Analizador de espectro

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 la mayoría de 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 otros tipos 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 las formas de onda del dominio del tiempo . Estos parámetros son útiles en la caracterización de dispositivos electrónicos, como los transmisores inalámbricos.

La pantalla de un analizador de espectro muestra la frecuencia en el eje horizontal y la amplitud en el eje vertical. Para el observador casual, un analizador de espectro se parece a 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 como analizador de espectro.

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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 de barrido sintonizado, el analizador de señales vectoriales y el analizador de espectro en tiempo real. ^[1]

Los tipos de analizadores de espectro se distinguen por los métodos que se utilizan para obtener el espectro de una señal. Existen analizadores de espectro basados ​​en transformada rápida de Fourier (FFT) y de 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 como una 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 el barrido se centra en cualquier frecuencia en particular, puede pasar por alto eventos de corta duración en otras frecuencias.
• Un analizador FFT calcula una secuencia temporal de periodogramas . FFT se refiere a un algoritmo matemático particular utilizado en el proceso. Esto se utiliza comúnmente junto con un receptor y un convertidor analógico a digital . Como se mencionó 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.

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

Este formato 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 un mejor rendimiento y especificaciones que los portátiles o de mano. Los analizadores de espectro de sobremesa normalmente tienen varios ventiladores (con respiraderos asociados) 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 sobremesa ofrecen paquetes de baterías opcionales , lo que permite utilizarlos lejos de la fuente de alimentación de CA. Este tipo de analizador se suele denominar analizador de espectro "portátil".

Este formato es útil para cualquier aplicación en la que sea necesario sacar el analizador de espectro para realizar mediciones o simplemente llevarlo consigo mientras está en uso. Los atributos que contribuyen a que un analizador de espectro portátil sea útil incluyen:

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

Este formato 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 comparación con los sistemas más grandes. Los atributos que contribuyen a que un analizador de espectro portátil sea útil incluyen:

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

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 distribuido 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, generalmente carecen de mecanismos de transferencia de datos eficientes y son demasiado voluminosos o costosos para implementarse de una manera tan distribuida. Las aplicaciones clave para estos dispositivos incluyen sistemas de detección de intrusiones de RF para instalaciones seguras donde está prohibida la señalización inalámbrica. Además, los operadores celulares están utilizando estos analizadores para monitorear de forma remota la interferencia en bandas espectrales autorizadas. La naturaleza distribuida de estos 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 estos dispositivos incluyen:

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

Como se explicó anteriormente en los tipos , un analizador de espectro sintonizado por barrido convierte descendentemente ^{[ ancla rota ]} una porción 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 determina el ancho de banda de resolución, que está relacionado con el ancho de banda mínimo detectable por el instrumento. Como se muestra en 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 intervalo de frecuencia completo en consideración y la resolución de frecuencia, que es relevante para distinguir los componentes de frecuencia que están cerca entre sí. Para una arquitectura de barrido ajustado, esta relación para el tiempo de barrido es útil:

${\displaystyle \ ST={\frac {k(\mathrm {Intervalo} )}{RBW^{2}}}}$

Donde ST es el tiempo de barrido en segundos, k es la constante de proporcionalidad, Span es el rango de frecuencia bajo consideración 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 frecuencia produce frecuencias de 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 la intermodulación pueden provocar 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 realiza la transformada de Fourier.${\displaystyle \Delta \nu =1/T}$

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 entonces un espectro que contiene todas las frecuencias de cero a . Esto puede imponer demandas considerables en el convertidor analógico a digital requerido y la potencia de procesamiento para la transformada de Fourier, lo que hace que los analizadores de espectro basados ​​en FFT estén limitados en el rango de frecuencia.${\displaystyle \nu_{s}}$${\displaystyle \nu_{s}/2}$

Dado que los analizadores basados ​​en FFT solo pueden considerar bandas estrechas, una técnica consiste en combinar el análisis de barrido y el análisis de FFT para considerar intervalos amplios y estrechos. Esta técnica permite tiempos de barrido más rápidos.

Este método es posible gracias a la conversión descendente de la señal, la digitalización posterior de la frecuencia intermedia y el uso de técnicas superheterodinas o FFT para adquirir el espectro.

Una ventaja 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 tener en cuenta tramos estrechos, se puede utilizar la FFT para aumentar el tiempo de barrido sin distorsionar el espectro mostrado.

Un analizador de espectro en tiempo real no tiene 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 interrupciones y superpuestas, de modo que no hay interrupciones en el espectro de RF calculado y no se pierde ninguna información.

En cierto sentido, cualquier analizador de espectro que tenga la capacidad de analizar señales vectoriales es un analizador en tiempo real. Muestrea datos con la suficiente rapidez 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 durante la cantidad de datos/tiempo de captura que puede almacenar en la memoria y, aun así, produce lagunas 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 enventanado para mejorar el espectro de salida al producir menos lóbulos laterales. El efecto del enventanado también puede reducir el nivel de una señal cuando se captura en el límite entre una FFT y la siguiente. Por este motivo, las FFT en un analizador de espectro en tiempo real se superponen. La tasa de superposición es de aproximadamente el 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 de FFT . También es importante que el analizador de espectro en tiempo real proporcione una buena precisión de nivel.

Ejemplo: para un analizador con un ancho de banda en tiempo real de 40 MHz (el rango máximo de RF que se puede procesar en tiempo real), se necesitan aproximadamente 50 Mmuestras/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 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 generar mucha más información para que los usuarios examinen el espectro de frecuencias con más detalle. Un analizador de espectro de barrido normal generaría visualizaciones de pico máximo y pico mínimo, por ejemplo, pero un analizador de espectro en tiempo real puede representar gráficamente todas las FFT calculadas durante un período de tiempo determinado con la codificación de colores añadida 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 utilizando 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, existen opciones para configurar la frecuencia de inicio, de fin y central. La frecuencia que se encuentra a medio camino entre las frecuencias de inicio y de fin 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 de fin. Estos dos parámetros permiten ajustar la pantalla dentro del rango de frecuencia del instrumento para mejorar la visibilidad del espectro medido.

Como se explicó en la sección de funcionamiento , 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). ^[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] Ajustar el ancho de banda de este filtro permite la discriminación de señales con componentes de frecuencia muy espaciados, al mismo tiempo que cambia el nivel de ruido medido. Disminuir el ancho de banda de un filtro RBW disminuye el nivel de ruido medido y viceversa. Esto se debe a que los filtros con un RBW más alto pasan más componentes de frecuencia a través del detector de envolvente que los filtros RBW de ancho de banda más bajo, por lo tanto, un RBW más alto causa un nivel de ruido medido más alto.

El filtro de ancho de banda de video o filtro VBW es el filtro de paso bajo que se encuentra directamente después del detector de envolvente . Es el ancho de banda de la cadena de señales después del detector. El promedio o la detección de picos se refiere entonces 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. ^[7] El ancho de banda de video 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 pantalla 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 el VBW es menor que el RBW, esta relación para el tiempo de barrido es útil:

${\displaystyle t_{\mathrm {barrido} }={\frac {k\cdot (f_{2}-f_{1})}{\mathrm {RBW} \times \mathrm {VBW} }}.}$

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. ^[8]

Con la llegada de las pantallas digitales, algunos analizadores de espectro modernos utilizan convertidores analógico-digitales 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. Se utilizan detectores 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.

• Detección de muestras : la detección de muestras simplemente utiliza el punto medio de un intervalo determinado 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 determinado como valor del punto de visualización. Esto garantiza que se mida la sinusoide máxima dentro del intervalo; sin embargo, es posible que no se midan sinusoides más pequeñas dentro del intervalo. Además, la detección de picos no proporciona una buena representación del ruido aleatorio.
• Detección de promedios : la detección de promedios utiliza todos los puntos de datos dentro del intervalo para considerar el valor del punto de visualización. Esto se hace mediante el promedio de potencia ( RMS ), el promedio de voltaje o el promedio de potencia logarítmica.

El nivel de ruido promedio mostrado (DANL) es exactamente lo que dice ser: el nivel de ruido promedio que se muestra en el analizador. Puede tener 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, −150 dBm(Hz). Esto también se denomina sensibilidad del analizador de espectro. Si se introduce un nivel de señal igual al nivel de ruido promedio, se mostrará una señal de 3 dB. Para aumentar la sensibilidad del analizador de espectro, se puede conectar un preamplificador con un factor de ruido más bajo a 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 mezcladores de RF, el analizador de espectro se utiliza para encontrar los niveles de productos de intermodulación de tercer orden y pérdida de conversión. En 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 de celdas utilizan este equipo para determinar las fuentes de interferencia en las bandas de frecuencia GSM y UMTS .

En las pruebas de compatibilidad electromagnética , se utiliza un analizador de espectro para realizar pruebas de conformidad previa básicas; sin embargo, no se puede utilizar para realizar pruebas y certificaciones completas. En su lugar, se utiliza un receptor de EMI.

Un analizador de espectro se utiliza 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 comunicación prevista aparecen como líneas verticales (puntos) en la pantalla. Un analizador de espectro también se utiliza 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 a una computadora personal para permitir la detección visual y el análisis de señales electromagnéticas en una banda de frecuencias definida. Esto se denomina recepción panorámica y se utiliza para determinar las frecuencias de las fuentes de interferencia de 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 imágenes por resonancia magnética, ya que los campos de RF dispersos darían lugar a 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 de onda sinusoidal nominal ; se utiliza una onda sinusoidal de muy baja distorsión como entrada del 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. Estos analizadores se describían en un tiempo como "analizadores de ondas". El análisis se puede realizar mediante un ordenador 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, atenuar y corregir la fase, para obtener solo la distorsión y el ruido añadidos, que se pueden analizar. ^[12]

Una técnica alternativa, la medición de la distorsión armónica total , cancela la señal 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 los niveles de volumen de las bandas de frecuencia en el rango típico de la audición humana , en lugar de mostrar una onda. En aplicaciones de sonido en vivo, los ingenieros pueden usarlos para identificar la retroalimentación .

Un analizador de espectro óptico utiliza técnicas de reflexión o refracción para separar las longitudes de onda de la luz. Se utiliza un detector electroóptico para medir la intensidad de la luz, que normalmente se muestra en una pantalla de forma 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 apertura 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 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 gráficamente en una pantalla. Se pueden realizar mediciones más precisas (hasta MHz en el espectro óptico) con un interferómetro Fabry-Pérot de barrido junto con electrónica de control analógica o digital, que barre la frecuencia resonante de una cavidad ópticamente resonante utilizando una rampa de voltaje para 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 representa gráficamente 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 propósito general con un ancho de banda (algo) mayor.

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

• Medidas eléctricas
• Espectro electromagnético
• Receptor de medición
• Barrido de radiofrecuencia
• Fuga espectral
• Música espectral
• Alcance del espectro radioeléctrico
• Espectrometría de transformada de Fourier integrada de ondas estacionarias

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