Mediciones en el dominio de la frecuencia
Bajar diez veces el ancho de banda de resolución de un analizador de espectro baja 10 dB su piso de ruido y hace el barrido cien veces más lento.
01El analizador de espectro superheterodino
El osciloscopio muestra la señal en el tiempo; el analizador de espectro, su potencia en función de la frecuencia. El analizador clásico es un receptor superheterodino que se sintoniza solo: un oscilador local barre un rango de frecuencias, un mezclador traslada cada componente de la entrada a una frecuencia intermedia fija, y ahí un filtro angosto, el de ancho de banda de resolución (RBW), deja pasar solo lo que cae en él. Un detector mide la potencia, y la pantalla la dibuja en función de la frecuencia del oscilador local.
Tres controles gobiernan la medición: el intervalo (span) de frecuencias barrido, el RBW y el ancho de banda de video (VBW), un filtro posterior al detector que suaviza la traza. La presentación de los espectros como herramienta de análisis se vio en espectros, de Señales y Sistemas.
02RBW: resolución, ruido y tiempo
El RBW decide tres cosas a la vez. Dos señales solo se ven separadas si su distancia es del orden del RBW o mayor. El ruido que entra al detector es proporcional al ancho de banda, así que el piso de ruido mostrado baja 10 dB por cada década de RBW. Y el filtro necesita tiempo para responder, por lo que el barrido no puede ser más rápido que:
Cuando las dos señales tienen niveles muy distintos, la resolución depende también de la selectividad del filtro: la falda de la respuesta de la señal fuerte puede tapar a la débil aunque esté más lejos que el RBW.
Dos tonos cercanos, el primero a 0 dBm, vistos con un filtro de resolución gaussiano, en un intervalo de 200 kHz. El analizador tiene un nivel de ruido de −150 dBm/Hz. Se considera que los tonos se separan si entre ellos la traza baja al menos 3 dB respecto del más débil.
03Analizadores FFT y de tiempo real
A frecuencias bajas, y en los analizadores modernos también en la frecuencia intermedia, el espectro se calcula digitalizando la señal y aplicando una FFT. Con RBW angostos es mucho más rápido que barrer, porque procesa todas las frecuencias a la vez. Los analizadores de tiempo real calculan FFT superpuestas sin tiempos muertos y pueden mostrar señales que aparecen durante microsegundos, como un salto de frecuencia de Bluetooth, que un barrido pasaría por alto. Los mismos instrumentos miden ruido de fase, potencia en el canal, relación de fuga al canal adyacente y la calidad de modulación digital.
04En el laboratorio
Combinar dos generadores con una diferencia de 5 kHz y bajar el RBW hasta separarlos. Repetir con uno de ellos 40 dB más abajo.
Con la entrada terminada en 50 Ω, medir el piso de ruido con varios RBW y verificar la pendiente de 10 dB por década.
Medir las armónicas de un generador con distintas atenuaciones de entrada: si el nivel de la armónica cambia al cambiar la atenuación, la genera el analizador.
05Errores frecuentes
- Usar un RBW grande para ver una señal débil. El piso de ruido la tapa.
- Barrer más rápido de lo que permite el filtro. Las amplitudes salen bajas y las frecuencias corridas; los instrumentos avisan con una alarma de descalibración.
- Saturar el mezclador de entrada. Aparecen productos de distorsión que no están en la señal.
- Confundir potencia en el canal con nivel de pico. Para señales moduladas se mide integrando en el ancho de banda.
06Autoevaluación
¿Cuánto baja el piso de ruido al pasar de 100 kHz a 1 kHz de RBW?
20 dB.
¿Cuánto tarda un barrido de 1 MHz con RBW de 1 kHz y k = 2,5?
\( 2{,}5 \cdot 10^6/10^6 = 2{,}5 \) s.
¿Qué nivel de ruido muestra un analizador de −150 dBm/Hz con RBW de 10 kHz?
−110 dBm.
¿Por qué un analizador de tiempo real ve señales que un barrido pierde?
Porque procesa todas las frecuencias continuamente, sin tiempos muertos; el barrido mira cada frecuencia solo un instante.
07Para ampliar
- Keysight Technologies. Spectrum Analysis Basics. Nota de aplicación 150, Keysight. La referencia clásica sobre el analizador superheterodino, el RBW y el tiempo de barrido.
- Christoph Rauscher, Volker Janssen y Roland Minihold. Fundamentals of Spectrum Analysis. Rohde & Schwarz, 2001. Un libro completo sobre analizadores de barrido y FFT, con sus fuentes de error.
- Clyde F. Coombs Jr. (ed.). Electronic Instrument Handbook. 3.ª ed., McGraw-Hill, 1999. Los analizadores de espectro y de señales en el conjunto de la instrumentación.