Analizador de espectro - Spectrum analyzer

Un analizador de espectro de 2005
Un moderno analizador de espectro en tiempo real de 2019

Un analizador de espectro mide la magnitud de una señal de entrada en función de la frecuencia dentro del rango de frecuencia completo del instrumento. El uso principal es medir la potencia del espectro de señales conocidas y desconocidas. La señal de entrada que miden los analizadores de espectro más comunes es eléctrica; sin embargo, las composiciones espectrales de otras señales, como las ondas de presión acústica y las ondas de luz óptica, pueden considerarse mediante el uso de un transductor apropiado . También existen analizadores de espectro para otros tipos de señales, como los analizadores de espectro óptico que utilizan técnicas ópticas directas como un monocromador para realizar medidas.

Al analizar los espectros de las señales eléctricas, se pueden observar la frecuencia dominante, la potencia , la distorsión , los armónicos , el ancho de banda y otros componentes espectrales de una señal que no son fácilmente detectables en las formas de onda del dominio del tiempo . Estos parámetros son útiles en la caracterización de dispositivos electrónicos, como transmisores inalámbricos.

La pantalla de un analizador de espectro tiene la frecuencia en el eje horizontal y la amplitud se muestra en el eje vertical. Para el observador casual, un analizador de espectro parece un osciloscopio y, de hecho, algunos instrumentos de laboratorio pueden funcionar como un osciloscopio o un analizador de espectro.

Historia

Un analizador de espectro alrededor de 1970

Los primeros analizadores de espectro, en la década de 1960, fueron instrumentos de barrido.

Tras el descubrimiento de la transformada rápida de Fourier (FFT) en 1965, los primeros analizadores basados ​​en FFT se introdujeron en 1967.

En la actualidad, existen tres tipos básicos de analizadores: el analizador de espectro con ajuste de barrido, el analizador de señales vectoriales y el analizador de espectro en tiempo real.

Tipos

El PCB principal de un analizador de espectro de 20 GHz . Mostrando los filtros de PCB de línea de banda y la construcción de bloques modulares.

Los tipos de analizadores de espectro se distinguen por los métodos utilizados para obtener el espectro de una señal. Hay analizadores de espectro basados ​​en la transformación rápida de Fourier (FFT) sintonizados por barrido:

  • Un analizador de barrido sintonizado utiliza un receptor superheterodino para convertir una parte del espectro de la señal de entrada a la frecuencia central de un filtro de paso de banda estrecho , cuya potencia de salida instantánea se registra o se muestra en función del tiempo. Al barrer la frecuencia central del receptor (usando un oscilador controlado por voltaje ) a través de un rango de frecuencias, la salida también es una función de la frecuencia. Pero mientras que el barrido se centra en una frecuencia en particular, puede faltar eventos de corta duración en otras frecuencias.
  • Un analizador FFT calcula una secuencia de tiempo de periodogramas . FFT se refiere a un algoritmo matemático particular utilizado en el proceso. Esto se usa comúnmente junto con un receptor y un convertidor de analógico a digital . Como se indicó anteriormente, el receptor reduce la frecuencia central de una parte del espectro de la señal de entrada, pero la parte no se barre. El propósito del receptor es reducir la frecuencia de muestreo con la que debe lidiar el analizador. Con una frecuencia de muestreo suficientemente baja, los analizadores FFT pueden procesar todas las muestras ( ciclo de trabajo del 100% ) y, por lo tanto, pueden evitar perder eventos de corta duración.

Factor de forma

Los analizadores de espectro tienden a dividirse en cuatro factores de forma: de sobremesa, portátiles, de mano y en red.

Sobremesa

Este factor de forma es útil para aplicaciones en las que el analizador de espectro se puede conectar a la alimentación de CA, lo que generalmente significa en un entorno de laboratorio o en un área de producción / fabricación. Históricamente, los analizadores de espectro de sobremesa han ofrecido un mejor rendimiento y especificaciones que el factor de forma portátil o de mano. Los analizadores de espectro de sobremesa normalmente tienen varios ventiladores (con rejillas de ventilación asociadas) para disipar el calor producido por el procesador . Debido a su arquitectura, los analizadores de espectro de sobremesa suelen pesar más de 30 libras (14 kg). Algunos analizadores de espectro de banco que ofrecen opcionales paquetes de baterías , lo que les permite ser utilizados lejos de alimentación de CA . Este tipo de analizador a menudo se denomina analizador de espectro "portátil".

Portátil

Este factor de forma es útil para cualquier aplicación en la que el analizador de espectro deba llevarse al exterior para realizar mediciones o simplemente transportarse mientras está en uso. Los atributos que contribuyen a un analizador de espectro portátil útil incluyen:

  • Funcionamiento opcional con batería para permitir que el usuario se mueva libremente al exterior.
  • Pantalla claramente visible que permite leer la pantalla en condiciones de luz solar brillante, oscuridad o polvo.
  • Peso ligero (generalmente menos de 15 libras (6,8 kg)).

Mano

Analizador de espectro portátil.

Este factor de forma es útil para cualquier aplicación en la que el analizador de espectro deba ser muy ligero y pequeño. Los analizadores portátiles suelen ofrecer una capacidad limitada en relación con los sistemas más grandes. Los atributos que contribuyen a un analizador de espectro portátil útil incluyen:

  • Consumo de energía muy bajo.
  • Funcionamiento con pilas mientras está en el campo para permitir que el usuario se mueva libremente al exterior.
  • Tamaño muy pequeño
  • Peso ligero (generalmente menos de 2 libras (0,9 kg)).

En red

Este factor de forma no incluye una pantalla y estos dispositivos están diseñados para permitir una nueva clase de aplicaciones de análisis y monitoreo de espectro distribuidas geográficamente. El atributo clave es la capacidad de conectar el analizador a una red y monitorear dichos dispositivos a través de una red. Si bien muchos analizadores de espectro tienen un puerto Ethernet para el control, generalmente carecen de mecanismos eficientes de transferencia de datos y son demasiado voluminosos o costosos para implementarlos de manera tan distribuida. Las aplicaciones clave para tales dispositivos incluyen sistemas de detección de intrusión de RF para instalaciones seguras donde la señalización inalámbrica está prohibida. Además, los operadores de telefonía celular están utilizando estos analizadores para monitorear de forma remota la interferencia en bandas espectrales con licencia. La naturaleza distribuida de estos dispositivos permite la ubicación geográfica de los transmisores, la supervisión del espectro para el acceso dinámico al espectro y muchas otras aplicaciones similares.

Los atributos clave de tales dispositivos incluyen:

  • Transferencia de datos eficiente en la red
  • Bajo consumo de energía
  • La capacidad de sincronizar las capturas de datos a través de una red de analizadores.
  • Bajo costo para permitir la implementación masiva.

Teoría de operación

Esta animación muestra cómo el ancho de banda de resolución de un analizador de espectro sintonizado por barrido se ve afectado por el filtro de paso de banda de FI.  Tenga en cuenta que los filtros de ancho de banda más amplio no pueden resolver las dos frecuencias de espacio cercano y la alimentación de LO provoca la aparición de una señal de banda base.

Barrido sintonizado

Como se discutió anteriormente en tipos , un analizador de espectro sintonizado por barrido convierte una parte del espectro de la señal de entrada a la frecuencia central de un filtro de paso de banda barriendo el oscilador controlado por voltaje a través de un rango de frecuencias, lo que permite considerar el rango de frecuencia completo del instrumento.

El ancho de banda del filtro de paso de banda dicta el ancho de banda de resolución, que está relacionado con el ancho de banda mínimo detectable por el instrumento. Como lo demuestra la animación de la derecha, cuanto menor es el ancho de banda, mayor es la resolución espectral. Sin embargo, existe una compensación entre la rapidez con la que la pantalla puede actualizar el intervalo de frecuencia completo que se está considerando y la resolución de frecuencia, que es relevante para distinguir los componentes de frecuencia que están muy próximos entre sí. Para una arquitectura ajustada por barrido, esta relación para el tiempo de barrido es útil:

Donde ST es el tiempo de barrido en segundos, k es la constante de proporcionalidad, Span es el rango de frecuencia considerado en hercios y RBW es el ancho de banda de resolución en hercios. Sin embargo, un barrido demasiado rápido provoca una caída en la amplitud mostrada y un cambio en la frecuencia mostrada.

Además, la animación contiene espectros convertidos hacia arriba y hacia abajo, lo que se debe a que un mezclador de frecuencia produce frecuencias de suma y diferencia. La alimentación del oscilador local se debe al aislamiento imperfecto de la ruta de la señal de FI en el mezclador .

Para señales muy débiles, se utiliza un preamplificador , aunque la distorsión armónica y de intermodulación puede conducir a la creación de nuevos componentes de frecuencia que no estaban presentes en la señal original.

Gráfico 3D: espectro de RF de 600 segundos a lo largo del tiempo desde un cargador de batería

Basado en FFT

Con un analizador de espectro basado en FFT, la resolución de frecuencia es la inversa del tiempo T durante el cual se mide la forma de onda y se transforma de Fourier.

Con el análisis de transformada de Fourier en un analizador de espectro digital, es necesario muestrear la señal de entrada con una frecuencia de muestreo que sea al menos el doble del ancho de banda de la señal, debido al límite de Nyquist . Una transformada de Fourier producirá entonces un espectro que contiene todas las frecuencias de cero a . Esto puede imponer exigencias considerables al convertidor analógico a digital y la potencia de procesamiento necesarios para la transformada de Fourier, lo que hace que los analizadores de espectro basados ​​en FFT estén limitados en el rango de frecuencia.

Espectro de frecuencia del período de calentamiento de una fuente de alimentación conmutada (espectro ensanchado) incl. espectrograma durante unos minutos

Superheterodino híbrido-FFT

Dado que los analizadores basados ​​en FFT solo pueden considerar bandas estrechas, una técnica es combinar el análisis de barrido y FFT para considerar tramos anchos y estrechos. Esta técnica permite un tiempo de barrido más rápido.

Este método es posible convirtiendo primero la señal, luego digitalizando la frecuencia intermedia y usando técnicas superheterodinas o FFT para adquirir el espectro.

Uno de los beneficios de digitalizar la frecuencia intermedia es la capacidad de utilizar filtros digitales , que tienen una serie de ventajas sobre los filtros analógicos, como factores de forma casi perfectos y un mejor tiempo de asentamiento del filtro. Además, para la consideración de tramos estrechos, la FFT se puede utilizar para aumentar el tiempo de barrido sin distorsionar el espectro mostrado.

Ilustración que muestra el tiempo ciego del analizador de espectro

FFT en tiempo real

Un analizador de espectro en tiempo real no tiene tiempo ciego, hasta un intervalo máximo, a menudo llamado "ancho de banda en tiempo real". El analizador puede muestrear el espectro de RF entrante en el dominio del tiempo y convertir la información al dominio de la frecuencia utilizando el proceso FFT. Las FFT se procesan en paralelo, sin espacios y se superponen, por lo que no hay espacios en el espectro de RF calculado y no se pierde información.

En línea en tiempo real y fuera de línea en tiempo real

En cierto sentido, cualquier analizador de espectro que tenga capacidad de analizador de señales vectoriales es un analizador en tiempo real. Muestra datos lo suficientemente rápido para satisfacer el teorema de muestreo de Nyquist y almacena los datos en la memoria para su posterior procesamiento. Este tipo de analizador es solo en tiempo real para la cantidad de datos / tiempo de captura que puede almacenar en la memoria y aún produce brechas en el espectro y resultados durante el tiempo de procesamiento.

Superposición de FFT

Minimizar la distorsión de la información es importante en todos los analizadores de espectro. El proceso FFT aplica técnicas de ventana para mejorar el espectro de salida debido a que produce menos lóbulos laterales. El efecto de la creación de ventanas también puede reducir el nivel de una señal donde se captura en el límite entre una FFT y la siguiente. Por esta razón, las FFT en un analizador de espectro en tiempo real se superponen. La tasa de superposición es aproximadamente del 80%. Un analizador que utiliza un proceso FFT de 1024 puntos reutilizará aproximadamente 819 muestras del proceso FFT anterior.

Tiempo mínimo de detección de señal

Esto está relacionado con la frecuencia de muestreo del analizador y la frecuencia de FFT . También es importante que el analizador de espectro en tiempo real proporcione una buena precisión de nivel.

Ejemplo: para un analizador con 40 MHz de ancho de banda en tiempo real (el intervalo de RF máximo que se puede procesar en tiempo real ) se necesitan aproximadamente 50 Mmuestra / segundo (complejo). Si el analizador de espectro produce 250 000 FFT / s, se produce un cálculo de FFT cada 4 μs. Para una FFT de 1024 puntos , se produce un espectro completo de 1024 x (1/50 x 10 6 ), aproximadamente cada 20 μs. Esto también nos da nuestra tasa de superposición del 80% (20 μs - 4 μs) / 20 μs = 80%.

Comparación entre las pantallas Swept Max Hold y Realtime Persistence
Persistencia

Los analizadores de espectro en tiempo real pueden producir mucha más información para que los usuarios examinen el espectro de frecuencias con más detalle. Un analizador de espectro de barrido normal produciría pantallas de pico máximo, pico mínimo, por ejemplo, pero un analizador de espectro en tiempo real puede trazar todas las FFT calculadas durante un período de tiempo dado con la codificación de colores agregada que representa la frecuencia con la que aparece una señal. Por ejemplo, esta imagen muestra la diferencia entre cómo se muestra un espectro en una vista de espectro de barrido normal y el uso de una vista de "Persistencia" en un analizador de espectro en tiempo real.

Señal de Bluetooth oculta detrás de la señal de LAN inalámbrica
Señales ocultas

Los analizadores de espectro en tiempo real pueden ver señales ocultas detrás de otras señales. Esto es posible porque no se pierde información y la pantalla para el usuario es el resultado de los cálculos de FFT. Un ejemplo de esto se puede ver a la derecha.

Funcionalidad típica

Frecuencia central y alcance

En un analizador de espectro típico hay opciones para establecer la frecuencia de inicio, parada y central. La frecuencia a medio camino entre las frecuencias de inicio y finalización en una pantalla de analizador de espectro se conoce como frecuencia central . Esta es la frecuencia que se encuentra en el medio del eje de frecuencia de la pantalla. Span especifica el rango entre las frecuencias de inicio y finalización. Estos dos parámetros permiten el ajuste de la pantalla dentro del rango de frecuencia del instrumento para mejorar la visibilidad del espectro medido.

Ancho de banda de resolución

Como se discutió en la sección de operación , el filtro de ancho de banda de resolución o filtro RBW es el filtro de paso de banda en la ruta de FI . Es el ancho de banda de la cadena de RF antes del detector (dispositivo de medición de potencia). Determina el piso de ruido de RF y qué tan cerca pueden estar dos señales y aún ser resueltas por el analizador en dos picos separados. El ajuste del ancho de banda de este filtro permite la discriminación de señales con componentes de frecuencia poco espaciados, al tiempo que cambia el piso de ruido medido. Disminuir el ancho de banda de un filtro RBW disminuye el piso de ruido medido y viceversa. Esto se debe a que los filtros RBW más altos pasan más componentes de frecuencia a través del detector de envolvente que los filtros RBW de menor ancho de banda, por lo tanto, un RBW más alto provoca un piso de ruido medido más alto.

Ancho de banda de video

El filtro de ancho de banda de video o filtro VBW es el filtro de paso bajo directamente después del detector de envolvente . Es el ancho de banda de la cadena de señales después del detector. La detección de promedios o picos se refiere a cómo la parte de almacenamiento digital del dispositivo registra las muestras: toma varias muestras por paso de tiempo y almacena solo una muestra, ya sea el promedio de las muestras o la más alta. El ancho de banda de video determina la capacidad de discriminar entre dos niveles de potencia diferentes. Esto se debe a que un VBW más estrecho eliminará el ruido en la salida del detector. Este filtro se utiliza para "suavizar" la pantalla eliminando el ruido de la envolvente. Similar al RBW, el VBW afecta el tiempo de barrido de la pantalla si el VBW es menor que el RBW. Si VBW es menor que RBW, esta relación para el tiempo de barrido es útil:

Aquí t sweep es el tiempo de barrido, k es una constante de proporcionalidad adimensional, f 2  - f 1 es el rango de frecuencia del barrido, RBW es el ancho de banda de resolución y VBW es el ancho de banda de video.

Detector

Con la llegada de las pantallas digitales, algunos analizadores de espectro modernos utilizan convertidores de analógico a digital para muestrear la amplitud del espectro después del filtro VBW. Dado que las pantallas tienen un número discreto de puntos, el intervalo de frecuencia medido también se digitaliza. Los detectores se utilizan en un intento de asignar adecuadamente la potencia de la señal correcta al punto de frecuencia apropiado en la pantalla. En general, hay tres tipos de detectores: muestra, pico y promedio.

  • Detección de muestras: la detección de muestras simplemente utiliza el punto medio de un intervalo dado como valor del punto de visualización. Si bien este método representa bien el ruido aleatorio, no siempre captura todas las señales sinusoidales.
  • Detección de picos: la detección de picos utiliza el punto máximo medido dentro de un intervalo dado como valor del punto de visualización. Esto asegura que la máxima sinusoide se mida dentro del intervalo; sin embargo, es posible que no se midan las sinusoides más pequeñas dentro del intervalo. Además, la detección de picos no ofrece una buena representación del ruido aleatorio.
  • Detección promedio: la detección promedio utiliza todos los puntos de datos dentro del intervalo para considerar el valor del punto de visualización. Esto se hace promediando la potencia ( rms ), promediando el voltaje o promediando la potencia logarítmica.

Nivel de ruido medio mostrado

El nivel de ruido promedio mostrado (DANL) es exactamente lo que dice: el nivel de ruido promedio que se muestra en el analizador. Esto puede ser con un ancho de banda de resolución específico (por ejemplo, −120 dBm a 1 kHz RBW) o normalizado a 1 Hz (normalmente en dBm / Hz), por ejemplo, −170 dBm (Hz). Esto también se denomina sensibilidad del analizador de espectro. . Si se alimenta un nivel de señal igual al nivel de ruido medio, habrá una pantalla de 3 dB. Para aumentar la sensibilidad del analizador de espectro, se puede conectar un preamplificador con menor factor de ruido a la entrada del analizador de espectro. co

Usos de radiofrecuencia

Los analizadores de espectro son ampliamente utilizados para medir las de respuesta de frecuencia , ruido y distorsión características de todo tipo de radiofrecuencia circuitos (RF), mediante la comparación de los espectros de entrada y salida. Por ejemplo, en mezcladores de RF, el analizador de espectro se usa para encontrar los niveles de productos de intermodulación de tercer orden y la pérdida de conversión. En los osciladores de RF, el analizador de espectro se utiliza para encontrar los niveles de diferentes armónicos.

En telecomunicaciones , los analizadores de espectro se utilizan para determinar el ancho de banda ocupado y rastrear las fuentes de interferencia. Por ejemplo, los planificadores celulares utilizan este equipo para determinar las fuentes de interferencia en las bandas de frecuencia GSM y las bandas de frecuencia UMTS .

En las pruebas de EMC , se utiliza un analizador de espectro para las pruebas básicas de cumplimiento previo; sin embargo, no se puede utilizar para realizar pruebas y certificaciones completas. En su lugar, se utiliza un receptor EMI.

Se utiliza un analizador de espectro para determinar si un transmisor inalámbrico funciona de acuerdo con los estándares definidos para la pureza de las emisiones. Las señales de salida en frecuencias distintas a la frecuencia de comunicaciones prevista aparecen como líneas verticales (pips) en la pantalla. También se utiliza un analizador de espectro para determinar, mediante observación directa, el ancho de banda de una señal digital o analógica.

Una interfaz de analizador de espectro es un dispositivo que se conecta a un receptor inalámbrico o una computadora personal para permitir la detección visual y el análisis de señales electromagnéticas en una banda definida de frecuencias. Esto se denomina recepción panorámica y se utiliza para determinar las frecuencias de las fuentes de interferencia a los equipos de redes inalámbricas, como Wi-Fi y enrutadores inalámbricos.

Los analizadores de espectro también se pueden utilizar para evaluar el blindaje de RF. El blindaje de RF es de particular importancia para la ubicación de una máquina de formación de imágenes por resonancia magnética, ya que los campos de RF perdidos darían como resultado artefactos en una imagen de RM.

Usos de audiofrecuencia

El análisis de espectro se puede utilizar en frecuencias de audio para analizar los armónicos de una señal de audio. Una aplicación típica es medir la distorsión de una señal de onda sinusoidal nominal ; Se utiliza una onda sinusoidal de muy baja distorsión como entrada al equipo bajo prueba, y un analizador de espectro puede examinar la salida, que tendrá productos de distorsión añadidos, y determinar el porcentaje de distorsión en cada armónico de la fundamental. Dichos analizadores se describieron en un momento como "analizadores de ondas". El análisis puede llevarse a cabo mediante una computadora digital de uso general con una tarjeta de sonido seleccionada para un rendimiento adecuado y el software apropiado. En lugar de utilizar una onda sinusoidal de baja distorsión, la entrada puede restarse de la salida, atenuarse y corregirse en fase, para dar solo la distorsión y el ruido adicionales, que se pueden analizar.

Una técnica alternativa, la medición de la distorsión armónica total , cancela la fundamental con un filtro de muesca y mide la señal restante total, que es la distorsión armónica total más ruido; no da el detalle armónico por armónico de un analizador.

Los ingenieros de audio también utilizan analizadores de espectro para evaluar su trabajo. En estas aplicaciones, el analizador de espectro mostrará los niveles de volumen de las bandas de frecuencia en el rango típico de audición humana , en lugar de mostrar una onda. En aplicaciones de sonido en vivo, los ingenieros pueden usarlas para identificar comentarios .

Analizador de espectro óptico

Un analizador de espectro óptico utiliza técnicas reflectantes o refractivas para separar las longitudes de onda de la luz. Se utiliza un detector electroóptico para medir la intensidad de la luz, que luego normalmente se muestra en una pantalla de manera similar a un analizador de espectro de radiofrecuencia o audiofrecuencia.

La entrada a un analizador de espectro óptico puede ser simplemente a través de una abertura en la caja del instrumento, una fibra óptica o un conector óptico al que se puede conectar un cable de fibra óptica.

Existen diferentes técnicas para separar las longitudes de onda. Un método consiste en utilizar un monocromador , por ejemplo un diseño Czerny-Turner, con un detector óptico colocado en la ranura de salida. A medida que la rejilla del monocromador se mueve, el detector "ve" bandas de diferentes frecuencias (colores) y la señal resultante se puede representar en una pantalla. Se pueden realizar mediciones más precisas (hasta MHz en el espectro óptico) con un interferómetro de barrido Fabry-Pérot junto con una electrónica de control analógica o digital, que barre la frecuencia resonante de una cavidad ópticamente resonante usando una rampa de voltaje al motor piezoeléctrico que varía la distancia entre dos espejos altamente reflectantes. Un fotodiodo sensible incrustado en la cavidad proporciona una señal de intensidad, que se traza contra la rampa de voltaje para producir una representación visual del espectro de potencia óptica.

La respuesta de frecuencia de los analizadores de espectro óptico tiende a ser relativamente limitada, por ejemplo, 800-1600 nm (infrarrojo cercano), según el propósito previsto, aunque se dispone de instrumentos de uso general (algo) de ancho de banda más amplio.

Analizador de espectro de vibraciones

Un analizador de espectro de vibraciones permite analizar amplitudes de vibración en varias frecuencias de componentes. De esta manera, se pueden identificar y rastrear las vibraciones que ocurren en frecuencias específicas. Dado que los problemas particulares de la maquinaria generan vibraciones a frecuencias específicas, las fallas de la maquinaria pueden detectarse o diagnosticarse. Los analizadores de espectro de vibraciones utilizan la señal de diferentes tipos de sensores, como: acelerómetros , transductores de velocidad y sensores de proximidad . El uso de un analizador de espectro de vibraciones en el monitoreo del estado de la máquina permite detectar e identificar fallas de la máquina como: desequilibrio del rotor, desalineación del eje, holgura mecánica, defectos de los rodamientos, entre otros. El análisis de vibraciones también se puede utilizar en estructuras para identificar resonancias estructurales o para realizar análisis modales.

Ver también

Referencias

Notas al pie

enlaces externos

  • Sri Welaratna, " [1] ", Sound and Vibration (enero de 1997, número del 30 aniversario). Una revisión histórica de los dispositivos analizadores de espectro de hardware.