Un analizador de espectro mide la magnitud de una señal de entrada versus 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, se pueden considerar mediante el uso de un transductor apropiado . También existen analizadores de espectro para otro tipo de señales, como los analizadores de espectro ópticos que utilizan técnicas ópticas directas como un monocromador para realizar mediciones.
Al analizar los espectros de 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 formas de onda en el 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 mostrada en el eje horizontal y la amplitud en el eje vertical. Para el observador casual, un analizador de espectro parece un osciloscopio , que traza la amplitud en el eje vertical pero el tiempo en el eje horizontal. De hecho, algunos instrumentos de laboratorio pueden funcionar como osciloscopio o analizador de espectro.
Los primeros analizadores de espectro, en la década de 1960, eran instrumentos sintonizados por barrido. [1]
Tras el descubrimiento de la transformada rápida de Fourier (FFT) en 1965, los primeros analizadores basados en FFT se introdujeron en 1967. [2]
Hoy en día, existen tres tipos básicos de analizadores: el analizador de espectro sintonizado por barrido, el analizador vectorial de señales y el analizador de espectro en tiempo real. [1]
Los tipos de analizadores de espectro se distinguen por los métodos utilizados para obtener el espectro de una señal. Existen analizadores de espectro basados en transformada rápida de Fourier (FFT) y sintonizados por barrido:
Los analizadores de espectro tienden a dividirse en cuatro factores de forma: de mesa, portátiles, portátiles y en red.
Este factor de forma es útil para aplicaciones en las que el analizador de espectro se puede conectar a una fuente de 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 mejores rendimiento y especificaciones que los de formato portátil o portátil. Los analizadores de espectro de mesa normalmente tienen múltiples ventiladores (con ventilaciones asociadas) para disipar el calor producido por el procesador . Debido a su arquitectura, los analizadores de espectro de mesa suelen pesar más de 30 libras (14 kg). Algunos analizadores de espectro de mesa ofrecen paquetes de baterías opcionales , lo que permite su uso sin alimentación de CA. Este tipo de analizador a menudo se denomina analizador de espectro "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:
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Este factor de forma es útil para cualquier aplicación en la que el analizador de espectro deba ser muy liviano y pequeño. Los analizadores portátiles suelen ofrecer una capacidad limitada en comparación con sistemas más grandes. Los atributos que contribuyen a un analizador de espectro portátil útil incluyen:
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 control, normalmente carecen de mecanismos eficientes de transferencia de datos y son demasiado voluminosos o costosos para implementarlos de manera tan distribuida. Las aplicaciones clave para dichos dispositivos incluyen sistemas de detección de intrusiones por RF para instalaciones seguras donde la señalización inalámbrica está prohibida. Además, los operadores de telefonía móvil utilizan estos analizadores para controlar de forma remota las interferencias en las bandas espectrales autorizadas. La naturaleza distribuida de dichos dispositivos permite la geolocalización de transmisores, el monitoreo del espectro para el acceso dinámico al espectro y muchas otras aplicaciones similares.
Los atributos clave de dichos dispositivos incluyen:
Como se analizó anteriormente en los 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 la 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 sea el ancho de banda, mayor será la resolución espectral. Sin embargo, existe un equilibrio entre la rapidez con la que la pantalla puede actualizar el rango de frecuencia completo bajo consideración y la resolución de frecuencia, que es relevante para distinguir los componentes de frecuencia que están muy juntos. Para una arquitectura optimizada 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. [3] Sin embargo, un barrido demasiado rápido provoca una caída en la amplitud mostrada y un cambio en la frecuencia mostrada. [4]
Además, la animación contiene espectros convertidos hacia arriba y hacia abajo, lo que se debe a que un mezclador de frecuencias produce frecuencias suma y diferencia. La alimentación del oscilador local se debe al aislamiento imperfecto de la ruta de la señal IF en el mezclador .
Para señales muy débiles se utiliza un preamplificador , aunque la distorsión armónica y de intermodulación puede dar lugar a la creación de nuevos componentes de frecuencia que no estaban presentes en la señal original.
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 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 . [5] Una transformada de Fourier producirá un espectro que contiene todas las frecuencias desde cero hasta . Esto puede imponer demandas considerables sobre el 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 tengan un rango de frecuencia limitado.
Dado que los analizadores basados en FFT sólo son capaces de considerar bandas estrechas, una técnica es combinar el análisis de barrido y FFT para considerar tramos amplios 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 utilizando técnicas superheterodinas o FFT para adquirir el espectro.
Un beneficio 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 tiempo de estabilización del filtro mejorado. Además, para considerar tramos estrechos, la FFT se puede utilizar para aumentar el tiempo de barrido sin distorsionar el espectro mostrado.
Un analizador de espectro en tiempo real no tiene ningún tiempo ciego, hasta un intervalo máximo, a menudo denominado "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 mediante el proceso FFT. Las FFT se procesan en paralelo, sin espacios y superpuestas para que no haya espacios en el espectro de RF calculado y no se pierda ninguna información.
En cierto sentido, cualquier analizador de espectro que tenga capacidad de analizador vectorial de señales es un analizador en tiempo real. Muestra datos lo suficientemente rápido como para satisfacer el teorema de muestreo de Nyquist y almacena los datos en la memoria para su posterior procesamiento. Este tipo de analizador solo es en tiempo real para la cantidad de datos/tiempo de captura que puede almacenar en la memoria y aún produce espacios en el espectro y los resultados durante el tiempo de procesamiento.
Minimizar la distorsión de la información es importante en todos los analizadores de espectro. El proceso FFT aplica técnicas de ventanas para mejorar el espectro de salida debido a que se producen menos lóbulos laterales. El efecto de la ventana también puede reducir el nivel de una señal cuando se captura en el límite entre una FFT y la siguiente. Por esta razón, las FFT en un analizador de espectro en tiempo real están superpuestas. 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. [6]
Esto está relacionado con la frecuencia de muestreo del analizador y la frecuencia FFT . También es importante que el analizador de espectro en tiempo real proporcione un buen nivel de precisión.
Ejemplo: para un analizador con 40 MHz de ancho de banda en tiempo real (el span máximo de RF 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%.
Los analizadores de espectro en tiempo real pueden producir mucha más información para que los usuarios examinen el espectro de frecuencia con más detalle. Un analizador de espectro de barrido normal produciría visualizaciones de pico máximo y pico mínimo, por ejemplo, pero un analizador de espectro en tiempo real puede trazar todas las FFT calculadas durante un período de tiempo determinado 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.
Los analizadores de espectro en tiempo real pueden ver señales ocultas detrás de otras señales. Esto es posible porque no se pierde ninguna información y lo que se muestra al usuario es el resultado de los cálculos de FFT. Un ejemplo de esto se puede ver a la derecha.
En un analizador de espectro típico hay opciones para configurar la frecuencia de inicio, parada y central. La frecuencia a medio camino entre las frecuencias de parada y de inicio en la pantalla de un 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 parada. Estos dos parámetros permiten el ajuste de la pantalla dentro del rango de frecuencia del instrumento para mejorar la visibilidad del espectro medido.
Como se analizó 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 IF . Es el ancho de banda de la cadena de RF antes del detector (dispositivo de medición de potencia). [7] Determina el nivel de ruido de RF y qué tan cerca pueden estar dos señales y aún así ser resueltas por el analizador en dos picos separados. [7] El ajuste del ancho de banda de este filtro permite la discriminación de señales con componentes de frecuencia estrechamente espaciados, al mismo tiempo que cambia el nivel de ruido medido. Disminuir el ancho de banda de un filtro RBW disminuye el ruido de fondo medido y viceversa. Esto se debe a que los filtros RBW más altos pasan más componentes de frecuencia al detector de envolvente que los filtros RBW de ancho de banda más bajo, por lo tanto, un RBW más alto causa un piso de ruido medido más alto.
El filtro de ancho de banda de vídeo o filtro VBW es el filtro de paso bajo directamente después del detector de envolvente . Es el ancho de banda de la cadena de señal después del detector. El promedio o detección de picos se refiere entonces a cómo la parte de almacenamiento digital del dispositivo registra muestras: toma varias muestras por paso de tiempo y almacena solo una muestra, ya sea el promedio de las muestras o la más alta. [7] El ancho de banda de vídeo determina la capacidad de discriminar entre dos niveles de potencia diferentes. [7] Esto se debe a que un VBW más estrecho eliminará el ruido en la salida del detector. [7] Este filtro se utiliza para "suavizar" la visualización eliminando el ruido de la envolvente. De manera 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 barrido 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. [8]
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 rango de frecuencia medido también se digitaliza. Los detectores se utilizan en un intento de asignar adecuadamente la potencia de señal correcta al punto de frecuencia apropiado en la pantalla. En general, existen tres tipos de detectores: de muestra, de pico y de promedio.
El nivel de ruido promedio mostrado (DANL) es exactamente lo que dice: el nivel de ruido promedio mostrado 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 (generalmente en dBm/Hz), por ejemplo, −150 dBm(Hz). Esto también se denomina sensibilidad del analizador de espectro. . Si se alimenta un nivel de señal igual al nivel de ruido promedio, habrá una visualización de 3 dB. Para aumentar la sensibilidad del analizador de espectro, se puede conectar un preamplificador con un factor de ruido más bajo en la entrada del analizador de espectro. [9]
Los analizadores de espectro se utilizan ampliamente para medir la respuesta de frecuencia , el ruido y las características de distorsión de todo tipo de circuitos de radiofrecuencia (RF), comparando los espectros de entrada y salida. Por ejemplo, en los mezcladores de RF, el analizador de espectro se utiliza para encontrar los niveles de productos de intermodulación de tercer orden y pérdidas 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 fuentes de interferencia. Los planificadores de células utilizan este equipo para determinar, por ejemplo, fuentes de interferencias en las bandas de frecuencia GSM y 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 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 estándares definidos para la pureza de las emisiones. Las señales de salida en frecuencias distintas a la frecuencia de comunicación prevista aparecen como líneas verticales (puntos) 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 fuentes de interferencia en 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 imágenes por resonancia magnética, ya que los campos de RF dispersos producirían artefactos en una imagen de RM. [10]
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 nominalmente sinusoidal ; Se utiliza una onda sinusoidal de muy baja distorsión como entrada al equipo bajo prueba, y un analizador de espectro puede examinar la salida, a la que se le agregarán productos de distorsión, y determinar el porcentaje de distorsión en cada armónico de la fundamental. Estos analizadores alguna vez fueron denominados "analizadores de ondas". El análisis se puede realizar mediante una computadora digital de uso general con una tarjeta de sonido seleccionada para un rendimiento adecuado [11] y el software apropiado. En lugar de utilizar una onda sinusoidal de baja distorsión, la entrada se puede restar de la salida, atenuarla y corregirla en fase, para obtener sólo la distorsión y el ruido añadidos, que pueden analizarse. [12]
Una técnica alternativa, la medición de la distorsión armónica total , cancela la fundamental con un filtro de muesca y mide la señal total restante, que es la distorsión armónica total más el ruido; no proporciona 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 niveles de volumen de 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 usarlos para identificar comentarios .
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 realizarse 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 de Czerny-Turner, con un detector óptico colocado en la rendija de salida. A medida que se mueve la rejilla del monocromador, 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 un control electrónico analógico o digital, que barre la frecuencia de resonancia de una cavidad ópticamente resonante utilizando una rampa de voltaje hacia un 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 frente al voltaje de rampa para producir una representación visual del espectro de potencia óptica. [13]
La respuesta de frecuencia de los analizadores de espectro óptico tiende a ser relativamente limitada, por ejemplo, 800-1600 nm (infrarrojo cercano), dependiendo del propósito previsto, aunque hay disponibles instrumentos de uso general con un ancho de banda (algo) más amplio.
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 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, tales como: acelerómetros , transductores de velocidad y sensores de proximidad . Los usos de un analizador de espectro de vibraciones en el monitoreo del estado de una máquina permiten detectar e identificar fallas de la máquina tales como: desequilibrio del rotor, desalineación del eje, holgura mecánica, defectos en los rodamientos, entre otros. El análisis de vibraciones también se puede utilizar en estructuras para identificar resonancias estructurales o para realizar análisis modal.
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