificados para 3 dB del filtro de FI que efectúa la selección de la
señal. E1 ancho de banda de resolución define la selectividad de un analizador para señales
de idéntica amplitud. Es decir que no se puede medir dos componentes de la misma
amplitud separadas en frecuencia menos que el valor de RBW como se muestra en la
figura:
10 kHz RBW
30 kHz RBW
3 dB
10 kHz
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Para medir señales con escasa separación
de frecuencias, como ruido en banda
lateral, se emplean filtros con bandas muy
estrechas. Para analizar señales de banda
ancha, como portadoras de TV o
espectros de impulsos, se emplean filtros
con bandas muy anchas.
El valor del RBW se extiende entre 10 Hz
y 3 MHz en pasos de 1-3-10.
Por medio del ancho de banda de ruido
equivalente,
el
RBW
determina
indirectamente el nivel de ruido
intrínseco, la sensibilidad y el margen
dinámico de un analizador de espectro.
Un ejemplo de la influencia del RBW se
puede ver en el gráfico adjunto en el cual
se utilizan distintos filtros pare medir una
misma señal modulada en AM, donde se
visualiza una componente principal a 1
GHz (fundamental) y dos componentes
muy próximas entre sí 200 kHz pero de
amplitud mucho menor (bandas laterales).
Se puede observar que para una óptima
medición, el filtro debe ser mucho menor
que 200 kHz, debido a que en la figura a
(RBW = 100 kHz), las bandas laterales
quedan ocultas bajo la campana tendida
por la componente de mayor amplitud.
Recién para un RBW de 30 kHz se
empieza a discriminar estas componentes
y finalmente con un RBW de 10 kHz se
llega a una optima medición. El precio
que se paga es de un barrido mucho mas
lento en este ultimo caso (20 segundos).
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Capítulo 3
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5.11- Ancho de banda de video: VBW
Es el ancho de banda del filtro pasabajos que se encuentra después del detector.
A través de este se proporciona una constante de tiempo al análisis de nivel/amplitud, con lo cual
produce un filtrado (promedio) de las componentes de ruido de la señal medida.
Sin filtro de video
Con filtro de video
5.12- Pantalla: descripción
Figuran los valores de los principales controles como ser:
Tiempo de barrido: SWEEP TIME/DIV
Frecuencia central: Frequency
Span de barrido: FREQ SPAN/DIV
Ancho de banda del filtro de resolución: RES BW
Nivel de referencia: REF LEVEL
Atenuación de entrada: INPUT ATTEN
Escala: LOG SCALE
La pantalla visualiza amplitud en función de la frecuencia con un formato de 8x10 divisiones (en
los mas modernos suele ser de 10x10). La escala en amplitud puede ser lineal o logarítmica con
opciones de 10, 5, 2 y 1 dB/div. La escala de frecuencia es lineal.
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Frecuencia
Central
Reference
Level
10 dB/div
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SPAN
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Capítulo 3
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6- Características y definiciones vinculadas:
6.1- Decibel: dB
El decibelio o decibel es una unidad de relación logarítmica de tensión o de potencia. Existen
diversos tipos. Los mas comunes son:
dB:
Diferencia de nivel respecto a una referencia.
dBµV: Nivel absoluto de tensión referido a 1 µV.
dBm: Nivel absoluto de potencia referido a 1 mW.
dBc: Diferencia de nivel respecto a la portadora.
dBc/Hz:
Diferencia de nivel respecto a la portadora, referida a un ancho de banda
de prueba de 1 Hz.
6.2- Distorsión armónica: Harmonic Distortion
La señal de salida de un módulo no lineal contiene siempre componentes armónicos de la señal
de entrada. La amplitud de estos productos está en función del nivel de entrada.
La distorsión armónica (k2) de la etapa de entrada de un analizador de espectros es determinante
de su margen dinámico.
6.3- Compresión:
Es un efecto no lineal producido por la sobreexcitación del analizador. Esto provoca un error de
medición ya que el nivel de salida de las etapas de entrada o de FI no pueden seguir en forma
lineal las variaciones del nivel de entrada.
En general se especifica el punto de compresión a 1 dB. Esto significa que el analizador indica 1
dB de menos respecto a la indicación de pequeña señal.
6.4- Error de subdivisión de escala:
También llamado linealidad de nivel, es el error de medida de un nivel distinto de la referencia,
debido a distintas características no lineales de los módulos del analizador como ser:
Efectos de compresión en etapas mezcladoras y de FI.
Errores de logaritmización de escala.
No linealidad del detector.
Imprecisiones de ajuste.
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Capítulo 3
Analizador de espectro para Microondas
6.5- Factor de forma: Selectividad del filtro
Es la relación entre el ancho de banda del
filtro de FI (RBW) a 60 dB respecto al ancho
de banda a 3 dB.
Selectividad =
El factor de forma es una medida de las
características de selectividad de un
analizador de espectros para señales
colindantes de diferente amplitud.
60 dB BW
3 dB BW
Si por ej. la selectividad es de 15 veces, se la
suele expresar como:
Selectividad = 15 : 1
En la siguiente figura se muestra una medición del producto de distorsión de tercer orden
entre dos señales próximas en frecuencia entre sí, donde queda de manifiesto la
importancia de un filtro con buena selectividad (caso ideal es una selectividad de 1:1) para
medir relaciones entre componentes espectrales muy próximas entre sí.
RBW = 10 kHz
RBW = 1 kHz
Selectividad 15:1
3 dB
Productos de
distorsión
7.5 kHz
60 dB
60 dB BW
= 15 kHz
10 kHz 10 kHz
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Capítulo 3
Analizador de espectro para Microondas
Filtros digitales:
Para solucionar este inconveniente, los analizadores más modernos usan filtros digitales
para sus filtros de resolución mas angostos (100 Hz, 30 Hz y 10 Hz), obteniéndose así
factores de forma de 5 a 1.
Selectividad típica:
Analógico
Digital
15:1
5:1
Filtro
analógico
Filtro
digital
RES BW 100 Hz
SPAN 3 kHz
6.6- Cifra de ruido: Noise Figure
Es una magnitud que describe el empeoramiento de la relación señal/ruido debido al ruido
intrínseco. Se puede indicar en forma lineal F o logarítmica F/dB.
Como tiene relación directa con el ruido intrínseco, se lo usa para caracterizar
indirectamente a la sensibilidad.
PN = Pterm . NBW . F
Siendo
PN: Nivel de ruido intrínseco
Pterm: Ruido térmico de fondo (-174 dBm)
NBW: Ancho de banda de ruido
F: Factor de ruido
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Capítulo 3
Analizador de espectro para Microondas
6.7- FM residual:
Es una magnitud que describe la estabilidad a corto plazo de la frecuencia indicada debido
a inestabilidades de los osciladores locales.
Se lo indica como una desviación de frecuencia pico a pico. Esto limita el mínimo ancho de
banda de resolución ya que para valores por debajo de esta, se hace visible la inestabilidad
del oscilador local .
FM Residual
6.8- Intermodulación:
También se llama distorsión de tono diferencial.
Si a un circuito no lineal se aplican varias señales de frecuencias fl, f2, , fn, la salida
contiene, además de las señales de entrada, otras señales con las frecuencias n.fi +
m.fk.
En el análisis de espectros tienen importancia sobre todo los productos de tercer orden
del primer mezclador y de las etapas de FI en cuanto a errores de medición y margen
dinámico. Por ejemplo:
Señal de entrada: fl, f2
Señal de salida: fl, f 2
2fl-f2
2f2-fl
frecuencias originales
productos de intermodulación de 3er orden
productos de intermodulación de 3er orden
Si la amplitud de la señal se reduce en 10 dB, la amplitud de las distorsiones de
intermodulación de 3er orden disminuye en 30 dB o sea que la separación de
intermodulación aumenta en 20 dB.
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Capítulo 3
Analizador de espectro para Microondas
6.9- Rango o margen dinámico:
Es la máxima diferencia de nivel entre dos señales aplicadas al mismo tiempo a la entrada
que pueden medirse con un cierto nivel de incertidumbre.
Rango
dinámico
El margen dinámico dependerá de tres factores:
El ruido generado internamente.
La distorsión interna (productos de segundo orden).
La intermodulación interna (productos de intermodulación).
Variación del rango dinámico con el ruido:
Como el margen dinámico es la relación entre la señal mas grande y mas chica que se
puede medir, el ruido promedio del analizador pone el limite sobre la señal mas pequeña a
medir.
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Capítulo 3
Analizador de espectro para Microondas
0
Relación señal / ruido [dBc]
-20
Ruido interno con un
RBW de 1 kHz
-40
-60
-80
-100
-60
Ruido interno
con un RBW de
100 Hz
-30
0
+30
Pot. de entrada al mezclador [dBm]
RELACIÓN SEÑAL / RUIDO [dBc]
Cuanto mayor es la potencia en la entrada del mezclador, mayor será la relación S/N, por
lo tanto mayor es el rango dinámico, de modo tal que por cada 1 dB de aumento en la
señal, aumenta 1 dB dicho rango dinámico. La pendiente de la recta de ruido será entonces
de (-1). Esto quiere decir que cuanto mayor es la potencia de la señal, mejor. Pero esto
tiene un limite que está dado por la compresión de 1 dB de los amplificadores (empiezan a
saturar) causando una disminución en la ganancia real, por lo tanto la recta de ruido estará
definida como:
0
Máximo rango
dinámico sin
compresión
-40
Compresión
de 1 dB
-80
-100
-60
-30
0
+30
Potencia de entrada al mezclador [dBm]
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Capítulo 3
Analizador de espectro para Microondas
Para una misma señal de entrada, se puede aumentar el rango dinámico disminuyendo el
RBW, dado que la recta de ruido bajará paralelamente a la anterior.
Variación del rango dinámico con la distorsión interna:
El mezclador de entrada es un dispositivo con una respuesta teóricamente cuadrática. Esto
produce a la salida componentes de frecuencia f1 ± f2.
Pero a medida que la amplitud de la señal de entrada aumenta, empiezan a ponerse de
manifiesto los términos al cubo, a la cuarta, etc. que producen componentes de 2f1, 3f1,
etc.
Productos de segundo orden:
A la salida del mezclador aparecerán señales de frecuencia 2.f1 y 3.f1 de modo tal que por
cada 1 dB de aumento en la entrada (f1), habrá un aumento de 2 dB en f2 y de 3 dB en f3.
Distorsión de tercer orden
distorsión de segundo orden
2
3
Incremento en
dB
f1
2.f1
3.f1
Por lo tanto, al aumentar mas las armónicas que la fundamental, se reduce el rango
dinámico en 1 dB por cada dB de incremento en la señal (recta de distorsión de segundo
orden con pendiente = 1).
Variación del rango dinámico con la intermodulación interna: (productos de tercer
orden)
Igual que en el caso anterior, si a la entrada del analizador hay dos señales de frecuencias
f1 y f2 de igual amplitud, aparecerán a la salida del mezclador señales de frecuencia 2.f1f2, 2.f2-f1, etc.
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Capítulo 3
Analizador de espectro para Microondas
Por cada dB de aumento en la señales f1 y f2, las señales 2.f1-f2 y 2.f2-f1 sufrirán un
aumento de 3 dB.
3
3
Potencia en
dB
f1
2f1 – f2
f2
2f - f
2 1
En este caso al aumentar 1 dB en la entrada, disminuye 2 dB el rango dinámico (recta de
distorsión de tercer orden con pendiente de 2).
Nivel respecto a la fundamental [dBc]
0
-20
Segundo
Orden
-40
-60
-80
Tercer
Orden
-100
-60
-30
0
+30
TOI
Nivel de entrada del mezclador = Nivel de entrada – Atenuación [dBm]
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Capítulo 3
Analizador de espectro para Microondas
Un punto característico que define la performance de un analizador, es el punto de
intercepción de tercer orden (TOI). Este nivel es el nivel de entrada al mezclador que
debería tener la señal a medir para tener un rango dinámico = 0, o sea que la distorsión de
tercer orden generada internamente seria igual que la señal fundamental. Este valor está en
el orden de los +5 dBm (Ver 6.12).
Margen dinámico sin interferencias:
Es la máxima diferencia entre el nivel de ruido de fondo y el nivel en el cual las respuestas
parásitas del analizador aun no sobresalen del ruido por intermodulación, distorsión
armónica o interferencias discretas.
0
Rango dinámico [dB]
20
Nivel de entrada
al mezclador
optimo
Máximo rango
dinámico sin
interferencias
40
60
80
Máximo rango
dinámico sin
intermodulación
100
-60
-30
0
+30
Nivel de entrada del mezclador = Nivel de entrada – Atenuación [dBm]
Margen dinámico sin intermodulación:
Es la máxima diferencia entre el nivel de ruido de fondo y el nivel en el cual las respuestas
parásitas del analizador aun no sobresalen del ruido por intermodulación solamente.
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Capítulo 3
Analizador de espectro para Microondas
Margen dinámico para una compresión de 1 dB:
Es la máxima diferencia entre el nivel de ruido de fondo y el nivel en el cual aparece en el
analizador un error de 1 dB por compresión. No se consideran las respuestas parásitas del
analizador.
Hay un nivel de entrada óptimo a la que alcanza su máximo cada uno de los márgenes
dinámicos descriptos anteriormente.
En funcionamiento automático, se suelen ajustar al máximo margen sin interferencias. En
funcionamiento manual se ajusta pare obtener los máximos en los otros tipos de rango
dinámico.
En resumen, según el tipo de medición a realizar, se tienen los siguiente rangos:
MAXIMA POTENCIA DE ENTRADA
+30 dBm
-10 dBm
RANGO
DEL
DISPLAY
80 dB
COMPRESION DEL MEZCLADOR
-35 dBm
RANGO DE
MEDICION
145 dB
DISTORSION DE TERCER ORDEN
-45 dBm
DISTORSION DE SEGUNDO
ORDEN
RANGO DE
SEÑAL/RUIDO
105 dB
INCREMENTANDO LA
ATENUACION O EL
RBW
0 dBc
DISTORSION
DE TERCER
ORDEN
RANGO DE 80 DISTORSION
DE SEGUNDO
dB
ORDEN
RANGO DE
70 dB
BANDAS LATERALES
DE RUIDO
60 dBc/1kHz
BANDAS
LATERALES DE
S/N
-115 dBm (1 kHz BW & 0 dB DE ATENUACION)
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Capítulo 3
Analizador de espectro para Microondas
6.10- Nivel del mezclador: Mixer Level
Es el nivel de señal en el primer mezclador del analizador de espectro.
La relación con el nivel de entrada depende del ajuste del atenuador de entrada a ser:
P1mix [dBm] = Pin [dBm] – ATTN [dB]
El nivel del mezclador determina la distorsión armónica, la intermodulación, la separación
del nivel de ruido de fondo y el rango o margen dinámico del analizador, pudiéndose
optimizar para cualquiera de estos parámetros.
6.11- Nivel de ruido de fondo: Noise Floor
Es el nivel de ruido interno de banda ancha, generado principalmente por la etapa de
entrada. Esta determina la sensibilidad y por lo tanto, el nivel inferior del margen dinámico.
6.12- Punto de intersección:
Esta asociada a la intermodulación. Existen varios tipos de puntos de intersección siendo el
de 3er orden (IP3 third order intercept point TOI) esencial para el margen dinámico. En él,
los productos de intermodulación de 3er orden tienen el mismo nivel que la fundamental de
la señal de prueba (un valor teórico, ya que con excitaciones mucho mas pequeñas ya se
produce la compresión del analizador).
Conociendo el punto de intersección, puede calcularse la separación de intermodulación
ad3:
ad3 [dBc] = 2.( IP3 – Pin )
Siendo:
ad3: Separación de intermodulación
IP3: Punto de intersección de 3er orden
Pin: Nivel en el 1er mezclador
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Capítulo 3
Analizador de espectro para Microondas
6.13- Pureza espectral:
Describe la ausencia de interferencias de la señal de heterodinación del oscilador local y en
consecuencia, la reproducción fiel de la señal medida.
Se indica por la separación de las respuestas parásitas y del ruido de banda lateral única
respecto al pico de portadora.
6.14- Resolución :
Es la capacidad del analizador para distinguir señales de frecuencia y nivel colindantes,
representándolas por separado.
6.15- Ruido de banda lateral única:
Describe la estabilidad a corto plazo del oscilador local.
Debido a los efectos no lineales del oscilador, se produce la modulación de bandas laterales
de ruido, cuya potencia disminuye con la separación creciente de la portadora.
Se distingue entre ruido de amplitud (comportamiento estadístico de la estabilidad de
amplitud) y ruido de fase (comportamiento estadístico de la estabilidad de frecuencia/fase).
El ruido de fase es la magnitud principal:
Se define como la potencia absoluta de
una banda lateral separada en foff de la
frecuencia de portadora, referida a la
potencia de esta y con un ancho de banda
de prueba de 1 Hz. Su unidad es dBc/Hz.
Como el ruido de fase se traslada a la FI,
constituye,
conjuntamente
con
la
selectividad, una indicación de la
resolución del analizador para señales de
distinta amplitud y de frecuencias muy
próximas entre sí.
En la siguiente figura se observa como el ruido de fase enmascara a una componente
situada muy próximo a la componente fundamental.
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Capítulo 3
Analizador de espectro para Microondas
Señal que se
quiere medir
Ruido de fase del
analizador
(excesivo)
6.16- Sensibilidad:
Uno de los usos principales de un analizador de espectro es la capacidad de medir señales
débiles. La limitación de esto está dada por el ruido aleatorio generado por el mismo
analizador. Este ruido es aproximadamente el ruido generado por la terminación de entrada
de la primera etapa de ganancia, amplificado por la ganancia de este amplificador.
El atenuador de entrada y mezclador, así como otros elementos circuitales que se
encuentran entre el conector de entrada y la primera etapa de ganancia, tienen poca
influencia sobre el ruido total del sistema. Sin embargo, influye en la capacidad de mostrar
señales de bajo nivel ya que reduce la relación S/N, degradando por consiguiente la
sensibilidad.
No es posible medir señales cuyo nivel sea inferior al del ruido de fondo, mientras que se
producen errores al medir aquellas con nivel solo ligeramente superior.
La sensibilidad indica el nivel de señal que da lugar a una lectura 3 dB por encima del
nivel medio de ruido. La relación entre la sensibilidad, el factor de ruido y el ancho de
banda equivalente se define como:
S = Pterm + 10.log ( NBW ) + F + 3
Siendo:
S:
Sensibilidad [dBm]
Pterm: Ruido térmico de fondo (-174 dBm)
NBW: Ancho de banda de ruido equivalente [Hz]
F:
Cifra de ruido [dB]
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Capítulo 3
Analizador de espectro para Microondas
Señal iguala al
ruido
3 dB
Sensibilidad
Según la ecuación anterior, la sensibilidad dependerá de dos factores:
Atenuador de entrada
RBW
Influencia del atenuador de entrada:
En algunos analizadores, al aumentar el valor del atenuador de entrada, dejan fija la
ganancia de FI, por lo tanto aumentará el reference level.
0 dB
10 dB
20 dB
En los analizadores mas modernos al aumentar la atenuación, un microprocesador cambia
también la ganancia de FI de modo tal que el reference level permanezca constante (el pico
de la señal no cambia). Sin embargo, aumenta el ruido de fondo.
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Capítulo 3
Analizador de espectro para Microondas
Nivel de la señal
10 dB
Atenuación = 10 dB
Atenuación = 20 dB
En ambos casos se consigue la mejor sensibilidad con el atenuador en el mínimo valor
posible (0 dB).
Influencia del ancho de banda de resolución (RBW):
El ruido generado en el analizador es aleatorio y tiene una amplitud constante para un
espectro de frecuencias muy amplio. Como el filtro de resolución esta ubicado después de
la primera etapa de ganancia, la potencia total de ruido que pasa a través este filtro, está
determinada por su ancho de banda, de modo que cuanto mas angosto es el filtro, menor
será el ruido que este deje pasar, como lo muestra la siguiente figura:
100 kHz RBW
10 dB
10 kHz RBW
10 dB
1 kHz RBW
El nivel de ruido de fondo es función del log (RBW1 / RBW2), por lo tanto, si se
disminuye el RBW en un factor de 10 veces, el nivel de ruido mostrado disminuirá en 10
dB.
Entonces se logrará la mejor sensibilidad usando el mínimo RBW posible.
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Capítulo 3
Analizador de espectro para Microondas
6.17- Planicidad:
Es la variación de amplitud en todo el rango de frecuencia respecto a una frecuencia de
referencia.
6.18- Promedio:
Puede ser:
Promedio analógico o temporal:
Se efectúa una ponderación de la lectura de nivel con una constante de tiempo mediante un
filtro de video.
Promedio digital:
Se obtiene un valor medio a través de varios ciclos de barrido, a partir de los resultados
almacenados para cada frecuencia.
6.19- Tiempo de barrido: SWT
Es el tiempo de un ciclo completo de la gama de frecuencia seleccionada. Debe ser
adaptado a los parámetros como RBW, VBW y Span, ya que los filtros de FI poseen un
tiempo finito de estabilización de respuesta.
En los analizadores de espectro debe mantenerse la siguiente relación:
K = 10 . Span / ( RBW2 . SWT )
Siendo:
K= 1 produce un error del 10% (condición limite)
K= 0,1 el error es despreciable
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Capítulo 3
Analizador de espectro para Microondas
Por ejemplo:
RBW= 3 kHz
SWT= 1 s
Span = 100 kHz/div
K= 0,11
El tiempo de barrido puede se elegido en forma manual o automática. Esta ultima se adecua
a la relación previamente mencionada. En caso que K sea ≥ 1 se produce el error de
estabilización.
En los analizadores antiguos se podía acoplar mecánicamente entre el Span y el RBW para
tener siempre una relación adecuada, ya que ambos controles estaban concéntricos en la
misma llave selectora. En los modernos digitales existe una función llamada “couple” la
cual cumple con la misma función (modo automático).
6.20- Error de estabilización: Settling Error
Es un error producido por un barrido
demasiado rápido en la gama de
frecuencia seleccionada, lo que impide
una estabilización suficiente en la
respuesta de los filtros selectores.
Si el analizador opera en modo
automático, este error puede despreciarse.
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Capítulo 3
Analizador de espectro para Microondas
En caso de una medición de productos de intermodulación:
Barrido correcto
Barrido demasiado rápido
K>1
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