Introducción al Spectrum
Analyzer
TEEL 4203
Laboratorio Comunicaciones I
agosto 2014
Análisis de Señales Eléctricas
• Dominio del tiempo
• Dominio de frecuencia
• Dominio de modulación
Análisis de Señales Eléctricas
Análisis de Señales Eléctricas
• Dominio del tiempo
1. Podemos observar voltaje o corriente vs.
tiempo.
2. Si la señal tiene muchos componentes de
frecuencia, el análisis se dificulta.
Análisis de Señales Eléctricas
• Dominio de frecuencia
1. Es posible separar cada elemento de una señal
compleja.
2. Es posible detectar distorsión.
Análisis de Señales Eléctricas
• Dominio de modulación
1. 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 p 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(w t + f)
VRMS =
A
2
2
Potencia promedio =
V RMS
R
Representación de Señales
Tiempo
Frecuencia
v(t) = sin(200 p t) + sin(800 p t) voltios
Representación de Señales
Tiempo
Frecuencia
v(t) = 10 sin(200 p t) + 5 sin(800 p t) voltios
Representación de Señales
Tiempo
Frecuencia
Representación de Señales
Tiempo
Frecuencia
¿Qué dijo Fourier?
Toda señal periódica puede representarse
con una serie de Fourier.
S i v(t) es una señal periódica con período T = 1/f o , entonces
n
v(t) = a o +

n 1
a n cos 2 p n f o t + b n sin 2 p n f o t )
donde
T
1
ao = T
 v ( t ) dt
0
T
2
an =
T

0
v(t) cos (2 p n f o t) dt
T
2
bn =
T

0
v(t) sin (2 p n f o 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.
Swept Tuned Spectrum Analyzer
Podemos visualizarlo como un filtro pasa
banda que se desplaza a lo largo de toda la
gama de frecuencias bajo estudio.
Swept Tuned Spectrum Analyzer
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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Representación de Señales