Analizador de espectro - UTN 2010.pdf

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

UTN - Prof: Ing. Alejandro Henze – R5052

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Analizador de espectro para microondas 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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Analizador de espectro para microondas 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



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).

f LO - f in in

in

f LO + f in LO

LO

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: f FI = f LO – f in

Esta frecuencia de FI es fija, por lo tanto cuando en la entrada del analizador aparezca una señal cuya frecuencia fin es f LO-f FI, 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 f LOmin hasta un valor máximo de f LOmax. 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 f in en 0,5 GHz:


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Según la ecuación de sintonía: f FI = f LO – f in Para ver el espectro de frecuencias de 0 a 1,8 GHz, el LO deberá barrer entre 2 GHz y 3,8 GHz.

f in

1

0

2

(GHz

3

FI

mezclador

detector

Entrada 2,0

f FI

Barrido

L

f L 0

0

1

2

3

0,5

2 1 1,5 Pantalla (GHz

(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 f LOmin para que el rango de frecuencias del analizador parta de un valor cercano a cero.

f LO

f LO - f in

f LO + f in

f in

0

1

0

0,5 GHz

2

1,5 GHz

2 GHz

3

0,5

1

15

2

4

2,5 GHz


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En la siguiente figura la componente f LO esta prácticamente afuera de la banda de paso del filtro de FI, por lo que casi no se detecta tensión.

f LO

f LO - f in

f LO + f in

f in

0

1

0

2

3

0,5

1

15

2

4

1,7 GHz 2,2 GHz 2,7 GHz

0,5 GHz

En la siguiente figura la componente f LO – f in 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.

f LO

f LO - f in

f LO + f in

f in

0

1

0

0,5 GHz

2

3

0,5

1

15

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.

f LO

f LO - f in

f LO + f in

f in

1

0

2

0,5 GHz

3

4

3,5 GHz 4 GHz 4,5 GHz

0


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:

f in = f LO ± f FI


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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:

f central = f LO - f FI En el caso de medición a fullband posiciona la frecuencia central a f MAX / 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


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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Capítulo 3


Frecuencia Central

Reference Level

10 dB/div


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Capítulo 3


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


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


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


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


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


0

-20 ] c B d [ o d i u r / l a ñ e s n ó i c a l e R

Ruido interno con un RBW de 1 kHz

-40

-60

-80

-100 Ruido interno con un RBW de 100 Hz

-60

-30

0

+30

Pot. de entrada al mezclador [dBm]

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: ] c B d [ O D I U R / L A Ñ E S N Ó I C A L E R

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


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.


25

Capítulo 3


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

f

2f 1 – f 2

1

f 2

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).

0 ] c B d [ l a t n e m a d n u f a l a o t c e p s e r l e v i N

-20

Segundo Orden

-40

-60

-80

Tercer Orden

-100 -60

-30

0

+30

TOI Nivel de entrada del mezclador = Nivel de entrada – Atenuación [dBm] UTN - Prof: Ing. Alejandro Henze – R5052

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Capítulo 3


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

20 ] B d [ o c i m á n i d o g n a R

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


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

INCREMENTANDO LA ATENUACION O EL RBW

DISTORSION DE TERCER ORDEN

-45 dBm

DISTORSION DE SEGUNDO ORDEN

RANGO DE SEÑAL/RUIDO 105 dB 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


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


29

Capítulo 3


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


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


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


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


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 / ( RBW 2 . SWT ) Siendo: K= 1 produce un error del 10% (condición limite) K= 0,1 el error es despreciable


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Capítulo 3


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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Analizador de espectro - UTN 2010.pdf

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