FUNDACIÓN UNIVERSITARIA MANUELA BELTRAN FACULTAD DE INGENIERÍAS PROGRAMA INGENIERÍA ELECTRÓNICA EL ANALIZADOR DE ESPECTROS – COMPOSICION ARMONICA DE UNA SEÑAL
IVAN DARIO ROJAS Cod 80233612
[email protected] DIEGO FERNANDO RAMIREZ Cod
[email protected] BENICIO BERNAL CAMACHO Cod 79131226
[email protected] Septiembre 2010 Se analizará una onda cuadrada, primero como onda unipolar NRZ y luego como onda polar NRZ. Este tipo de onda conocida como “la peor secuencia binaria posible”, le permitirá al estudiante analizar su riquísima composición espectral haciendo uso del Analizador de Espectros. Se medirán las potencias contenidas en cada uno de los enésimos armónicos contenidos en la señal. En el desarrollo de estas mediciones, el alumno irá mostrando destrezas en el manejo del Analizador. OBJETIVOS
1. Afianzarse en el manejo del analizador de espectros. 2. Estar en condiciones de descomponer una señal de onda cuadrada en sus armónicos sinusoidales fundaméntales, utilizando un analizador de espectros.
MARCO TEÓRICO EL ANALIZADOR SUPERHETERODINO En un Analizador Superheterodino el barrido se realiza mediante el control electrónico de la frecuencia de un oscilador local que alimenta una etapa de mezclado ( mixer ). La señal de diente de sierra se utiliza
simultáneamente para el barrido horizontal y para controlar esta frecuencia. De esta manera, a medida que aumenta el voltaje de esta onda el mezclador se sintoniza para frecuencias de entrada cada vez mas altas y al mismo tiempo la traza en la pantalla se desplaza de izquierda a derecha, generándose así la representación del espectro. En ausencia de señal, la traza es esencialmente una línea recta contaminada por ruido que recibe el nombre de línea de base. A la salida del mixer se obtienen, entre otros, dos componentes en frecuencia de valores iguales a la suma y la diferencia de las dos frecuencias de entrada del mixer, la de la señal y la del oscilador local. Cualquiera de estas dos componentes podría servir, en principio, para obtener una frecuencia intermedia arbitraria. Sin embargo, en la práctica la frecuencia intermedia no puede ser cualquiera, sino que debe seleccionarse para que no se encuentre dentro de la banda en la que debe medir el analizador. Veamos por que: Consideremos que el analizador ( ESAL E4411 ) debe medir señales en la banda de 9Khz a 1.5 Ghz y se elige una frecuencia intermedia de 1 Ghz. Si a la entrada del instrumento hubiera una señal de 1 Ghz, ésta produciría en el
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bloque de mezclado una salida a 1 Ghz debido a que a la salida del mezclador también se obtienen armónicos a las frecuencias de entrada. En estas circunstancias se obtendría una salida constante e independiente del barrido horizontal, lo que impediría realizar la medida. Este efecto recibe el nombre de IF feedthrough y para evitarlo es necesario que el filtro pasabajo previo a la etapa de mezclado elimine señales de entrada con frecuencia igual a la intermedia. Una vez elegida la frecuencia intermedia, puede seleccionarse apropiadamente la banda de operación del oscilador local para obtener el barrido deseado. Si en nuestro caso se elige como frecuencia intermedia 3.6Ghz, entonces puede cubrirse toda la banda de frecuencias de interés con un oscilador local que suministre señal entre 3.6 Ghz + 9 Khz y 3.6 Ghz + 1.5 Ghz. Utilizando frecuencias de microondas es posible diseñar con facilidad componentes con anchos de banda muy elevados, pero también es difícil diseñar componentes con anchos de banda muy estrechos. Debido a este problema , la utilización de frecuencias del orden de 1 Ghz en la etapa final de mezclado no permite obtener elevadas resoluciones en frecuencia. El detector que hay a la salida del amplificador integra en un único nivel de señal todas las componentes en frecuencia que pasan por el filtro de frecuencia intermedia. Por tanto, para que el resultado obtenido en la pantalla sea similar al espectro de la señal, es necesario que el filtro tenga un ancho mucho más estrecho que el espectro de la señal a medir. Consecuentemente, es habitual incluir en los analizadores de espectros distintas etapas de mezclado, típicamente de dos
a cuatro, que disminuyen progresivamente la frecuencia intermedia hasta valores del orden de 12 mhz. A estas frecuencias es más fácil implementar filtros muy selectivos. El filtro de frecuencia intermedia mas baja será lógicamente el que establezca la resolución del instrumento. Un analizador de espectros típico ofrece resoluciones del orden de 50 Khz. No obstante, en la actualidad existen analizadores de espectros que ofrecen resoluciones del orden de 10 Hz. Estas Resoluciones se consiguen con la ayuda de filtros digitales.
IMPLEMENTOS UTILIZADOS
Generador de Funciones Analizador Espectral Osciloscopio Conectores BNC-BNC T coaxiales
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PROCEDIMIENTO Y RESULTADOS
Arm Frecue onic ncia a Khz
DATOS DEL ANALIZADOR Logarítmico Lineal
Pdbm
P(mv)
Fo
100
6.24
4.20
3 fo
300
-3.417
455.3
5 fo
500
-7.76
167.4
7 fo
700
-10.67
85.8
Vdb v 53.2 3 43.5 7 39.2 3 36.3 3
Vrms 458.7 150.9 91.4 65.5
Fig 1. Resultados con el analizador de espectros Pdbm
20 log (458.7mV+13.01)=6.24dbm 20 log (150.9mV+13.01)=-3.41dbm 20 log (91.4mV+13.01)=-7.77bm 20 log (65.5mV+13.01)=-10.66dbm
Vrms
Sume las potencias de las armónicas calculadas para encontrar la potencia total en mw y después conviértala a dbm P(mv)=4.20*10^-3+455*10^-6+166*10^6+85.9*10^-6 P(mv)= 4.90mW 10*log (mw)= -23.09 dbm VALORES CALCULADOS Logarítmico Pdbm 6.24 -3.41 -7.77 -10.66
P(mv) 4.20 455 116 859
Lineal Vdbv 53.2 43.5 39.4 36.32
Vrms 458 151 91.4 65.53
Fig 2. Resultados teoricos , calculados
PREGUNTAS Y RESPUESTAS P(mW)
P(mW)=4.20*10^-3+455.6*10^-6+167.4*10^6+85.8*10^-6 P(mW)= 4.9mW 10*log (mw)=-23.09 dbm
(Antilog 6.24/10)*1m=4.20mW (Antilog -3.41/10)*1m=455µW (Antilog -7.77/10)*1m=167µW (Antilog -10.66/10)*1m=85.9µW
(Antilog 6.24-13.01)/20=458mV (Antilog -3.41-13.01)/20=151mV (Antilog -7.77-13.01)/20=91.4mV (Antilog -10.66/-13.01)/20=65.53mV
Sume las potencias de las armónicas medidas para encontrar la potencia total en mw y después conviértala a dbm
1 Calcule la frecuencia de la 3 y 5 armónica de una onda cuadrada cuyo periodo es To= 5µs 2. cual es la amplitud de las dos primeras armónicas, si la amplitud pico a pico de la señal de onda cuadrada es 4v. 3¿para que sirve el analizador de espectros? El analizador de espectros lo utilizamos para calcular la amplitudes de potencia y de voltaje, y poder observar las frecuencias de diferentes señales. 4.¿Que mide un Analizador de espectros cuando se aplica directamente a una señal a sus conductores?
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El analizador mediría una señal sobre una carga dummy de 50 ohmios
No la potencia será calculada con la escala vertical que calcula las amplitudes de una señal.
5. ¿Que debe hacerse para sumar potencias en dbm? Dos potencias dadas en dBm no pueden sumarse, pues esta unidad no es operativa si no es por su potencia. Por lo que habrán de calcularse las potencias reales (en watios o miliwatios), a partir de los dBm de ambas, para efectuar la suma (en watios o miliwatios), y posteriormente si se desea saber cual es su valor en dBm, efectuar el cálculo de la relación logarítmica de potencias. 6.¿por que nos detenemos en la 5 y 7 armónica cuando efectuamos el análisis espectral? 7¿Cuándo una señal esta compuesta por dos armónicas de 20dBm cada una ? ¿Cuál es la potencia total en dBm?
CONCLUSIONES Por medio de analizador de espectro se logro analizar la potencia y el voltaje, de forma logarítmica y lineal respectivamente. En la práctica conocimos los equipos necesarios para calcular potencias y voltajes de las diferentes armónicas de una señal. Por medio del analizador de espectro analizamos las armónicas sinusoidales de una onda cuadrada.
BIBLIOGRAFIA La suma de las dos armónicas es igual a = 200mV Convetido a dBm= 23.01dBm 8.¿Si la misma señal esta compusta de 4 armonicas de 10dBm cada una ¿Cuál es la potencia total en dBm? La suma de las cuatro armónicas es igual a = 40mV Convetido a dBm= 16.02dBm 9¿La escala Horizontal del analizador espectral da alguna información necesaria para calcular la potencia?
http://www.terra.es/personal/lermon/cat/ar ticles/evin0355.htm
http://www.dliengineering.com/vibmanspanish/bandaslaterales2.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Densidad_esp ectral
