Análisis espectral Analizadores de espectros. Tipos [I] Por Javier Martín Denver Metrología Electrónica Se presentan los diferentes tipos de analizadores de espectros que existen en el mercado, centrándose la descripción en los dos mayormente utilizados, el analizador de espectros de barrido y el FFT. En una primera parte habaremos del analizador de barrido, dejando para un segundo artículo, por su extensión, el analizador basado en la FFT. un nivel de continua que se visualiza en un medidor. También se pueden multiplexar todas las salidas de los detectores para representarlas en un único dispositivo gráfico como un tubo de rayos catódicos. Por ejemplo, consideremos la figura 3. Las frecuencias f1 y f2 están situadas dentro de la banda de paso de un filtro y por tanto no pueden ser discriminadas. En cambio, las componentes f2 y f4 caen dentro de Resolución en frecuencia la banda de paso de filtros diferentes, luego serán medidas de forma independiente. Si suponemos que los filtros tienen pendientes muy abruptas y están situados uno a continuación del otro, el ancho de banda de la resolución del analizador de banco de filtros será: El analizador de banco de filtros Figura 2. Los filtros están situados uno seguido del otro en el dominio de la frecuencia con un solapamiento mínimo. Figura 1. El analizador de espectros de banco de filtros utiliza un conjunto de filtros para determinar el contenido de frecuencia de una señal. Figura 3. El Analizador de banco de filtros suele tener una resolución en frecuencia baja. 60 El analizador de banco de filtros no es muy común en instrumentación electrónica de propósito general aunque aún sigue usándose en algunas aplicaciones como en medidas de audio (analizadores de espectros de 1/3 de octava). La forma más simple de implementar un analizador de espectros es conectar un banco de filtros electrónicos, cada uno con su propio dispositivo de salida (figura 1). Esta arquitectura tan simple tiene la ventaja de la velocidad consiguiéndose sistemas de medida en tiempo real. Cada filtro está diseñado para dejar pasar solamente un pequeño rango de frecuencias al detector. Por tanto, cada conjunto de filtro, detector y medidor dan una indicación de la energía presente en un rango determinado de frecuencias. Si dos frecuencias están situadas dentro del mismo ancho de banda de un filtro, el analizador no puede discriminar entre ambas y por tanto, el ancho de banda del filtro, BWRES, determina la resolución en frecuencia del analizador y se denomina ancho de banda de la resolución (resolution bandwidth). [E-1] Donde: fmax = frecuencia máxima del analizador M = Número de filtros Las dos principales limitaciones de este tipo de analizador es el número de filtros necesario para obte- Cada uno de los filtros electrónicos es un filtro paso banda sintonizado a una frecuencia central diferente. Los anchos de banda y frecuencias centrales de los filtros se alinean para cubrir todo el rango de frecuencias de interés con un solapamiento mínimo (figura 2). La salida de cada uno de los filtros se conecta a un detector que es, básicamente, un convertidor AC/DC, es decir, convierte una señal alterna en • Mayo 2006 Análisis espectral ner un analizador con un ancho de banda de resolución aceptable y la construcción de filtros paso banda con pendientes muy abruptas que resulta compleja. La ventaja es que se obtienen espectros en tiempo real. siendo reemplazado gradualmente por el analizador FFT para baja frecuencia mientras se mantiene dominante en el campo de radio frecuencia y microondas. Diagrama de bloques heterodyno El analizador de ondas El analizador de banco de filtros utiliza un gran número de filtros fijos para implementar un analizador de espectros. Otro enfoque es utilizar un solo filtro pero haciéndolo sintonizable en todo el rango de frecuencias de interés (figura 4). Ya que esta técnica sólo permite medir una frecuencia a la vez, no es un analizador de espectros en un sentido estricto, por eso adopta otros términos como analizador de ondas, medidor de nivel selectivo o voltímetro selectivo. El usuario sintoniza el analizador de ondas a la frecuencia de interés y lee el nivel de señal presente a esa frecuencia. El ancho de banda del filtro sintonizable determina el ancho de banda de resolución (resolution bandwidth), BWRES, del analizador de ondas. Con este tipo de medidores se obtiene una excelente exactitud en amplitud. El analizador de espectros de barrido (Sweep Spectrum Analizer) La arquitectura tradicional del analizador de espectros es la del receptor superheterodino. Al igual que en un receptor de radio, el analizador de espectros es sintonizado automáticamente en la banda de interés. Este tipo de analizador está • Mayo 2006 Los filtros paso banda sintonizables tienen restricciones muy serias en lo que se refiere al rango de frecuencias centrales que son capaces de sintonizar. Es por ello que raramente los analizadores de ondas utilizan filtros sintonizables. Lo que se hace realmente es fijar la frecuencia del filtro y trasladar la frecuencia de entrada a la frecuencia del filtro. La frecuencia central del filtro paso banda se denomina Frecuencia Intermedia (IF) y el filtro se denomina Filtro de IF (IF Filter). [E-5] Por tanto, a la salida del mezclador tendremos las frecuencias suma y diferencia de la señal del oscilador local y la señal de RF. Esta característica se usa para implementar el diagrama de bloques superheterodino. El filtro de IF siempre permanece sintonizado a la misma frecuencia central y el mezclador se usa para desplazar, en frecuencia, la señal de entrada de forma que caiga en el centro del filtro de IF. Esto hace que el filtro de IF sea más fácil de construir y no requiere que la frecuencia central sea sintonizable. Por supuesto que es necesario poder variar o sintonizar la fre- Figura 5. Un diagrama de bloques más práctico del analizador de ondas. La figura 5 muestra el diagrama de bloques simplificado de un analizador de ondas real. El componente clave es el mezclador. Éste es un dispositivo de tres puertas que es excitado por la señal de entrada del analizador (normalmente denominada señal de RF) y la señal del oscilador local (LO). La salida del mezclador es la frecuencia intermedia. Idealmente, el mezclador funciona como un multiplicador. Suponiendo que la entrada tiene la forma de: [E-2] y, [E-3] A la salida del mezclador tenemos: [E-4] cuencia del oscilador local (LO) pero esto es mucho más sencillo que construir un filtro sintonizable en un amplio rango de frecuencias. El mezclador genera frecuencias suma y diferencia de la señal de entrada y la procedente del oscilador local (LO). De las dos frecuencias generadas, solamente una de ellas se utiliza y se hace coincidir con la frecuencia central del filtro de IF. La otra frecuencia será rechazada por el filtro. El filtro paso bajo que figura antes del mezclador, se le conoce como filtro imagen. Sin este filtro, frecuencias indeseables podrían entrar en el mezclador, trasladándose a la frecuencia intermedia y por tanto falsear la medida. Figura 4. Diagrama de bloques conceptual de un analizador de ondas. 61 Análisis espectral El analizador de ondas sólo puede medir una frecuencia al mismo tiempo. Una mejora obvia es hacer que el analizador automáticamente realice barridos en frecuencia en todo el rango de frecuencia de interés. En el analizador de espectros, esto se lleva a cabo variando la frecuencia del oscilador local. tensión de rampa se aplica al eje horizontal (X) de la pantalla, mientras que la salida del detector se conecta, una vez filtrada, al eje vertical (Y). A medida que LO va variando o “barriendo” en frecuencia, el espectro de la señal de entrada se dibuja automáticamente en la pantalla. El filtro paso bajo a la salida del detector se denomina filtro de video que ayuda a suavizar la respuesta del analizador resultando una curva más limpia. La figura 6 muestra como el diagrama de bloques de un analizador de ondas se puede convertir en un analizador de espectros mediante un oscilador controlado por tensión (VCO) como oscilador local. Un generador de rampa se usa para producir un incremento lineal de tensión que excite al VCO. La misma Todo lo expuesto anteriormente, utiliza tecnología analógica y aunque resulta totalmente válida, la aparición del microprocesador y las técnicas digitales han cambiado el diagrama de bloques del analizador de espectros (figura 7). Por ejemplo, el LO se implementa utilizando técnicas de sínte- Arquitectura del analizador de espectros de barrido sis digital controlado por microprocesador. La señal se puede muestrear a la salida del filtro de IF o del detector y convertirse a formato digital para, posteriormente, ser procesada por un microprocesador. Consideraciones prácticas El diagrama de bloques mostrado anteriormente utiliza una úni- Figura 7. Diagrama de bloques del analizador de espectros de barrido con control por microprocesador. ca etapa mezclador/IF y se denomina receptor de conversión simple. Este arquitectura se puede utilizar para construir un analizador de espectros pero sus características y rendimiento son limitadas. Los analizadores modernos usan diagrama de bloques mucho más complicados. Figura 6. Diagrama de bloques simplificado del analizador de espectros de barrido. 62 • Mayo 2006 Análisis espectral Algunos requerimientos de diseño necesitan frecuencias intermedias más altas mientras que otros, necesitan frecuencias IF más pequeñas. Frecuencias de IF altas facilitan el rechazo de las frecuencia imagen pero filtros IF estrechos y los detectores con más difíciles de construir. Del mismo modo, estos filtros y detectores resultan más fáciles de construir si la frecuencia de IF con más bajas, pero llega a ser más complicado rechazar las frecuencias imagen. Se busca una solución de compromiso conectando en cascada varias etapas de conversión. Cada una de éstas etapas contiene un mezclador, un oscilador local y un filtro de frecuencia intermedia, siendo los osciladores locales derivados de uno maestro. El uso de varias etapas de conversión es muy frecuente en los analizadores de espectros. trumento. Si se utilizan múltiples filtros de IF, la respuesta compuesta de la cadena de filtros IF determina el ancho de banda de resolución. Normalmente, uno de los filtros de IF será mucho más estrecho que el resto y por tanto determinará el ancho de banda de resolución. Anchos de banda de resolución múltiples se implementan mediante conmutación a filtros diferentes. El tiempo de establecimiento de los filtros de banda ancho es corto, por tanto el tiempo total de medida es rápido. En cambio, filtros de banda estrecha necesitan mucho más tiempo, alargando el tiempo de medida. A cambio, se obtiene mejor resolución en frecuencia y una mejor relación señal/ruido. Esa es la razón por la que se aumenta el tiempo de medida cuando reducimos el ancho de banda de la resolución. Etapa de entrada La entrada del analizador de espectros en el diagrama de bloques contiene un atenuador variable, seguido con frecuencia por un amplificador. El objetivo de la sección de entrada es controlar el nivel de la señal que se aplica al resto de la circuitería. Si el nivel de señal es demasiado grande, los circuitos distorsionarán la señal, generando productos de distorsión que se añaden a la señal de entrada. Si el nivel de señal es muy bajo, la señal puede resultar enmascarada por el ruido presente en el analizador. Algunos instrumentos proporcionan una característica de auto rango que automáticamente selecciona la mejor atenuación. Ancho de banda de resolución (Resolution Bandwidth) El ancho de banda del último filtro de IF determina el ancho de banda de resolución, BWRES del ins- • Mayo 2006 Detección de la señal de IF La salida del Filtro de IF se conecta a la entrada del detector. El detector proporciona un nivel de DC que es proporcional al nivel de AC de la sección de IF. El detector se puede construir de varias formas siendo el detector de pico el más extendido. El detector suele tener a sus entrada un amplificador logarítmico que comprime la señal de acuerdo a una función logarítmica; es decir, para una entrada v, la tensión de salida es log(v). De esta forma se reducen las variaciones en el nivel de señal visto por el detector y simultáneamente proporciona al usuario una escala vertical logarítmica calibrada en decibelios. En los analizadores de espectros, la escala logarítmica es muy deseable debido a las grandes diferencias de nivel que puede haber entre las diferentes líneas espectrales. La etapa IF digital En la instrumentación más moderna, los filtros del ancho de banda de resolución y el detector se implementan mediante procesamiento digital de señal (figura 8). La señal se digitaliza antes de su entrada al detector. Un filtro digital proporciona el ancho de banda de resolución. La señal filtrada es detectada, también digitalmente. Incluso el filtro de video se puede implementar mediante técnicas digitales de procesado de señal. Con secciones de IF digitales se consigue anchos de banda de resolución muy estrechos (1Hz o inferior) y además estables ya que los filtros digitales no presentan ninguna deriva. Además, también se eliminan errores asociados con el amplificador logarítmico y el detector. Figura 8. La etapa IF/ detector de un analizador de espectros de barrido se puede diseñar utilizando técnicas de procesamiento digital de señal. El generador de seguimiento (Tracking Generator) Un generador de seguimiento es un accesorio complementario y muy útil del analizador de espectros. El generador de seguimiento, proporciona una señal sinusoidal cuya frecuencia es la misma que la de entrada del analizador. Esto permite al analizador de espectros realizar medidas básicas de redes. La salida del generador de seguimiento se conecta a la entrada del dispositivo bajo prueba y la respuesta es medida con el analizador. A medida que el analizador va “barriendo” en frecuencia, el generador de seguimiento está siempre operando a la frecuencia del receptor, obteniéndose de esta forma, la función de transferencia del dispositivo. 63