O portfólio de analisadores de espectro e sinal da Rohde & Schwarz

Um analisador de espectro faz o que seu nome já sugere: ele detecta os sinais presentes em um intervalo determinado de um espectro. Sua função básica é representar os sinais em uma exibição gráfica como amplitude — ou nível de potência — no eixo y conforme a frequência no eixo x; as amplitudes de sinais detectadas são representadas no domínio de frequência. Um analisador de espectro de RF cobre frequências de rádio e de micro-ondas. A faixa de frequências máxima disponível atualmente com pré-seleção é entre 2 hertz e 85 GHz; frequências mais altas são possíveis com mixers externos. Geralmente, uma escala linear é utilizada para a frequência no eixo x e uma escala logarítmica ou em decibéis (portanto, também logarítmica) para amplitude no eixo y; de modo que os sinais de amplitudes com variação ampla possam ser vistos ao mesmo tempo. Analisadores de espectro são amplamente utilizados em testes de RF para exibir não somente as características de sinais desejados, tais como se um sinal está ocupando a largura de banda designada, mas também para procurar sinais indesejados.

Para testes de RF, praticamente já não existem mais analisadores de espectro simplesmente para detectar o nível de sinais desejados e indesejados exibindo os componentes espectrais em uma faixa de frequências. A natureza de muitos dos sinais pulsados modernos juntamente com a necessidade de detectar e investigar sinais transientes significam que um analisador de espectro clássico que utiliza o mesmo princípio super-heteródino dos receptores de rádio não pode detectar confiavelmente todos os sinais intermitentemente presentes como transientes, nem medir a fase de um sinal. A medida em que os intervalos de frequências de interesse (a faixa de frequências) excede a capacidade do analisador de espectro de processar dados simultaneamente, a faixa de frequência é escaneada (varredura) desde a parte mais baixa até a mais alta. Se um sinal transiente não estiver presente enquanto a frequência é escaneada, ele não é detectado.

O processamento digital utilizando a transformada rápida de Fourier (FTT) do domínio do tempo para o domínio de frequência ampliou consideravelmente tanto as capacidades de detecção de sinal quanto de análise do analisador de espectro super-heteródino. A FFT permite capturar e analisar a faixa de frequências com muito mais rapidez: ao utilizar FFTs em resultados paralelos em uma largura de banda instantânea mais ampla de modo que, com filtros adequados, sinais pulsados e transientes também são detectados. Muitos analisadores de espectro também oferecem modo zero span para analisar fase e amplitude de um sinal, bem como demodular o sinal na frequência selecionada. Além da simples representação dos sinais detectados em uma tela, medições de ruído, ganho, fase, largura de banda de sinal ocupada e potência de canal adjacente são possíveis. O sinal digital pode ser exportado para pós-processamento por ferramentas de software que oferecem recursos adicionais de análise.

Um analisador de sinal é um analisador de sinais vetoriais (VSA), utilizado para demodular e analisar sinais com modulação digital complexa. Um VSA captura sinais em uma frequência central fixa, utilizando filtros para definir a largura de banda — ou a faixa — da exibição do espectro; um analisador de espectro escaneia um intervalo mais amplo de frequências. Comparado a um analisador de espectro específico, o VSA inclui informações de fase e, adicionalmente, medições avançadas de características do sinal que não podem ser obtidas utilizando análise de espectro; ele utiliza processamento digital para demodular sinais com base em componentes de modulação de fase digital de entrada (I) e quadratura (Q). Um VSA analisa características de sinal tais como relação sinal-ruído (ou relação ruído-portadora), magnitude vetorial de erro (EVM) e potência de domínio de código. Todas as características de sinais pulsados ou transientes podem ser medidas, incluindo todos os valores de nível, frequência, fase, ruído, ganho, largura de banda de sinal ocupada e potência de canal adjacente.

O nível de ruído e a largura de banda de instrumentos de medição estão invariavelmente em uma relação de compensação; pois como um VSA é centrado em uma frequência fixa, uma largura de banda de análise mais estreita é suficiente; de modo que um VSA bem projetado tem um baixo piso de ruído e sensibilidade excelente para detectar sinais de baixo nível.

A maioria dos VSA também inclui um modo de análise de espectro mais adequado para detecção de sinais (indesejados), aumentando a faixa do sinal capturado, mas reduzindo as possibilidades de demodulação para AM, FM, ou /фM.

A faixa de frequências necessária para um analisador de espectro dependerá da aplicação, do significado das frequências a serem investigadas tanto para sinais desejados quanto para indesejados, e do propósito da detecção de sinal. Para monitoramento de espectro, por exemplo, a faixa de frequências precisa incluir apenas as frequências a serem monitoradas. Para o desenvolvimento de dispositivos e pesquisas de EMI, muitos padrões requerem medições de emissões espúrias no terceiro harmônico da frequência fundamental; para um dispositivo operando na banda ISM de 2,4 GHz, tal como um dispositivo Wi-Fi ou Bluetooth®, uma faixa de frequências de pelo menos 7,2 GHz é requerida. Para a conformidade aos padrões, em alguns casos é necessário medir emissões espúrias para o 5º harmônico; para um dispositivo de 2,4 GHz é necessária uma faixa de frequências de 12 GHz. Para dispositivos operando em 5G em banda n258 entre 24,25 e 27,50 GHz, existem poucos analisadores de espectro disponíveis com a frequência máxima necessária de 82,5 GHz. Muitos padrões de organizações, tais como ETSI, ANSI ou 3GPP, especificam limites muito mais próximos à frequência fundamental para emissões fora de bandas. Em todos os casos, verifique sempre os padrões aplicáveis ao dispositivo em teste e, como princípio básico, escolha preferencialmente uma frequência máxima que exceda o máximo previsto em 20%.

Em geral, a faixa dinâmica descreve os valores máximo e mínimo que um instrumento pode medir; para um analisador de espectro projetado para detectar diversos sinais simultaneamente, ela é definida como a capacidade do analisador de detectar um sinal fraco na presença de um sinal forte. A faixa dinâmica de um analisador de espectro é definida como a proporção em dB de um sinal maior para um sinal menor, em que o analisador de espectro consegue medir o sinal menor a uma determinada precisão na presença do sinal maior.

Uma utilização comum de analisadores de espectro é para procurar emissões espúrias na presença do sinal desejado; a capacidade do analisador de detectar um sinal fraco na presença de um sinal forte é um critério fundamental para o desempenho. Máximo intervalo de nível de sinal, piso de ruído, ruído de fase e resposta espúria do instrumento; todos desempenham papéis importantes na determinação da faixa dinâmica.

A faixa dinâmica é limitada para o sinal mais fraco pelo ruído inerente do analisador e, para o sinal mais forte, por não-linearidades.

O ruído inerente é especificado pelo nível de ruído médio exibido (DANL), dado em dBm e normalizado para uma resolução de largura de banda de 1 Hz. Um pré-amplificador reduz o DANL, o que ajuda a detectar sinais fracos, mas acaba por aumentar outras distorções e reduzir a faixa dinâmica geral.

As não-linearidades são mostradas pelo ponto de compressão de 1 dB, pela distorção do segundo harmônico e pela interceptação de terceira ordem (TOI).

O ruído de fase de uma forma de onda designa, resumidamente, as flutuações da frequência visualizadas em uma tela de analisador de espectro como as áreas embaçadas ou tremidas na forma de onda na tela. Ruídos de fase espalham a potência de um sinal para frequências adjacentes, resultando em bandas secundárias de ruído, enfraquecendo a potência de sinal utilizável e reduzido a qualidade de sinal. Um sinal fraco pode desaparecer no ruído de fase de um sinal forte adjacente.

O ruído de fase no domínio de frequência corresponde ao jitter no domínio do tempo; uma flutuação de frequência também é um desvio da borda de um sinal no tempo.

A causa do ruído de fase (e jitter) são as irregularidades no desempenho do oscilador realizando o clock da forma de onda.

Um oscilador ideal deve gerar uma onda senoidal pura; toda a potência do sinal deve estar em uma única frequência. Porém, todos os osciladores reais têm instabilidades causando componentes de ruído modulados por fase. Os componentes de ruído de fase espalham a potência de um sinal nas frequências adjacentes. O ruído de fase do oscilador frequentemente inclui ruídos inconstantes de frequência e podem incluir ruídos brancos. O ruído de fase descreve a estabilidade de um oscilador no domínio de frequência, enquanto o jitter descreve a estabilidade no domínio do tempo.

É possível medir o ruído de fase utilizando um analisador de espectro, contanto que o ruído de fase do dispositivo em teste seja grande em comparação com o ruído de fase do oscilador local no analisador de espectro do oscilador local.

O ruído de fase inerente do analisador de espectro limita a capacidade de realizar medições de ruído de fase e influencia medições de magnitude vetorial de erro (EVM) em sinais modulados digitalmente, principalmente em sinais de banda estreita.

Alguns analisadores de espectro oferecem por acréscimos de preço osciladores opcionais de precisão mais alta para aprimorar a sensibilidade das medições de ruído de fase.

Não há uma única resposta “correta” para esta pergunta, o melhor analisador de espectro depende das circunstâncias individuais. Os principais fatores para a decisão são a frequência dos sinais a serem medidos, as características que precisam ser medidas nos sinais, exatamente quais medições são necessárias, onde os sinais devem ser medidos e qual o orçamento disponível. A faixa de frequências do analisador de espectro determinará a frequência mínima e a frequência máxima que podem ser medidas. A velocidade de medição necessária, a largura de banda de análise, o ruído de fase, a faixa dinâmica e a sensibilidade dependem dos sinais a serem medidos e da precisão requerida. As capacidades de análise devem corresponder aos requisitos individuais. Critérios adicionais incluem questões como portabilidade e peso, conceitos opcionais para adicionar recursos de desempenho após a primeira compra, suporte em serviços e calibração e a adequação à infraestrutura de teste existente; o novo analisador pode atuar como módulo de extensão substituto para equipamentos anteriores?

O portfólio de analisadores de espectro da Rohde & Schwarz inclui soluções tanto para medições com finalidades gerais quanto padrões específicos de diferentes setores. Ele abrange:

• Analisadores de espectro de nível básico, tais como o R&S®FPC1500, com uma faixa de frequências entre 5 KHz e 1 GHZ atualizável para até 3 GHz; para caber em orçamentos de finalidades educacionais introdutórias até a utilização profissional e inclui abrangentes possibilidades de atualização.
• Analisadores de espectro portáteis a bateria utilizados em todos os tipos de operações em campo para frequências de até 31 GHz, como o R&S®FPH.
• Instrumentos de bancada para finalidades gerais, como o R&S®FSV3000 ou o R&S®FPL1000. Eles fornecem excelente desempenho de RF e muitas opções de análise de sinais incluindo 5G NR e dispõem de uma abrangente interface de usuário e controle automatizado.
• Instrumentos compactos sem uma interface de usuário integrada para aplicações em produção, sistemas e monitoramento, como o analisador de espectro e sinal R&S®FPS. Medições ultrarrápidas e desempenho excelente com tamanho, peso e consumo de eletricidade mínimos.
• Instrumentos de alto desempenho, como o R&S®FSW. Este instrumento avançado fornece desempenho de RF inigualável, exclusiva frequência máxima de 90 GHz e largura de banda de análise de 8,3 GHz.