UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y COMUNICACIONES LABORATORIO DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA PRACTICA I: “ANÁLISIS ESPECTRAL DE SEÑALES” Prof.: Daniel Hernández Estudiante: Roy Rojas C.I.: 24.466.299 Grupo: 1 Naguanagua, mayo de 2018 ANALIZADOR DE ESPECTRO El analizador de espectro RF es un receptor heterodino, que se utiliza para observar y medir el nivel de la potencia así como la frecuencia de las componentes espectrales de las señales en una porción del espectro electromagnético. Tiene la capacidad de ofrecer una pequeña resolución en un amplio rango de frecuencias. Es fabricados para mostrar señales que pueden estar entre los 5Hz hasta 100GHz, según el modelo. Descripción de la práctica En la práctica que se llevó acabo en el laboratorio de la escuela de Telecomunicaciones se hizo uso de varios equipos con el fin de proceder analizar las distintas señales a estudiar. 1) Se hizo uso de la Red Pitaya configurada con la computadora para así ser usada como generador de señales. 2) Primero se configuró para generar una señal sinusoidal con una frecuencia y amplitud determinada, luego de configurada se conectó una salida de la Red Pitaya al Analizador de Espectro “Anritsu Site Master S332B” para de esta forma lograr visualizar y caracterizar de forma espectral dicha señal y de esta forma determinar sus respectivos armónicos. 3) Luego se configuró la Red Pitaya para generar una señal triangular y ésta también fue visualizado su espectro en el Analizador de Espectro usado anteriormente y determinadas sus armónicos a la frecuencia colocada. 4) Así mismo se procedió a configurar la Red Pitaya para generar una señal cuadrara, la cual también fue analizada en el Analizador de Espectro empleado anteriormente y determinada sus armónicos a la frecuencia elegida en la señal generada. 5) Luego fue localizado cada armónico con el objetivo de calcular el THD (Total Harmonic Distortion) para cada señal generada. Y posteriormente comparar el nivel de distorsión causado por los armónicos de cada señal comparado con una señal senoidal pura. 6) Se intentó usar la red Pitaya para generar una señal AM, pero debido a ciertas dificultades se decidió usar el Generador de Señal “HP8647A” junto con el Analizador de Espectro “Hewlett Packard modelo 8591E” para poder analizar dicha señal. 7) Luego se hizo el intento de visualizar el espectro de los diferentes canales utilizados para la comunicación móvil celular pero por ciertos conflictos no se logró finalizar este apartado. 8) Finalmente, por falta de tiempo y diversos conflictos, no se logró Caracterizar el espectro de las emisoras de radio en la banda de FM, el espectro de un canal de televisión ni el espectro de la señal radiada por un Walkie-Talkie en los diferentes canales. Análisis de Resultados Espectro de una señal senoidal Se procedió a configurar la Red Pitaya para generar una señal senoidal de Amplitud = 1Vpp y frecuencia = 1MHz tal como ilustra a continuación: Al conectar la salida de la Red Pitaya al Analizador de Espectro, este se configuró con un SPAN = 0.6MHz, CENTER = 1MHz. Debido a la poca apreciación del espectro se decidió modificar el Analizador de Espectro con un SPAN = 2MHz y RBW = 30kHz. Con la cual se visualizó lo siguiente: Donde F1=1Mhz con P1=3.2dBm, siendo esta la frecuencia fundamental de la señal. Y F2=2Mhz con P2=-39dBm, siendo este el armónico de la frecuencia determinada. Espectro de una señal cuadrada En segundo lugar se procedió a configurar la red Pitaya para generar una señal cuadrada con frecuencia = 1Mhz y Amplitud = 1Vpp. Al conectarla con el Analizador de Espectro, para una mejor apreciación del espectro se configuró dicho Analizador de Espectro con START = 1MHz, STOP = 7MHz y RBW = 30kHz, con lo cual pudimos visualizar los siguientes armónicos en la pantalla: Donde F1=1Mhz con P1=5.1dBm, siendo esta la frecuencia fundamental, F2=2MHz con P2=-32.7dBm, F3=3Mhz con P3=-7.2dBm, F4=4MHz con P4=37.8dBm, F5=5MHz con P5=-8.3dBm, siendo todos estos los armónicos a la frecuencia determinada. Espectro de una señal triangular En tercer lugar, se procedió a configurar la Red Pitaya para generar una señal triangular de Amplitud = 1Vpp y frecuencia = 1MHz. Al conectarla con el Analizador de Espectro, para una mejor apreciación del espectro se configuró dicho Analizador de Espectro con START = 1MHz, STOP = 7MHz y RBW = 30kHz, con lo cual pudimos visualizar los siguientes armónicos en la pantalla: Donde F1 = 1MHz con P1 = 1.3dBm, siendo esta la frecuencia fundamental, F2=2MHz con P2 = -40.7dBm, F3 = 3MHz con P3 = -20.8dBm, para F4 = 4MHz no se muestra armónico, F5 = 5Mhz con P5 = -26.0dBm, F6 = 6Mhz con P6 = -62.0dBm; siendo todos estos armónicos de la frecuencia determinada. En ambas Señales, cuadrada y triangular, se pudo notar que los armónicos impares son de mayor potencia que los armónicos pares, donde en teoría se puede demostrar por método de Fourier que solo los armónicos impares toman valores mientras que los pares se hacen cero. Cálculo y comparación de THD en cada señal Para el cálculo del THD con el Analizador de Espectro se usó la siguiente formula: 𝑇𝐻𝐷% = √𝐷22 + 𝐷32 + ⋯ + 𝐷𝑛2 𝑥 100% Donde 𝐷𝑖 = 𝑉𝑖 𝑉1 ∀𝑖 ∈ 1,2,3, … , 𝑛 Para hallar los 𝑉𝑖 se empleó la siguiente formula: 𝑃(𝑑𝐵𝑚) = 10 log 𝑃(𝑚𝑊) 1𝑚𝑊 Donde simplificando nos queda: 𝑉2 𝑚𝑊 𝑃(𝑑𝐵𝑚) = 10 log ( 1000) 𝑍 1𝑚𝑊 Siendo z = 50Ω (Impedancia de entrada del Analizador de Espectro) Luego, 𝑃(𝑑𝐵𝑚) = 10 log(20𝑉 2 ) Y finalmente, 𝑃(𝑑𝐵𝑚) 20 𝑉 = 223.6𝑥10 (𝑚𝑉) A continuación se muestra en la siguiente tabla todos los valores hallados con las potencias en dBm determinadas en el analizador de Espectro para cada señal y sus respectivos valores en potenciales (Voltios): Señal Senoidal 𝑉𝑛 𝑉1 n 𝑃𝑛 (𝑑𝐵𝑚) 𝑉𝑛 (𝑣) 1 3.2 0.32 1 2 -39 2.5x10-3 7.84x10-3 𝐷𝑛 = 𝑇𝐻𝐷% = √𝐷22 + 𝐷32 + ⋯ + 𝐷𝑛2 𝑥 100% 𝑇𝐻𝐷% = √(7.84x10−3 )2 𝑥 100% 𝑇𝐻𝐷% = 0.784% Señal Cuadrada 𝑉𝑛 𝑉1 n 𝑃𝑛 (𝑑𝐵𝑚) 𝑉𝑛 (𝑣) 1 5.1 0.40 1 2 -32.7 5.18x10-3 0.01 3 -7.2 0.09 0.24 4 -37.8 5 -8.3 𝐷𝑛 = 2.88x10-3 7.20x10-3 0.085 0.21 𝑇𝐻𝐷% = √𝐷22 + 𝐷32 + ⋯ + 𝐷𝑛2 𝑥 100% 𝑇𝐻𝐷% = √(0.01)2 + (0.24)2 + (7.20x10−3 )2 + (0.21)2 𝑥 100% 𝑇𝐻𝐷% = 31.91% Señal Triangular 𝑉𝑛 𝑉1 n 𝑃𝑛 (𝑑𝐵𝑚) 𝑉𝑛 (𝑣) 1 1.3 0.26 2 -40.7 3 -20.8 0.02 0.07 4 - - - 5 -26 0.01 0.04 6 -62 𝐷𝑛 = 1 2.06x10-3 7.93x10-3 1.77x10-4 6.83x10-4 𝑇𝐻𝐷% = √𝐷22 + 𝐷32 + ⋯ + 𝐷𝑛2 𝑥 100% 𝑇𝐻𝐷% = √(7.93x10−3 )2 + (0.07)2 + (0.04)2 + (6.83x10−4 )2 𝑥 100% 𝑇𝐻𝐷% = 8.10% Se puede notar que los armónicos pares en la señal cuadrada y triangular son de muy baja potencia, incluso en la frecuencia F 4 de la señal triangular no se muestra armónico, por lo tanto se pueden despreciar para el cálculo del THD. Comparando el THD calculado para cada señal se puede notar que el de mayor porcentaje fue la de la señal cuadrada, esto es debido a la mayor cantidad de armónicos que posee y de mayor potencia. Era de suponer que el THD de la señal senoidal diera con menor porcentaje, puesto que solo posee un armónico. Espectro de las emisoras de radio en la banda de AM Ya conociendo que la banda AM opera a unas frecuencias de 535 – 1500 kHz y posee un Ancho de Banda = 10kHz, para este apartado se decidió usar el generador de señal HP8647A con una Portadora de Frecuencia= 500kHz y Amplitud = 4dBm, y una señal moduladora de Frecuencia = 1kHz ya que la Portadora debe tener mayor Frecuencia que la moduladora, y con un índice de modulación = 50%; todo ello con el fin de observar el efecto producido por esta modulación en el espectro. Se conectó el generador de señal al Analizador de Espectro “Hewlett Packard modelo 8591E” con el fin de visualizar el Espectro en la banda AM. Para ello, se configuró el Analizador de Espectro con SPAN = 10kHz y CENTER = 500kHz. Y finalmente se logró observar en pantalla lo siguiente: Donde F0 = 499.998kHz con P0= -102.56dBm, siendo esta la frecuencia de la Portadora, F1 = 501.0112kHz con P1 = -114.87 dBm y F2 = 499.0112kHz con P1 = -114.8dBm, las suma y diferencia de la portadora con la moduladora respectivamente, es decir, F1 = FPortadora+FModuladora y F2 = FPortadora-FModuladora, lo cual es la operación que realiza la AM. Debido a la poca potencia de la señal generada y al ruido que se visualiza en la pantalla del Analizador de Espectro, se puede notar con poca apreciación sus componentes espectrales. Espectro de los diferentes canales utilizados para la comunicación móvil celular En este apartado, no se logró realizar el estudio deseado debido a diversos factores que impidieron llevarlo a cabo, sin embargo, conociendo las frecuencias en las que operan algunas redes móviles como la frecuencia de 850MHz para Movistar 2G y 900MHz para Digitel, se hizo el intento de visualizar en el Analizador de Espectro “Anritsu Site Master S332B” configurado con SPAN = 20MHz, CENTER = 875MHz y Ref. Level = -50dBm, el espectro para la señal de Digitel, con lo cual se obtuvo en pantalla la siguiente imagen: Donde F1 = 869.261MHz con M1 = -82.4dBm, F2 = 873.622MHz con M2 = -74.5dBm, F3 = 873.221MHz con M3 = -68.6dBm, F4 = 872.619MHz con M4 = -71.6dBm, siendo todos estos los valores de cada marcador del Analizador de Espectro. En la segunda semana de laboratorio solo se llegó a realizar esta actividad, sin embargo se discutió también sobre las diferentes frecuencias en las que opera un canal de televisión, su ancho de banda, así como también las de las emisoras de radio de AM y FM. Donde concluimos que: Para AM: 535 – 1500 kHz, Ancho de Banda = 10kHz Para FM: 88 – 108 MHz, Ancho de Banda = 200kHz Para Celular: 850MHz (Movistar); 900MHz (Digitel) Para Televisión: 54 – 88 MHz , con Ancho de Banda = 6MHz Conclusión Se pudo demostrar y comparar tres señales generadas con la Red Pitaya, las cuales fueron, la señal senoidal, la señal cuadrada y la señal triangular, donde se determinó los distintos armónicos pertenecientes a cada señal para posteriormente calcular el THD de cada una y de esta manera poder notar cual posee mayor porcentaje de Distorsión, donde se pudo verificar que la señal cuadrada fue la que obtuvo este mayor porcentaje debido a la mayor cantidad de armónicos que posee con parada con las otras dos señales analizadas en el Analizador de Espectro. También se mostró el espectro de una señal modulada en AM la cual fue generada desde el generador de señal HP8647A y visualizado dicho espectro en el analizador de Espectro “Hewlett Packard modelo 8591E”, en donde pudimos observar efectivamente el efecto en frecuencia que causa este tipo de modulación, donde se muestra que aparecen dos frecuencias al lado de la frecuencia de la portadora, las cuales llamamos F1 y F2, siendo estas F1 = FPortadora+FModuladora y F2 = FPortadora-FModuladora. Finalmente, se intento visualizar el espectro de una señal móvil de Digitel, mas sin embargo no se pudo realizar el análisis requerido para la práctica como ya se explicó anteriormente.
