analizador de espectro

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Analizador de Espectro Analogico y Digital

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  • 1. ANALIZADOR DE ESPECTRO

2. Objetivos Entender los principios de funcionamiento del analizador de Espectro Analogico. Entender los principios de funcionamiento del analizador de Espectro Digital. Comparar los analizadores espectrales analgicos y los digitales. Entender el proceso de diseo mediante un diagrama en bloque de un analizador espectral. Introduccin y manejo bsico del Analizador de Espectros. Visualizacin en el dominio de la frecuencia de seales reales. Reconocimiento en el dominio de la frecuencia de seales reales. Analizar las aplicaciones de los analizadores espectrales en el campo de la ingeniera y las Ciencias. Interiorizarse acerca de las medidas preventivas que hay que tomar al utilizar el analizador de espectro. 3. Introduccion Analizar una seal, es extraer informacin de la misma, ya sea en el dominio del tiempo o de la frecuencia . En todos los mbitos de estudio de la seal, nos podemos encontrar con diversos tipos de ondas: peridicas, no peridicas, deterministas, estocsticas, etc. Si estamos interesados en conocer las caractersticas de la seal con respecto al tiempo se dispone de osciloscopios, ya sean analgicos o digitales. De esta forma, podremos ser capaces de obtener caractersticas tales como la forma de la seal, su amplitud, su fase, su evolucin en el tiempo, el posible retraso respecto a otra seal, etc. Ahora bien, si estamos trabajando con seales peridicas y queremos conocer las componentes en frecuencia de las mismas, sus niveles de potencia, etc. En estos casos se necesitan instrumentos de medida que se denominan analizadores de espectro, tanto analgicos como digitales. 4. Toda seal peridica se puede descomponer como una suma de ondas senoidales, cuyas amplitudes y frecuencias son obtenidas a partir del anlisis de Fourier. Se denomina espectro de frecuencias de una seal a esta descomposicin, La forma de representar grficamente este espectro es, mediante los clsicos ejes de coordenadas, asignando el valor de las frecuencias al eje de abscisas y dibujando la amplitud de los mismos en el eje de coordenadas. 5. Si la complejidad de la seal va en aumento, el clculo de la serie de Fourier se va haciendo ms y ms difcil y tedioso. Para evitar este esfuerzo y para facilitar la representacin del espectro de frecuencias de cualquier seal se crearon los analizadores de espectro, los analizadores de fourier y los analizadores de onda. 6. Analizador de espectro Un analizador de espectro es un equipo de medicin electrnica que permite visualizar en una pantalla las componentes espectrales en un espectro de frecuencias de las seales presentes en la entrada, pudiendo ser sta cualquier tipo de ondas elctricas, acsticas u pticas 7. En la pantalla del equipo slo se muestran las componentes de frecuencia, de la seal analizada. 8. Como dispositivo de pantalla para mostrar la amplitud de cada armnico de la seal se emplea un tubo de rayos catdicos (TRC). Normalmente, se fabrican para mostrar seales en los rangos desde 5 Hz hasta 40 GHz. En el eje de ordenadas suele presentarse en una escala logartmica el nivel en dBm del pitido contenido espectral de la seal. En el eje de abscisas se representa la frecuencia, en una escala que es funcin de la separacin temporal y el nmero de muestras capturadas. Se denomina frecuencia central del analizador a la que corresponde con la frecuencia en el punto medio de la pantalla.A menudo se mide con ellos el espectro de la potencia elctrica. En la actualidad est siendo reemplazado por el analizador vectorial de seales. 9. Tipos de analizadores espectrales Un analizador analgico,los analizadores analgicos utilizan un filtro pasa banda de frecuencia variable cuya frecuencia central se afina automticamente dentro de una gama de fija. Tambin se puede emplear un banco de filtros o un receptor superheterodino donde el oscilador local barre una gama de frecuencias. Algunos otros analizadores como los Tektronix (de la serie RSA) utilizan un hbrido entre anlogo y digital al que llaman analizador de Espectros "en tiempo real" . La seales son convertidas a una frecuencia ms baja para ser trabajadas con tcnicas FFT o transformada rpida de Fourier. Un analizador digital de espectro utiliza la (FFT), un proceso matemtico que transforma una seal en sus componentes espectrales. Algunas medidas requieren que se preserve la informacin completa de seal -frecuencia y fase, este tipo de anlisis se llama vectorial. 10. Existen 3 tipos de analizadores de espectros: a) en tiempo real. b) por transformada de Fourier. c) por barrido sintonizado. Las principales caractersticas de cada tipo son : 11. El Analizador de Fourier realiza otro estudio espectral. En este caso, la seal de entrada se pasa, en paralelo y simultneamente, por un gran nmero (en algunos casos hasta 2048) de filtros digitales. De esta forma, el espectro de frecuencias de una seal se puede obtener muy rpidamente (por este motivo se les conoce tambin como analizadores de tiempo real). En este caso, como elemento de representacin grfica, tambin se emplea un tubo de rayos catdicos. Normalmente se utilizan en el rango de DC hasta los 100 KHz. 12. Los analizadores de espectros que utilizan transformada de Fourier realizan un tratamiento digital de la seal de entrada durante un determinado periodo de tiempo. De esta transformacin se obtiene como resultado una informacin de frecuencia, fase y amplitud. El tratamiento digital de la seal nos permite el anlisis de seales tanto de tipo peridicas o aleatorias. Por el contrario, al igual que los analizadores en tiempo real, presentan inconveniente del pequeo ancho de banda con que trabajan, limitado por la propia digitalizacin que sufre la seal. El margen de frecuencias hasta donde suelen llegar a trabajar este tipo de analizadores de espectros es de unos pocos cientos de kilohertz (KHz). 13. El analizador por barrido sintonizado : Este tipo de anlisis de la seal se divide a su vez en dos: la tcnica por filtros sintonizados, donde la seal a analizar ataca a unos filtros de entrada cuya frecuencia de paso se adapta perfectamente a la frecuencia de dicha seal a medir. Este tipo de analizadores son baratos en cuanto a su diseo pero quedan mas bien pobres en cuanto a los resultados de los parmetros analizados. Es por ello por lo que el tipo de analizador ms utilizado es el receptor heterodino, donde la seal recibida es captada por un receptor heterodino. Esto trae consigo una mayor precisin de los parmetros a medir de la seales de entrada, al mismo tiempo que se amplia considerablemente el margen de frecuencias sobre las que se puede trabajar. 14. Emplear medidas con instrumentacin orientadas al dominio de la frecuencia trae consigo una serie de ventajas con respecto a las medidas en el dominio del tiempo. Entre ellas podemos destacar: Mayor sensibilidad en la medida en banda estrecha. Reduccin del ruido introducido en la medida. Eliminacin de interferencias en frecuencias no deseadas. Posibilidad de filtrado de ciertas frecuencias. Facilidad para separar distintas seales. Medidas del ancho de banda de utilizacin del circuito estudiando (DUT) y determinacin de su funcin de transferencia en el dominio de la frecuencia 15. La medida realizada sobre la seal puede ser, en un caso simple, la amplitud, y frecuencia de una determinada lnea espectral. En general, el contenido espectral de la seal nos ofrece informacin sobre los armnicos, bandas de modulacin, respuestas espreas, niveles de ruido y todo esto se puede estudiar a partir del analizador de espectros. 16. Principio de funcionamiento Los analizadores de espectro pueden clasificarse en funcin de la tcnica empleada para realizar el anlisis espectral: Analizador espectral simultneo o de bancos de filtros Analizador espectral de barrido Analizador de barrido superheterodino 17. Analizador espectral simultneo o de bancos de filtros El sistema est compuesto por un conjunto o banco de filtros pasabanda, relativamente selectivos, cada uno de ellos sintonizado a una frecuencia distinta. Si se mide la salida de cada uno de estos filtros se puede determinar la potencia en la porcin del espectro comprendida por su ancho de banda. Eligiendo las frecuencias centrales y el ancho de banda de modo que las respuestas en frecuencia se solapen adecuadamente, se puede caracterizar completamente el rango del espectro cubierto por el conjunto de filtros. El nmero de filtros necesarios para cubrir el espectro depende de consideraciones econmicas: para detectar lneas espectrales arbitrariamente prximas, debera utilizarse un elevado nmero de pasabanda muy angostos. El costo de cada filtro crece a medida que disminuye su ancho de banda, de modo que un analizador de alta resolucin resulta muy oneroso. Los analizadores espectrales analgicos simultneos o de bancos de filtros suelen utilizarse en aplicaciones de audio, donde es habitual utilizar 32 filtros, cada uno cubriendo un ancho de banda de un tercio de octava. 18. Analizador espectral de barrido Una manera de evitar el empleo de un banco de filtros costosos es utilizando un nico filtro pasabanda cuya frecuencia central pueda desplazarse dentro del rango de frecuencias de inters. En la figura se grafica la amplitud de la salida de estado estacionario del filtro en funcin de la frecuencia a la que est sintonizado y asi se obtiene el espectro de la seal de entrada. 19. Analizador de barrido superheterodino An cuando para un determinado ancho de banda de anlisis el analizador espectral de barrido es ms econmico que el analizador de banco de filtros, tambin es extremadamente costoso debido a que es difcil disear un filtro pasabanda selectivo, de alta calidad cuya frecuencia central pueda ajustarse a voluntad sobre un amplio rango de frecuencias manteniendo un Q constante. Sin embargo, este inconveniente puede solucionarse en base a la propiedad de modulacin de la transformada de Fourier. 20. Heterod