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7/23/2019 Guia analizador

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DEPARTAMENTO DE ELECTRONICALABORATORIO DE COMUNICACIONES

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------EXPERIENCIA #1: USO DEL ANALIZADOR DE ESPECTROS-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

1.0 OBJETIVOS:

Conocer el principio de funcionamiento del analizador de espectros y su aplicacin en el anlisis de seales debanda estrecha y de banda ancha.

1.1 INTRODUCCION:

Uno de los instrumentos ms utilizados en el anlisis de seales, en el campo de las telecomunicaciones, es elanalizador de espectros. El analizador de espectros permite visualizar el mdulo del contenido espectral defrecuencias de una seal. Esto se logra presentando en una pantalla el mdulo de la transformada de Fourier dela seal que se desea analizar. Existen instrumentos digitales que realizan esta funcin (analizadores que operanen base a la transformada de Fourier discreta [1]) capaces en algunos casos no slo de procesar sealesperidicas y aleatorias sino tambin transientes, es decir, conservan la dependencia temporal entre las seales, locual permite conocer informacin de fase. Debido a la alta rapidez de procesamiento que requieren estos instru-mentos para su operacin, su aplicacin est limitada a frecuencias relativamente bajas, aun cuando el lmite

superior de frecuencias crece permanentemente. Los osciloscopios Tektronix TDS 210 (que han sido utilizados yadesde hace varios aos) son capaces de muestrear a 1[Gigamuestra/seg]. Para trabajo de precisin enfrecuencias de microondas, el analizador de espectros analgico sigue siendo insubstituible. El despliegue deestos instrumentos es digital (algunos operan bajo Windows), pero las etapas de entrada y procesamiento sonanalgicas. En esta experiencia tendremos oportunidad de trabajar con instrumentos digitales (los osciloscopiosTek TDS 210 con la opcin FFT) y analgicos (los analizadores de espectros Rohde&Schwarz y Hewlett Packard)El Departamento cuenta adems con equipos de frecuencias ms altas, que incluyen procesamiento digital, y quese utilizan principalmente en trabajos de investigacin y proyectos avanzados. Los osciloscopios Tek 210 permitenuna buena visualizacin del espectro para seales de relativamente baja frecuencia, pero carecen de la precisinde los equipos analgicos de mucho mayor costo. Su uso en esta experiencia est orientado principalmente altrabajo cualitativo y a destacar las mayores capacidades de estos ltimos.

1.2 PRINCIPIOS BSICOS DEL ANALIZADOR DE ESPECTROS ANALOGICO:

seal

f1

f2

fn

banco de filtros detectores de envolvente

Fig 1: Analizador de Espectros en base a filtros en paralelo.

Para presentar el contenido de frecuencias de una seal podra recurrirse al sistema de la figura 1.

Los filtros pasabanda permiten el paso de la frecuencia seleccionada solamente. El detector de envolvente extraela envolvente (el mdulo de la seal) en cada banda de filtraje y las presenta en pantalla.


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Para lograr una buena resolucin sobre un amplio espectro de frecuencias se necesitara una enorme cantidad defiltros. Otro problema es el de obtener una selectividad apropiada en los filtros. Estas desventajas son suficientespara hacer que la solucin presentada carezca de toda posibilidad prctica de implementacin.

En cambio podra recurrirse a las siguientes alternativas:

a) Disear un sistema consistente en un filtro pasabanda cuya frecuencia central se desplaza a travs delespectro, permitiendo de esta forma una visualizacin secuencial del contenido de frecuencias de la seal de

entrada (en lugar de simultnea como en el caso de filtros mltiples). En la prctica esto no es realizabledebido a la dificultad de lograr un filtro, que sin cambiar sus caractersticas de ancho de banda, pueda serdesplazado en su frecuencia central.

seal

detector de envolvente

filtro controlado por

voltaje

generador de diente de sierra

pantalla CRT

Fig. 2: Diagrama de bloques de un analizador de espectros

en base a un filtro pasabanda sintonizable.

b) Disear un sistema en base a un receptor superheterodino, consistente en un filtro pasabanda a frecuencia fijaen la etapa de frecuencia intermedia, un mezclador y un oscilador local cuya frecuencia se desplaza. Se lograde este modo una respuesta a la salida del filtro de FI cuando la diferencia entre la frecuencia de la seal y ladel oscilador local corresponde a la frecuencia intermedia. Conceptualmente, la diferencia respecto de lasolucin anterior consiste en desplazar en frecuencia la seal de entrada con respecto del filtro (fijo) en lugarde desplazar el filtro respecto de la seal.

seal


filtro de frecuencia intermedia

generador de diente

de sierra

pantalla CRT

VCO

oscilador controladopor voltaje

mezclador

Fig. 3 : Diagrama de bloques de un analizador de espectrosdel tipo superheterodino.


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1.3 ANALIZADORES DE ESPECTROS PARA USO EN LABORATORIO

Se utilizarn en este laboratorio tres tipos de analizadores de espectros:

Analizadores de Espectros HP modelo 141T

Analizadores de Espectros R&S modelo FS 300

Osciloscopios TEK TDS 210 con opcin FFT

El diagrama de bloques simplificado de los Analizadores de Espectros HP y R&S que se utilizarn en estelaboratorio es el que se presenta en la figura 4 y corresponde al esquema superheterodino discutidoprecedentemente. El analizador de espectros R&S es de ltima generacin y dispone de despliegue digital y decontrol digital de todas las funciones. Conceptualmente su funcionamiento no es diferente al del analizador HP(que es de la generacin de los aos 1960!), pero desde luego el control y despliegue digital facilitan suprogramacin y en particular el almacenamiento de la informacin.

Se describe a continuacin la operacin del analizador HP. El generador diente de sierra produce undesplazamiento horizontal de izquierda a derecha del haz luminoso. Si esta misma seal se aplica al osciladorcontrolado por tensin, entonces se tendr que la frecuencia de este ltimo tiene una relacin unvoca con eldesplazamiento horizontal del punto en la pantalla. La multiplicacin de las seales que tiene lugar en el primermezclador produce una salida en frecuencia intermedia slo si la diferencia de frecuencias entre oscilador local ylas seales presentes en la entrada presenta componentes dentro de la banda de FI (primera FI).

El analizador es un receptor de tipo doble conversin, con una segunda frecuencia intermedia baja para poderlograr adecuada selectividad en el segundo filtro de FI, y una primera frecuencia intermedia elevada para facilitarla supresin de la frecuencia imagen en el preselector.

Lo anterior puede ser descrito del siguiente modo:

Sea B el ancho de banda del filtro selectivo (2o. filtro FI)

fola frecuencia del oscilador controlado por voltaje

fFI1 la frecuencia intermedia ( 1a. FI )

entonces las componentes espectrales de frecuencia de la seal de entrada que pasan ambos filtros son lascomprendidas en el rango

fo- fFI1 - B/2 < f < fo- fFI1 + B/2

Ntese que si bien el rango de frecuencias que pasa por el primer filtro de FI ser mayor que B, la segundaconversin y filtraje permiten seleccionar el rango B.


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pantalla CRT

scan time per division

generador de diente

de sierra

VCO

oscilador controlado

por voltaje


filtro de frecuencia

intermedia FI 2mezclador 2

seal

mezclador 1filtro FI 1

OL 2

oscilador local 2

video filterFI Bw

scan width per

division

RF attenuation

buffer preselector y

attenuador de RF

Fig 4: Diagrama en bloques tpico de un Analizador de Espectros

Las componentes en el rango

fo + fFI1 - B/2 < f < fo+ fFI1 + B/2

son bloqueadas por el filtro preselector.

El detector de envolvente extrae la envolvente de la respuesta, produciendo un voltaje que, al actuar sobre ladeflexin vertical del haz, genera la respuesta proporcional a la amplitud de la componente espectral en el rangocorrespondiente. La escala vertical puede ser linear o logartmica (calibrada en [dBm]), siendo esta ltima la msutilizada.

El rango de frecuencias en que se desea operar se puede programar segn se elija fo, eso es, el diente de sierra.

Para lograr buena resolucin e inmunidad al ruido es conveniente que B sea lo ms pequeo posible. No sepuede elegir B en forma arbitraria puesto que tiene relacin con la velocidad de barrido. En efecto, un filtropasabanda de ancho de banda B tarda aproximadamente 1/B [s] en alcanzar un valor cercano a su salidaestacionaria cuando se aplica una seal. Si el filtro debe recorrer un espectro comprendido en un rango defrecuencia df [Hz] en T [s] entonces se puede considerar que el filtro debe analizar df/B posiciones en los T [s].Como a cada posicin debe dedicarle al menos 1/B [s], se concluye que debe cumplirse:

T > df/B (1.1)

En consecuencia, si se elige una escala de df [Hz/horiz div], y un ancho de banda de FI (FI 2) de B, entonces eltiempo de barrido horizontal debe ser mayor que df/B .

En el Analizador de Espectros HP se selecciona

a) el rango de frecuencias a barrer con "SCAN WIDTH PER DIVISION"b) el ancho de banda de FI (FI2) con "BANDWIDTH"c) el tiempo de barrido con "SCAN TIME PER DIVISION"

y cuando no se cumple la relacin (1.1), el analizador lo seala mediante el indicador "DISPLAY UNCAL".


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En los analizadores modernos como el R&S, existe la opcin de que el ancho de banda de resolucin se ajusteautomticamente acorde a la velocidad de barrido.

Los analizadores de espectros tienen tambin un filtro de video que es el que filtra la seal ya trasladada a labanda base, es decir la seal que se despliega en la pantalla de video. Si se desea suavizar esta seal (como porejemplo para medir el nivel medio de ruido, ver 1.5.3) entonces se debe ajustar el ancho del filtro de video a unvalor mucho ms bajo que el de FI (tpicamente 1/10 o menor)

Copias de los manuales de los Analizadores se encuentran en el paol de Electrnica y en el caso de R&S en la

pgina WWW de la asignatura.

1.4.- ANLISIS EN PLANO DE FRECUENCIAS DE SEALES PERIDICAS Y NO PERIDICAS

El siguiente es un resumen de los conceptos bsicos que se requiere para esta experiencia. Informacincomplementaria detallada puede ser obtenida de los application notes" que se encuentran disponibles en lapgina del laboratorio, as como a travs de mltiples otros documentos similares accesibles va Internet.

Las seales que se observan con el analizador son bsicamente de dos tipos: seales peridicas, cuyo espectroes un espectro de lneas y seales no peridicas cuyo espectro es continuo. Las seales peridicas estnpresentes en prcticamente cualquier sistema de telecomunicaciones y adems frecuentemente se evala unsistema, considerando una excitacin peridica (senoidal por lo general). Dentro de las seales no peridicas, el

ruido aleatorio es un elemento que aparece en cualquier sistema real. Las seales transmitidas en un sistemade telecomunicaciones, al propagarse desde un transmisor a un receptor se atenan con la distancia. Esto sepuede corregir amplificando la seal recibida. Sin embargo una vez que la seal recibida es tan dbil que supotencia se hace comparable al ruido presente a la entrada del receptor, ninguna amplificacin podr restituir la

seal a su forma original. Todo amplificador tiene un ruido propio (generalmente de niveles del orden de [V]) quedetermina el umbral mnimo para la seal recibida. Este ruido se conoce generalmente como ruido trmico puessu potencia depende de la temperatura absoluta [K]. Matemticamente el ruido se modela como un procesoaleatorio. Su potencia se caracteriza por su densidad espectral de potencia [Watts/Hz] o [Watts en ancho debanda de 1Hz]. Para seales sinusoidales, la potencia que mide el analizador no depende del ancho de banda deFI (siempre que el ancho de banda sea mayor al mnimo que implica que se cumple 1.1). En cambio para sealesde espectro continuo, la potencia que mide el analizador es proporcional al ancho de banda (asumiendo que encada rango de 1Hz se tiene la misma potencia, lo que se conoce como ruido blanco o ruido de espectro plano).Los amplificadores del propio analizador generan un piso de ruido, que determinan la mnima seal que ste escapaz de discernir. En la experiencia de laboratorio mediremos espectros de seales peridicas y el piso de ruidodel analizador en una determinada banda de frecuencias.

1.5.- PREINFORME

1.5.1.- Desarrolle en serie de Fourier la siguiente seal peridica:

A

volts

seg

T

Grafique en escala logartmica [dB] el espectro de Fourier para los siguientes casos:

valor fijo: T = 250[s]; valor variable: = 25[s], 50[s] y 125[s]

Identifique cmo se visualiza en el analizador de espectros la frecuencia (1/T) de la seal peridica antes

expuesta. Determine la influencia de la razn T/en los nulos de la representacin espectral de dicha seal.


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1.5.2 Utilice Simulink para simular las seales y analizar su espectro. Se recomienda utilizar el Spectrum Scope.Compare con los resultados tericos. Simule casos en que T es levemente diferente al valor nominal y luego

casos en que no ha sido ajustado exactamente al valor correcto (lo que fcilmente puede ocurrir en ellaboratorio). Observe como el espectro puede revelar estas inexactitudes.

Observaciones importantes:

El analizador de espectros tiene una entrada con acoplo AC y en consecuencia no permite determinar la

componente espectral a frecuencia cero. Para realizar la comparacin de espectros calculados con losobservados debe tenerse presente este aspecto, puesto que el clculo terico y las simulaciones podranincluir la componente que el analizador no mostrar.

El analizador de espectros se usa prcticamente siempre en escala de dB, puesto que ello permite ver unamplio rango de niveles de seal, o sea un gran rango dinmico. Para poder comparar lo simulado con lomedido, las simulaciones deben hacerse con despliegue de resultados en escala logartmica. Slo

para ilustrar la diferencia haga algunas simulaciones tanto con escala lineal y como con escala logartmica.

1.5.3 Simule con Simulink ruido blanco de tiempo discreto con el Gaussian Noise Generator y observe suespectro. El Spectrum Scope tiene la opcin de promediar varias FFT. Eso equivale a la opcin de filtrajepasabajos de video del analizador de espectros (filtrar pasabajos es equivalente promediar). Observe el espectrodel ruido y el efecto de la promediacin.

1.5.4 Verifique qu limitaciones respecto de los mximos niveles de seal de entrada tienen los analizadores deespectros y determine criterios para ajustar las seales de forma de cumplir con estas limitaciones en lasdiferentes tareas a realizar en esta experiencia. ESTE PUNTO ES EXTREMADAMENTE IMPORTANTE.REPONER UN ANALIZADOR DE ESPECTROS DAADO POR EXCESO DE POTENCIA DE ENTRADAPUEDE SER MS CARO QUE PAGAR VARIOS AOS DE MATRCULA!

1.5.5. Elija R y C del filtro indicado, para lograr una frecuencia de corte (-3 [dB]) de 10 [kHz]. Ambas etapas delfiltro deben ser iguales. En su diseo debe tener presente que el generador de seal que utilizar no tiene unaimpedancia de salida cero y el sistema de visualizacin no tiene impedancia de entrada infinita. Explique loscriterios que utiliz para tomar en cuenta estas limitaciones. Simule el filtro y determine, usando un barrido defrecuencias, la frecuencia de corte obtenida.

Buffer ganancia 1R

C C

R

1.5.6 Defina piso de ruido e indique cmo se medir en la sesin de laboratorio. Estudie la influencia del anchode banda de FI (BwFI) en esta medicin. Indique el factor de correccin de amplitud (2,5dB, ver application notes).

1.6.- ENSAYO E INFORME FINAL

TENGA SIEMPRE PRESENTE LO SEALADO EN 1.5.4

Observacin importante:El analizador HP tiene tres mdulos para diferentes rangos de frecuencia. Es necesarioinstalar el que corresponda al rango de inters, segn el punto especfico de la experiencia. En el caso delanalizador R&S se puede seleccionar cualquier frecuencia central desde 9kHz hasta 3GHz. La impedancia de

entrada del mdulo de baja frecuencia del analizador HP es de 1M,lo cual es muy conveniente para no cargar lasalida de un generador de seales con una impedancia demasiado baja. Para ingresar seales al analizador R&S

que es de 50(como la de los restantes mdulos del analizador HP), se colocar una resistencia serie de 1kentre el generador y el analizador. Eso evita cargar el generador y al mismo tiempo reduce el riesgo de ingresar unvoltaje demasiado elevado al analizador lo cual lo daar seriamente.


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1.6.1 En el caso del analizador HP, verifique que el analizador tenga instalado el mdulo de entrada de11MHz/110MHz. Verifique en primer lugar si el analizador est calibrado utilizando la seal de prueba de 30MHz/ -30dBm (no intente corregirlo si descubre que est descalibrado, avise al ayudante o al profesor). Aplique unaseal sinusoidal de pequea amplitud (unos pocos millivolts) con una frecuencia entre 5 y 10MHz. Observe y midala amplitud de seal con osciloscopio. Calcule la potencia de esta seal (en la impedancia de carga del analizador,

que para este mdulo es de 50). Mida esta misma potencia con el analizador verificando si est o nocorrectamente calibrado. Verifique el contenido de armnicas de la seal (espreas) y mida su nivel relativo conrespecto a la fundamental [dB].

1.6.2 Reemplace la seal del generador sinusoidal por una carga de 50 Ohm. Aumente la ganancia del analizador(en el analizador R&S cambie el REF LEVEL hasta que se haga visible el piso de ruido. Mida el nivel medio deeste ruido. Se obtiene as directamente la potencia del ruido en el ancho de banda de FI usado en la medicin. Encuanto al ancho de banda de video, ste se ajusta a un valor estrecho, tal que promedie bien el ruido (versimulaciones). Se barre lentamente (luz amarilla apagada en el analizador HP!). Cambie el ancho de banda de FIen un factor 10 y observe si la potencia de ruido cambia en 10dB como predice la teora. Cuando ello no ocurrees porque el ruido observado no incluye componente que no estn siendo filtradas por el filtro de FI.

1.6.3 Genere alguna de las seales pulsadas del preinforme (segn indicaciones del ayudante) y obsrvela en elosciloscopio y observe al mismo tiempo su espectro en el analizador (empleando el mdulo LF en el caso delanalizador HP). Mida amplitud relativa de las armnicas y compare en el mismo laboratorio con resultadostericos y de simulacin.

1.6.4 Arme el filtro y compruebe su respuesta en frecuencia mediante los siguientes mtodos:a) generador sinusoidal y osciloscopio.b) analizador de espectros y generador de barrido interno (solo posible en analizador HP). En el caso delanalizador R&S se puede ingresar al filtro una seal sinusoidal cuya frecuencia de barre manualmente.La salida del filtro se conecta el analizador (asegurarse que no tenga niveles peligrosos!). Si el analizadorse pone en modo MAX HOLD se puede visualizar la respuesta en frecuencias.

En ambos casos se debe medir hasta frecuencias que exceden ampliamente (al menos 10 veces) la frecuencia decorte para poder verificar que la atenuacin sea la que predice la teora.

1.6.5 Aplique al filtro una seal sinusoidal pura (su espectro sera idealmente un impulso), con caractersticastales que se exceda el rango de operacin lineal del amplificador (por ejemplo una frecuencia y amplitudsuficientemente alta como para alcanzar la limitacin por "slew rate" del amplificador y/o producir limitacin).Verifique el efecto que esto tiene sobre el espectro de la seal de salida (presencia de armnicas). Si no logra queel amplificador genere distorsin, reduzca su voltaje de polarizacin hasta forzarlo a que deje de operar en rangolineal.

1.7.- BIBLIOGRAFIA

[1] Allan V. Oppenheim & Ronald W. Schafer: Digital Signal Processing; Prentice Hall, 1975.[2] Informacin para experiencias de mediciones mediante el analizador de espectros. Disponible en Paol de

Electrnica.[3] Pgina www de la asignatura

RFL, Marzo de 2006 LCOMEX1

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