Práctica de Laboratorio: Introducción a las Comunicaciones

LABORATORIO DE INTRODUCCIÓN A LAS
COMUNICACIONES
PRACTICA 1
“Operación y Funciones del Equipo Básico para
Comunicaciones”.
Objetivos

Describir la operación básica de cada instrumento así como sus características y
usos.
 Practicar el uso del equipo realizando algunas mediciones.
Introducción Teórica
El equipo para medición y pruebas como fuentes de alimentación, osciloscopio,
multímetro; es fundamental en todo laboratorio de electrónica, este equipo lo
encontramos de igual forma en un laboratorio de comunicaciones, donde además se
cuenta con equipo no disponible en los demás laboratorios, como generadores de
Radiofrecuencia, analizador de espectros, medidores de intensidad de campo, entre
otros. El equipo de laboratorio es muy importante por que en nuestra especialidad
requerimos probar y visualizar señales procesadas por dispositivos electrónicos con el
fin de probar el funcionamiento así como en la evaluación del desempeño de los
sistemas diseñados o también para efectos de reparación y mantenimiento de equipo
electrónico.
A continuación se describen, brevemente dos equipos que sólo se encuentran en el
laboratorio de comunicaciones, en general, ya que en el mercado podemos encontrar de
varias marcas y precios y por lo tanto diferentes calidades, pero, en cuanto a operación
la mayoría de los equipos disponibles en el mercado presentan una gran similitud,
además de que con el advenimiento de la tecnología digital que ha ido penetrando todos
los campos de la vida cotidiana y los instrumentos de medición y prueba no son la
excepción prácticamente todos los equipos modernos funcionan en base a menús, por lo
que en principio su operación resulta ser, para personas familiarizadas con el uso de
computadoras y equipo de medición y prueba, relativamente sencilla; lo complicado
podría ser en sí el uso de esos menús, para lograr una observación y medición de señales
adecuada además de la comprensión e interpretación de los resultados obtenidos y el
conocimiento de las variables a medir.
Generador de señales de Radio Frecuencia
A diferencia de un generador de funciones este equipo genera sólo funciones senoidales
aunque en un rango muy amplio de frecuencias, es aplicable en el desarrollo, prueba y
servicio de sistemas electrónicos. En el laboratorio se tiene disponible un generador
Rohde & Schwars SML02 (figura 1), capaz de generar frecuencias en un rango que va
de 9 KHz a 2.2 GHz con niveles de -140dBm a 13dBm tiene disponibles, también,
señales moduladas en , y con señal moduladora interna o externa. Dos salidas
disponibles una a baja frecuencia en conector BNC hembra, y otra a frecuencias de
Radio en conector tipo N hembra, en la primera es posible conectar directamente los
cables con conector BNC macho disponibles en el laboratorio; para el caso de la salida
de RF se requiere de un adaptador N macho a BNC hembra, en la figura 2 se muestran
estos tipos de conectores.
La selección de la frecuencia y nivel deseados es, relativamente sencilla. Se requiere
seleccionar en el teclado la variable a configurar y después ajustar el valor por medio
del teclado numérico ó de la perilla, seleccionar unidades y “enter” como en toda
computadora. Este instrumento envía también mensajes de error cuando las acciones
realizadas son incorrectas y tiene una función de “preset” para restablecer unas
condiciones de inicio preestablecidas de fábrica.
Figura 1 generador de señales Rohde & Schwars
a)
b)
Figura 2. a) BNC hembra b) N hembra
c)
c) N macho-BNC hembra
El valor de voltaje desplegado en el generador es el valor que será suministrado a una
carga que tenga una impedancia total de , ya que éste tiene una impedancia interna de .
La impedancia interna del generador y la impedancia de carga forman un divisor de
voltaje. El divisor de voltaje equivalente se muestra en la figura 3, donde representa el
nivel de voltaje desplegado en el panel del generador.
Figura 3: Divisor de voltaje equivalente formado por la impedancia
interna del generador y la impedancia de carga total .
Con la suposición de que la impedancia de carga es , el voltaje suministrado a la carga
(el voltaje de salida efectivo) es la mitad del voltaje generado por , la pantalla del panel
del generador despliega valores de voltaje para impedancias de carga de .
Si se carga la salida con una impedancia mucho mayor a (por ejemplo conectando la
salida directamente a un osciloscopio) la mayoría del voltaje será consumido por la
carga y el voltaje de salida medido será aproximadamente igual al voltaje que se
muestra en el panel del generador. Cargando el generador con una impedancia de carga
menor a , causará que el voltaje suministrado sea menor al establecido en el panel del
generador.
Uno de los usos más frecuentes del generador es la obtención de una señal de entrada
para amplificadores de voltaje, los amplificadores de voltaje frecuentemente tienen una
impedancia de entrada muy alta, de tal forma que un generador se carga en general con
impedancias muy grandes y por lo tanto el voltaje efectivo suministrado a la entrada de
un amplificador de voltaje doblará el nivel mostrado en el panel del generador.
En la figura 4 se muestra un diagrama del generador junto con la identificación de los
componentes del panel frontal, y a continuación se tiene una breve descripción de
algunos de estos componentes.
Figura 4. Componentes del panel frontal del Generador de señales
1. Interruptor ON/OFF
El interruptor On/Off enciende ("I") o apaga ("O") el instrumento.
2. Pantalla
Se despliega la información de la señal gerasa, como amplitud, frecuencia, etcétera.
3. Campo de Parámetros
Los parámetros, la frecuencia y nivel de RF, pueden ingresarse directamente por medio
del teclado de parámetros, de manera alternativa a la operación por medio del menú.
Más aún puede guardarse la configuración completa del instrumento y después
recuperarla.
FREQ abre la configuración de la frecuencia de RF vía un valor de entrada o con
variaciones por medio de la perilla. El menú actual se mantiene. Para regresar al menú
se teclea [BACK] o [SELECT].
LEVEL abre la configuración del nivel de RF vía un valor de entrada o por variación
por medio de la perilla.
SAVE abre el almacenaje de la configuración actual del instrumento. La selección de
memoria se afecta ingresando un número (1 to 50) y se termina por medio de la tecla
[x1/ENTER].
RCL Abre una configuración del instrumento almacenada. La selección de memoria se
afecta ingresando un número (1 to 50) y se termina por medio de la tecla [x1/ENTER].
4. DATA INPUT
Campo de entradas Numéricas
Valores Numéricos, punto decimal y signo menos pueden ser ingresados por medio del
teclado digital.
0 a 9 Entra el digito.
Entra el punto decimal.
Entra el signo menos.
Para borrar la ultima entrada (digito, signo o punto decimal) tecla [BACKSPACE].
Teclas de unidades con función enter
Las teclas de unidades terminan la entrada de valores y especifican el factor de
multiplicación para la respectiva unidad básica.
G/n
dBμV Selecciona giga/nano, con nivel de RF dBμV.
M/μ
μV
Selecciona mega/micro, con nivel μV.
k/m
MV
Selecciona kilo/milli, con nivel mV.
X1
Enter dB(m) Se terminan las entradas en la unidad básica y el valor se ingresa sin
unidad.
Selecciona con nivel dBm
Selecciona con nivel: Offset y la amplitud del paso de nivel en dB.
5 MENÚ/VARIATION
Teclas de menú
Estas teclas accesan los menús y las configuraciones dentro de los menús.
SELECT
Reconoce la elección marcada por el cursor del menú.
BACK
Regresa el cursor del menú al siguiente nivel más alto del menú.
Mueve el cursor a la izquierda una posición a partir de la marcada.
Mueve el cursor a la derecha una posición a partir de la marcada.
Perilla
La perilla mueve el cursor del menú sobre las posiciones de un nivel de menú desde
donde se selecciona, o varía el valor de un parámetro. La variación puede ser afectada
tanto por pasos de uno o de una amplitud de paso que puede ser especificada como se
desee.
6 FUNCTION
HELP*
Indica un texto auxiliar sensitivo al contexto.
STATUS*
Indica el estado del instrumento.
MOD
ON/OFF
Interruptores on/off del modo de modulación seleccionado en
Utilities-ModKey.
RF
ON/OFF
Interruptores on/off de la señal de RF
* Se sale de estos menús con la tecla [BACK]
7. Salidas / Entradas
MOD entrada para una señal moduladora externa para cualquiera de las 3 opciones , y .
LF
salida de LF (baja frecuencia) del generador interno de LF.
RF
salida de señal de RF con impedancia .
8. Teclas generales
PRESET
Establece una configuración definida en el instrumento. Se confirma con
la tecla [SELEC].
ERROR*
Indica mensajes de error y de precaución.
LOCAL
Conmuta el instrumento del modo REMOTO al modo LOCAL
(control manual).
9 QUICK SELECT
Las teclas de selección rápida permiten acceso rápido a dos menús seleccionados.
ASSIGN almacena el menu actual como menú1 cuando la tecla MENU se presiona
después, o como menu2 cuando la tecla MENU2 es presionada después.
MENU1
Activa el menu1 almacenado.
MENU2
Activa el menu2 almacenado.
Especificaciones técnicas del generador de RF
Nivel –140 dBm to +23
Impedancia de salida
Frecuencia
Rango de temperatura 20 °C to 55 °C
Analizador de espectros
El analizador de espectros, el cual se muestra en la figura 5, es un equipo de prueba
usado en el diseño, prueba y mantenimiento de circuitos y equipo de RF, es una
herramienta fundamental para la observación de señales.
Un analizador de espectros es un receptor muy sensitivo y con un gran ancho de banda.
Trabaja bajo el principio del receptor superheterodino para convertir frecuencias altas a
cantidades medibles. El espectro de frecuencias recibido es barrido lentamente en un
rango de frecuencias preseleccionadas, convirtiendo la frecuencia seleccionada en un
nivel de DC medible (usualmente en una escala logarítmica), y desplegándolo en una
pantalla LCD. La pantalla despliega la intensidad de la señal recibida (eje y) contra
frecuencia (eje x). Nos proporciona una gráfica o trazo de la amplitud de la señal contra
frecuencia. La pantalla tiene una graticula la cual tiene típicamente 10X10 divisiones
mayores.
La intensidad de la señal recibida se mide normalmente en decibeles . corresponden a
de potencia en una escala logarítmica. Las razones principales de medir la intensidad de
señal recibida en esta escala en vez de unidades de voltaje son los bajos niveles de
intensidad de la señal recibida, y el intervalo de frecuencias de la medición. Los
analizadores de espectros pueden realizar mediciones de la respuesta en frecuencia de
un dispositivo a niveles de potencia tan bajos como . Estos niveles de potencia se
encuentran frecuentemente en receptores de microondas.
Figura 5. Analizador de espectros.
El eje horizontal del analizador está calibrado linealmente, en frecuencia, con la
frecuencia más alta del lado derecho. El eje vertical se calibra en amplitud,
generalmente se tienen disponibles dos escalas, una lineal y otra logarítmica para la
mayoría de las aplicaciones se escoge la escala logarítmica, ya que pueden verse señales
en un rango más amplio. La escala lineal en general se calibra en volts rms para permitir
mediciones absolutas en el analizador.
En la figura 6 se muestra un diagrama del analizador donde se identifican algunos de los
componentes del panel frontal y se hace una breve descripción de cada uno.
Figura 6. Componentes del panel frontal del analizador de espectros.
1. Teclas de brillo.
Permiten cambiar el brillo de la pantalla.
2. Teclas de menú.
Las etiquetas de las teclas de menú son las anotaciones en la pantalla al lado de las
teclas sin etiqueta.
3. Frecuencia, span y amplitud
Activan las funciones primarias del analizador de espectros y el acceso a menús de
funciones relacionadas.
4. Campo de CONTROL
Dan acceso a menús donde es posible ajustar el ancho de banda de resolución, ajustar el
tiempo de barrido y controlar la pantalla del instrumento. También aquí se configuran
algunos otros parámetros necesarios para hacer mediciones.
5. Campo de SISTEMA
Estas funciones afectan todo el funcionamiento del instrumento. Aquí se accesan
funciones tales como la configuración de la impresión y el proceso de calibración. La
tecla Preset realiza un proceso de configuración para que el instrumento esté en un
estado conocido. La función File permite guardar y cargar lo mostrado en la pantalla del
instrumento
6. Unidad de almacenamiento externo.
El equipo disponible en el laboratorio cuenta con una unidad de “Floopy”. Analizadores
en versiones más recientes cuentan con puertos USB.
7. MARKER
Estas funciones facilitan la lectura de frecuencias y amplitudes a lo largo del trazo en
pantalla del analizador, localizan automáticamente señales de amplitud más grande, y
mantienen una señal en el centro de la pantalla.
8. Volumen
Se ajusta el volumen de la bocina interna. Es encendida y apagada con la tecla On/Off
en el menú de Det/Demod.
9. Teclas de datos (teclado numérico, perilla y teclas de pasos)
Permite cambiar el valor numérico de una función activa.
10. INPUT
Señal de entrada al analizador. Señal a observar.
11. RF OUT
Salida del oscilador de barrido interno. Ésta es una opción, en el analizador el mostrado
en la figura por ejemplo, no se cuenta con ella.
12. Teclas de encendido- apagado
La tecla I (on) enciende el analizador y la tecla O (standby) apaga la mayor parte del
analizador. Se realiza un algoritmo de calibración cada vez que el analizador es
encendido. Después de encender hay que esperar 5 minutos de tiempo de calentamiento
para asegurarse de que el analizador cumple con todas las especificaciones.
13. Pantalla.
Muestra el espectro de la señal a analizar y proporciona información general.
A continuación se muestran algunas de las especificaciones técnicas del instrumento
Intervalo de Frequencia 9 kHz to 1.5 GHz con una exactitud de ±2.0 kHz a 1 GHz (sin
temperatura)
Anchos de banda de resolución 1 kHz to 3 MHz
Intervalo máximo de amplitud -120 dBm to +30 dBm
Máximo alcance dinámico >=78 dB / >= 85 dB (2nd/3rd order)
Intervalo logaritmico 85 dB con 10 divisiones en la pantalla.
Para realizar mediciones en el analizador de espectros es necesario realizar un proceso
de configuración del instrumento a continuación se describe este proceso.
Configuración de la frecuencia
Para establecer la frecuencia, deben llevarse a cabo dos selecciones. Cada una
independiente de la otra. La primera es la frecuencia central. Como el nombre lo
sugiere, se establece la frecuencia del centro de la escala al valor seleccionado, siendo
normalmente este valor aquel donde se espera observar la señal. La segunda selección
que debe hacerse es el “span”, la extensión de la región en cualquier lado de la
frecuencia central que será monitoreada. El “span” puede ser establecido como una
frecuencia dada por división, o el “span” total en la parte calibrada de la pantalla, dentro
de la extensión máxima de las calibraciones en la graticula. Otra opción que se tiene,
usualmente, es establecer las frecuencias de inicio y de parada del “span”.
Ajuste de la ganancia
Hay muchos otros controles en el analizador, la mayoría de estos caen en dos categorías,
la primera asociada con la ganancia o atenuación en secciones dentro del analizador, si
estas secciones se sobrecargan, pueden generarse señales espurias dentro del
instrumento. Y pueden obtenerse lecturas falsas por lo que se deben elegirse
cuidadosamente los niveles de ganancia para tener un desempeño óptimo del
instrumento.
Razón de exploración
El analizador opera explorando el intervalo (span) de frecuencia requerido desde la
parte baja hasta la frecuencia alta al final del rango requerido. La velocidad a la cual se
realiza esta operación es importante. Es obvio que si la exploración se hace más rápido
la medición puede hacerse más rápido, sin embargo hay otros aspectos en el instrumento
a tomarse en cuenta como son: los filtros de la etapa de IF, y el filtro de video que
también puede ser usado para promediar la lectura. Estos filtros deben tener tiempo para
responder de otra manera algunas señales se perderán y la medición obtenida será inútil.
Entonces a pesar de ser deseable mantener la razón de exploración tan alta como sea
posible, deben tomarse en cuenta estos aspectos, de tal forma que las mediciones
puedan hacerse tan rápido como sea posible. Frecuentemente la razón de exploración
del filtro y los anchos de banda de los filtros se enlazan para asegurar que se elige una
combinación óptima.
Anchos de banda de los filtros de IF (resolución de ancho de banda) proporcionan
la resolución del analizador en términos de la frecuencia, si elegimos un ancho de
banda angosto se tendrá una resolución tal que permitirá observar señales muy
cercanas en frecuencia, sin embargo por este mismo hecho estos filtros responderán
más lentamente que los filtros de banda más amplia.
Filtros de video habilitan una forma de promedio para ser aplicado a la señal. Esto
reduce las variaciones causadas por el ruido y también ayuda a promediar la señal y
en consecuencia revelar señales que de otra forma podrían no ser vistas. El uso de
estos filtros también limita la velocidad con la que el analizador puede explorar.
Usos

Mediciones de respuesta en frecuencia de dispositivos

Monitoreo de torres de microondas: mediciones de potencia transmitida.y
recibida.

Mediciones de Interferencias. Verificación e identificación de Fuentes de
interferencia

Mediciones de pérdida por retorno.

Calibración de antenas de satélite

Mediciones de señales espurias

Mediciones de armónicos.
Los analizadores de espectros son instrumentos muy útiles en la observación y medición
de señales en del dominio de la frecuencia, aunque algo más complicados de usar que
otros instrumentos pero teniendo un acercamiento con ellos pueden usarse para mostrar
una amplia variedad de información útil.
Material y Equipo







Analizador de espectros
Generador de funciones
Generador de señales
Osciloscopio
3 cables BNC-BNC
2 acopladores BNC-N
1 conector tipo T
Desarrollo Experimental
EJERCICIO 1: Comparando señales que aparecen en la pantalla
simultáneamente
a) Observe la señal de referencia de 10Mhz del generador, en el
osciloscopio. ¿De qué tipo de señal se trata? Anote las características y
parámetros de dicha señal.
b) Conecte la salida de referencia de 10 MHz a la entrada del analizador.
c) Ajuste la frecuencia central a 30 MHz y expanda la pantalla a 50 Mhz
d) Ajuste el nivel de referencia a 10 dBm
e) Active un indicador (marker) en el pico más alto de la señal que aparece
en la pantalla del analizador
f) Active un segundo indicador en la posición del primero. Mueva el
segundo indicador a otro pico de la señal. La diferencia en amplitud y
frecuencia entre los indicadores aparece en la esquina superior derecha
de la pantalla, anote estos valores.
g) La resolución de la lectura de los indicadores se puede incrementar
activando la función contadora de frecuencia.
h) Presiona Marker off para borrar los indicadores de la pantalla.
Ejercicio 2: Comparando señales que no aparecen en la pantalla
simultáneamente.
a) Ajuste la frecuencia central a 10 MHz, el nivel de referencia a 10 dBm, y
expanda la pantalla a 5MHz.
b) Coloque un indicador en el pico de la señal.
c) El tamaño del paso de la frecuencia central se puede ajustar para que
sea igual a la frecuencia fundamental de la señal.
d) Active un segundo indicador.
e) Incremente la frecuencia central en 10 MHz. Observe que el primer
indicador se ha desplazado al lado izquierdo del cuadrante, indicando la
amplitud del primer pico de la señal. La anotación en la esquina
superior derecha de la pantalla indica la diferencia en amplitud y
frecuencia entre los dos indicadores. Presione tres veces más la tecla
(↑) y anote sus observaciones.
)Desactive los indicadores.
La técnica descrita en este ejercicio es útil en pruebas de distorsión
armónica donde una expansión angosta o ancho de banda angosto son
necesarios para medir armónicos de bajo nivel.
Ejercicio 3: Función para seleccionar el ancho de banda del filtro de
frecuencia intermedia.
A) Resolviendo señales de igual amplitud, ligeramente diferentes en
frecuencia.
a) Utilizando un acoplador conecte dos señales senoidales de amplitud
similar, una de 10MHz, y otra de 10.1MHz
b) En el analizador presione Preset. Establezca la frecuencia central a
10MHz, la resolución de ancho de banda a 300kHz y Spam a 2 Mhz.
c) Cambie la resolución de ancho de banda a 100, 30, 10, 3 y 1kHz. Anote
sus observaciones
d) Establezca la resolución de ancho de banda a 100kHz. Cambie el ancho
de banda de video a 300, 100, 30, 10, 3, y 1 kHz. Anote sus
observaciones.
B) Resolviendo las señales de pequeña amplitud ocultas por las señales
de amplitud grande, ligeramente diferentes en frecuencia.
a) Utilizando un acoplador conecte dos señales: una de amplitud -20dBm
y 10 MHz y la otra amplitud -80 dBm y 10.155 MHz.
b) Use la señal de 10 MHz como la frecuencia central.
c) Coloque un indicador en la señal de amplitud pequeña.
d) Ajuste la resolución del ancho de banda a 1, 10, y 30 kHz. ¿Qué
observa?
Cuestionario
1. Para cada instrumento investiga los niveles máximos de entrada o salida
según sea el caso (voltaje y frecuencia). Investiga también las impedancias,
de entrada o salida, correspondientes.