Introducción al Spectrum Analyzer

Introducción al Spectrum Analyzer

TEEL 4203

Laboratorio Comunicaciones I

agosto 2014

Análisis de Señales Eléctricas

• Dominio del tiempo

• Dominio de frecuencia

• Dominio de modulación



• Dominio del tiempo1. Podemos observar voltaje o corriente vs.

tiempo.

2. Si la señal tiene muchos componentes de frecuencia, el análisis se dificulta.


• Dominio de frecuencia1. Es posible separar cada elemento de una señal

compleja.

2. Es posible detectar distorsión.


• Dominio de modulación1. Es posible observar cómo las frecuencias

cambian en función del tiempo.

2. La exactitud de la modulación puede ser analizada.

3. No detecta cambios en amplitud.

Tres Dominios para Analizar Señales

Dominio del tiempo vs. dominio de frecuencia

Representación de Señales

Tiempo Frecuencia

v(t) = sin(200 t) voltios

¿Qué es un “power spectrum”?

Un power spectrum es la distribución de potencia que tiene una señal o ruido en función de la frecuencia.

¿Por qué queremos analizar el espectro?

En muchas ocasiones, el dominio del tiempo es demasiado complejo para analizar. En cambio, el dominio de frecuencia nos muestra información muy valiosa que nos ayuda a analizar las señales o el ruido.

¿Qué es un Spectrum Analyzer?

Un spectrum analyzer es un voltímetro selectivo en frecuencia que responde a los picos de voltaje detectados en el ancho de banda observado y que está calibrado para mostrar los valores RMS de las señales sinusoidales observadas.

¿Cuál es la relación entre voltaje RMS y potencia?

Para un sinusoide de la forma

v(t) = A sin( t + )

VRMS =

Potencia promedio =

2

A

R

VRMS2


Tiempo Frecuencia

v(t) = sin(200 t) + sin(800 t) voltios


Tiempo Frecuencia

v(t) = 10 sin(200 t) + 5 sin(800 t) voltios


Tiempo Frecuencia


Tiempo Frecuencia

¿Qué dijo Fourier?

Toda señal periódica puede representarse con una serie de Fourier.

Si v(t) es una señal periódica con período T = 1/fo, entonces

v(t) = ao +

n

n1an cos 2 n fo t + bn sin 2 n fo t )

donde

ao = T1 T

dttv0

)(

an = T2 T

0v(t) cos (2 n fo t) dt

bn = T2 T

0v(t) sin (2 n fo t) dt

¿Qué hacemos si la señal no es periódica?

Si tomamos el límite según el período de la onda tiende a infinito, las sumatorias se convierten en integrales y la serie de Fourier se convierte en el integral de Fourier.

¿Podemos analizar el spectrum de cualquier señal?

Sí, utilizando un spectrum analyzer podemos analizar el spectrum de cualquier señal, no importa si ésta es periódica o no.

También podemos analizar el spectrum del ruido.

Tipos de Spectrum Analyzers

• Fourier transform

• Swept tuned

Fourier Transform Analyzer

1. Muestrea y digitaliza señal análoga.2. Utiliza el discrete Fourier transform para

representar la señal en el dominio de frecuencia.

3. Es como si observara el rango completo de frecuencias de la señal a través de un banco de filtros en paralelo, cada filtro sintonizado a una frecuencia distinta.

Ventajas del Fourier Transform Analyzer

• Mide magnitud y fase del espectro. El swept tuned spectrum analyzer tan sólo mide la magnitud del espectro.

• Puede calcular la transformada de un solo evento, como por ejemplo, un transient, lo que el swept tuned spectrum analyzer no puede hacer.

Limitaciones del Fourier Transform Analyzer

• No cubre el rango de frecuencias que es capaz de cubrir el swept tune spectrum analyzer.

• No tiene la sensitividad del swept tuned spectrum analyzer.

• No tiene el dynamic range del swept tuned spectrum analyzer.

Swept Tuned Spectrum Analyzer

• Es el método favorito para construir spectrum analyzers.

• Efectúa un barrido sobre la gama de frecuencias a analizar.

• Está basado en el concepto del superheterodino.


Podemos visualizarlo como un filtro pasa banda que se desplaza a lo largo de toda la gama de frecuencias bajo estudio.


Por ejemplo, si la señal de entrada es un carrier o sinusoide a 50 MHz, cuando el filtro pasabanda pase por los 50 MHz entonces será posible observar dicho carrier.

Componentes

• RF input attenuator• Low pass filter• Mixer• IF gain• IF filter

• Detector• Video filter • Local oscillator • Sweep generator• CRT display

RF Input Attenuator

Atenúa la señal de entrada al mixer.

Protege el circuito de entrada.

RF Input Attenuator

• Atenúa la señal de entrada.

• Para maximizar el signal to noise ratio debemos minizar la atenuación en la entrada.

• El spectrum analyzer compensa la atenuación aumentando la ganancia. Esto hace que la señal se mantenga en el mismo nivel pero que suba el noise floor.

Low Pass Filter

• El preselector o low pass filter tiene dos funciones:

1) Reducir el ruido en la entrada

2) Evitar que señales no deseadas

producidas por el mixer sean analizadas

por el spectrum analyzer

Mixer

El mixer traslada el RF input signal a una frecuencia intermedia o IF la cual el analizador puede identificar, filtrar y amplificar.

IF Filter

El IF filter es un filtro pasa banda que es utilizado como una ventana para detectar señales.

IF Filter

El ancho de banda del IF filter constituye el resolution bandwidth (RBW) el cual es definido por el usuario del instrumento, dentro de los límites del instrumento.

IF Filter

Al reducir el RBW mejoramos la selectividad. Esto es, podemos observar las dos frecuencias, aunque estén bien cerca una de otra.

Detector

El analizador convierte la señal de IF en una señal baseband o de video la cual puede ser mostrada en una pantalla.

Video Filter

Es un filtro pasa baja a la salida del envelope detector. Filtra y elimina ruido.

Efectos del Video Filter BW

RF Local Oscillator

El LO (local oscillator) es un VCO (voltage controlled oscillator) que sintoniza el analizador.

RF Local Oscillator

El sweep generator hace que la frecuencia del LO cambie en función de la rampa de voltaje.

IF Gain

Ajusta la posición vertical de las señales en la pantalla sin afectar el nivel de la señal a la entrada del mixer. Está acoplado al RF input attenuator.

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