Analizador de espectro

Este formato es útil para aplicaciones donde el analizador de espectro se puede conectar a la corriente alterna, generalmente en un 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. Suelen tener varios ventiladores (con sus respectivas rejillas de ventilación) para disipar el calor generado por el procesador . Debido a su arquitectura, los analizadores de espectro de sobremesa suelen pesar más de 14 kg (30 libras ) . Algunos ofrecen baterías opcionales , lo que permite su uso sin conexión a la corriente alterna . Este tipo de analizador se conoce comúnmente como analizador de espectro portátil. 

Este formato es útil para cualquier aplicación en la que el analizador de espectro deba llevarse al exterior para realizar mediciones o simplemente transportarse durante su uso. Entre las características que contribuyen a que un analizador de espectro portátil sea útil se incluyen:

• Funcionamiento opcional con batería para permitir al usuario moverse libremente en el exterior.
• Pantalla de fácil visualización que permite leer la información incluso bajo la luz del sol intensa, en la oscuridad o en condiciones de polvo.
• Peso ligero (normalmente menos de 15 libras (6,8 kg) ). 

Este formato es útil para cualquier aplicación donde el analizador de espectro deba ser muy ligero y pequeño. Los analizadores portátiles suelen ofrecer una capacidad limitada en comparación con sistemas más grandes. Entre las características que contribuyen a la utilidad de un analizador de espectro portátil se incluyen:

• Consumo de energía muy bajo.
• Funcionamiento a batería en exteriores para permitir al usuario moverse libremente al aire libre.
• Tamaño muy pequeño
• Peso ligero (normalmente menos de 2 libras (0,9 kg) ). 

Este formato no incluye pantalla y estos dispositivos están diseñados para habilitar una nueva clase de aplicaciones de análisis y monitorización del espectro distribuidas geográficamente. La característica clave es la capacidad de conectar el analizador a una red y monitorizar dichos dispositivos a través de ella. Si bien muchos analizadores de espectro cuentan con un puerto Ethernet para el control, generalmente carecen de mecanismos eficientes de transferencia de datos y son demasiado voluminosos o costosos para su implementación distribuida. Entre las aplicaciones clave para estos dispositivos se incluyen los sistemas de detección de intrusiones por radiofrecuencia en instalaciones seguras donde la señalización inalámbrica está prohibida. Asimismo, los operadores de telefonía móvil utilizan estos analizadores para monitorizar remotamente las interferencias en bandas espectrales licenciadas. La naturaleza distribuida de estos dispositivos permite la geolocalización de transmisores, la monitorización del espectro para el acceso dinámico al mismo y muchas otras aplicaciones similares.

Entre las características clave de estos dispositivos se incluyen:

• Transferencia de datos eficiente en red
• Bajo consumo de energía
• La capacidad de sincronizar la captura de datos a través de una red de analizadores.
• Bajo coste para permitir su despliegue a gran escala.

Como se explicó anteriormente en la sección de tipos , un analizador de espectro con barrido de frecuencia convierte una porción del espectro de la señal de entrada a la frecuencia central de un filtro de paso de banda, mediante el barrido del oscilador controlado por voltaje a través de un rango de frecuencias, lo que permite considerar todo el rango de frecuencias del instrumento.

El ancho de banda del filtro paso 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 una relación inversa entre la rapidez con la que la pantalla puede actualizar todo el rango de frecuencias considerado y la resolución de frecuencia, lo cual es relevante para distinguir componentes de frecuencia muy próximos entre sí. Para una arquitectura sintonizada por barrido, esta relación para el tiempo de barrido resulta útil:

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

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. ^{[ 13 ]} Sin embargo, un barrido demasiado rápido provoca una caída en la amplitud mostrada y un desplazamiento en la frecuencia mostrada. ^{[ 14 ]}

Además, la animación contiene espectros convertidos tanto hacia arriba como hacia abajo, lo cual se debe a que un mezclador de frecuencia produce frecuencias suma y diferencia. La interferencia del oscilador local se debe al aislamiento imperfecto de la ruta de la señal de FI 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${\displaystyle \Delta \nu =1/T}$, el inverso del tiempo T durante el cual se mide la forma de onda y se transforma mediante la transformada de 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.${\displaystyle \nu _{s}}$eso es al menos el doble del ancho de banda de la señal, debido al límite de Nyquist . ^{[ 15 ]} Una transformada de Fourier producirá entonces un espectro que contiene todas las frecuencias desde cero hasta${\displaystyle \nu _{s}/2}$Esto puede suponer una exigencia considerable para el convertidor analógico-digital y la potencia de procesamiento necesarios para la transformada de Fourier, lo que limita el rango de frecuencia de los analizadores de espectro basados ​​en FFT.

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

Este método es posible gracias a que primero se realiza una conversión descendente de la señal, luego se digitaliza la frecuencia intermedia y se utilizan técnicas superheterodinas o de transformada rápida de Fourier (FFT) para adquirir el espectro.

Una de las ventajas de digitalizar la frecuencia intermedia es la posibilidad de usar filtros digitales , que ofrecen diversas ventajas sobre los filtros analógicos, como factores de forma casi perfectos y un tiempo de estabilización del filtro mejorado. Además, para rangos estrechos, se puede usar la transformada rápida de Fourier (FFT) para aumentar el tiempo de barrido sin distorsionar el espectro mostrado.

Un analizador de espectro en tiempo real no tiene periodos de inactividad, hasta un rango máximo, a menudo denominado "ancho de banda en tiempo real". El analizador es capaz de muestrear el espectro de radiofrecuencia (RF) entrante en el dominio del tiempo y convertir la información al dominio de la frecuencia mediante el proceso FFT. Las transformadas de Fourier rápidas (FFT) se procesan en paralelo, sin interrupciones y superpuestas, por lo que no hay huecos en el espectro de RF calculado y no se pierde información.

Tiempo mínimo de detección de señal

Esto está relacionado con la frecuencia de muestreo del analizador y la velocidad de la transformada rápida de Fourier (FFT) . También es importante que el analizador de espectro en tiempo real ofrezca una buena precisión de nivel.

Ejemplo: para un analizador con un ancho de banda en tiempo real de 40 MHz (el rango de RF máximo que se puede procesar en tiempo real), se necesitan aproximadamente 50 Mmuestras/segundo (complejos). Si el analizador de espectro produce 250 000 FFT/s, se realiza un cálculo de FFT cada 4 μs. Para una FFT de 1024 puntos , se produce un espectro completo 1024 × (1/50 × 10⁶ ), aproximadamente cada 20 μs. ^Esto también nos da nuestra tasa de solapamiento del 80 % (20 μs − 4 μs) / 20 μs = 80 %.

Persistencia

Los analizadores de espectro en tiempo real proporcionan mucha más información para que los usuarios examinen el espectro de frecuencias con mayor detalle. Un analizador de espectro convencional, por ejemplo, muestra el pico máximo y el pico mínimo, pero un analizador de espectro en tiempo real puede representar gráficamente todas las transformadas rápidas de Fourier (FFT) calculadas durante un período determinado, con un código de colores que indica la frecuencia de aparición de una señal. Por ejemplo, esta imagen muestra la diferencia entre cómo se visualiza un espectro en una vista de barrido convencional y cómo se visualiza con la opción "Persistencia" en un analizador de espectro en tiempo real.

Señales ocultas

Los analizadores de espectro en tiempo real pueden detectar señales ocultas entre otras. Esto es posible porque no se pierde información y la información que se muestra al usuario es el resultado de cálculos de la transformada rápida de Fourier (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, la frecuencia de parada y la frecuencia central. La frecuencia que se encuentra a medio camino entre la frecuencia de parada y la de inicio en la pantalla del analizador de espectro se conoce como frecuencia central . Esta es la frecuencia que se ubica en el centro del eje de frecuencias de la pantalla. El parámetro "Span" especifica el rango entre las frecuencias de inicio y de parada. Estos dos parámetros permiten ajustar la pantalla dentro del rango de frecuencias del instrumento para mejorar la visibilidad del espectro medido.

Como se explica 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 de FI . Es el ancho de banda de la cadena de RF antes del detector (dispositivo de medición de potencia). ^{[ 17 ]} Determina el nivel de ruido de RF y cuán cerca pueden estar dos señales para que el analizador las resuelva en dos picos separados. ^{[ 17 ]} Ajustar el ancho de banda de este filtro permite discriminar señales con componentes de frecuencia muy próximas, a la vez 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 RBW más altos dejan pasar más componentes de frecuencia al detector de envolvente que los filtros RBW de menor ancho de banda; por lo tanto, un RBW más alto produce un nivel de ruido medido más alto.

El filtro de ancho de banda de vídeo o filtro VBW es el filtro de paso bajo que se encuentra inmediatamente después del detector de envolvente . Es el ancho de banda de la cadena de señal después del detector. El promedio o la detección de picos se refiere a cómo la parte de almacenamiento digital del dispositivo registra las muestras: toma varias muestras por paso de tiempo y almacena solo una, ya sea el promedio de las muestras o la más alta. ^{[ 17 ]} El ancho de banda de vídeo determina la capacidad de discriminar entre dos niveles de potencia diferentes. ^{[ 17 ]} Esto se debe a que un VBW más estrecho eliminará el ruido en la salida del detector. ^{[ 17 ]} Este filtro se utiliza para "suavizar" la visualización eliminando el ruido de la envolvente. De forma similar al RBW, el VBW afecta al tiempo de barrido de la visualización 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:

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

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 vídeo. ^{[ 18 ]} 

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 rango de frecuencia medido también se digitaliza. Se utilizan detectores para intentar asignar adecuadamente la potencia de la 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 dado como valor de visualización. Si bien este método representa bien el ruido aleatorio, no siempre captura todas las señales sinusoidales.
• Detección de picos : esta técnica utiliza el punto máximo medido dentro de un intervalo determinado como valor de visualización. Esto garantiza que se mida la sinusoide máxima dentro del intervalo; sin embargo, es posible que no se midan sinusoides más pequeñas. Además, la detección de picos no ofrece una buena representación del ruido aleatorio.
• Detección de promedio : la detección de promedio utiliza todos los puntos de datos dentro del intervalo para considerar el valor del punto de visualización. Esto se realiza mediante el promedio de potencia ( rms ), el promedio de voltaje o el promedio de potencia logarítmica.

El Nivel de Ruido Promedio Visualizado (DANL) es exactamente lo que su nombre indica: el nivel de ruido promedio que muestra el analizador. Este puede tener un ancho de banda de resolución específico (por ejemplo, -120 dBm a 1  kHz RBW) o estar normalizado a 1  Hz (generalmente en dBm/Hz), por ejemplo, -150 dBm(Hz). Esto también se conoce como la sensibilidad del analizador de espectro. Si se introduce una señal con un nivel igual al nivel de ruido promedio, se mostrará una  lectura de 3 dB. Para aumentar la sensibilidad del analizador de espectro, se puede conectar un preamplificador con una figura de ruido menor a la entrada del analizador. ^{[ 19 ]}