Gama de analizadores de señal y espectro de Rohde & Schwarz

Un analizador de espectro sirve, como su propio nombre indica, para detectar las señales presentes en un rango seleccionado del espectro. La función básica consiste en representar las señales en una visualización gráfica como amplitud —o nivel de potencia— en el eje y con respecto a la frecuencia en el eje x; las amplitudes de las señales detectadas se representan en el dominio frecuencial. Un analizador de espectro de RF cubre las frecuencias de radio y de microondas. El rango de frecuencias máximo con preselección actualmente disponible es de 2 hertzios a 85 GHz; con mezcladores externos pueden alcanzarse frecuencias más altas. Generalmente se utiliza la escala lineal para la frecuencia en el eje x, y una escala logarítmica o en decibelios (también logarítmica) para la amplitud en el eje y, de modo que pueden visualizarse señales con gran diferencia de amplitud al mismo tiempo. Los analizadores de espectro se utilizan muy frecuentemente en medidas de RF para visualizar no solo propiedades de señales deseadas, como p. ej. si una señal ocupa el ancho de banda designado, sino también para detectar señales no deseadas.

Tratándose de medidas de RF, apenas existen ya analizadores de espectro puros para detectar el nivel de señales deseadas y no deseadas visualizando los componentes espectrales en un rango de frecuencias. La naturaleza de muchas señales pulsadas modernas, así como la necesidad de detectar y analizar señales transitorias, hacen que un analizador de espectro clásico que utiliza el mismo principio superheterodino que los receptores de radio no sea suficiente para detectar con fiabilidad todas las señales que se presentan de forma intermitente como transitorios, o para medir la fase de una señal. Puesto que el rango de frecuencias de interés (el intervalo de frecuencia) excede la capacidad del analizador de espectro para procesar datos de forma simultánea, el intervalo de frecuencia se escanea (se realiza un barrido) del valor más bajo al más alto. Si una señal transitoria no está presente en el momento en el que se efectúa el barrido de la frecuencia, esta no se detecta.

El procesamiento digital mediante la transformada rápida de Fourier (FTT) del dominio temporal al dominio frecuencial ha mejorado notablemente las capacidades de detección y análisis de señales del analizador de espectro superheterodino. La FFT permite capturar y analizar el intervalo de frecuencia con mucha más rapidez: utilizando varias FFT en paralelo se obtiene un ancho de banda instantáneo mayor, con el que también se detectan los filtros, señales pulsadas y transitorios relevantes. Muchos analizadores de espectro ofrecen también un modo «zero span» para analizar la fase y la amplitud de una señal, y para demodular la señal en la frecuencia seleccionada. Además de la simple representación de las señales detectadas en pantalla, son también posibles medidas de ruido, ganancia, fase, ancho de banda de señal ocupado y relación de potencia de canal adyacente. La señal digital se puede exportar para el procesamiento posterior con herramientas de software con el fin de realizar análisis complementarios.

Un analizador de señales o, más correctamente, un analizador de señales vectoriales (VSA), se utiliza para demodular y analizar señales con modulación digital y compleja. El VSA captura señales en una frecuencia central establecida, utilizando filtros para ajustar el ancho de banda —o intervalo— de la visualización del espectro; un analizador de espectro realiza un barrido de un rango de frecuencias más amplio. En comparación con un analizador de espectro dedicado, el VSA incluye información de fase, así como medidas avanzadas adicionales de propiedades de la señal que no pueden obtenerse mediante el análisis de espectro, y utiliza el procesamiento digital para demodular señales sobre la base de componentes de modulación digital en fase (I) y en cuadratura (Q). Un VSA analiza características de la señal tales como la relación señal/ruido (o relación portadora/ruido), magnitud del vector de error (EVM) y potencia de dominio de código. Se pueden medir todas las características de señales pulsadas o transitorias, incluidos todos los valores de nivel, frecuencia, fase, ruido, ganancia, ancho de banda de señal ocupado y relación de potencia de canal adyacente.

El nivel de ruido y el ancho de banda representan una relación de equilibrio en todos los instrumentos de medida. Puesto que el VSA está centrado en una frecuencia fija, incluso con un ancho de banda de análisis más estrecho, un VSA bien diseñado ofrece un ruido de fondo bajo y una sensibilidad excelente para detectar señales de bajo nivel.

La mayoría de los VSA incluyen además un modo de análisis de espectro más adecuado para la detección de señales (no deseadas), que amplía el intervalo de la señal capturada, pero reduce las posibilidades de demodulación a AM, FM, o /фM.

El rango de frecuencias necesario para un analizador de espectro dependerá de la aplicación, es decir, las frecuencias que se desea investigar para detectar tanto señales deseadas como no deseadas, y la finalidad de la detección de señales. Para la comprobación técnica del espectro, por ejemplo, el rango de frecuencias solo tiene que incluir las frecuencias que se desea monitorizar. En el caso del desarrollo de dispositivos y análisis de EMI, muchos estándares exigen medidas de emisiones espurias en el tercer armónico de la frecuencia fundamental; para un dispositivo que opere en la banda ISM de 2,4 GHz, como un equipo Wi-Fi o Bluetooth®, se necesita un rango de frecuencias de como mínimo 7,2 GHz. Si se trata de verificar la conformidad con estándares se requieren en algunos casos medidas de emisiones espurias en el quinto armónico; aquí, para un dispositivo de 2,4 GHz, se requiere un rango de frecuencias de 12 GHz. Para dispositivos 5G que operan en la banda n258 de 24,25 a 27,50 GHz existen muy pocos analizadores de espectro que ofrezcan la frecuencia máxima necesaria de 82,5 GHz. Muchos estándares de organizaciones como ETSI, ANSI o 3GPP estipulan límites para las emisiones fuera de banda mucho más cercanos a la frecuencia fundamental. En todos los casos deberán consultarse los estándares aplicables al dispositivo que se desea medir y, como regla general, calcularse una frecuencia máxima que exceda en un 20 % el máximo previsto.

En general, el rango dinámico describe los valores máximo y mínimo que un instrumento puede medir; para un analizador de espectro diseñado para detectar varias señales simultáneamente, la definición corresponde a la capacidad del analizador para detectar una señal débil en presencia de una señal intensa. El rango dinámico de un analizador de espectro se define como la relación, en dB, de una señal mayor respecto a otra más pequeña en la que el analizador de espectro puede medir la de menor tamaño con una precisión determinada en presencia de la de mayor tamaño.

Puesto que el cometido habitual de un analizador de espectro es el de buscar emisiones espurias en presencia de la señal deseada, la capacidad del analizador para detectar una señal débil en presencia de una señal intensa es un criterio fundamental de rendimiento. El rango máximo de nivel de la señal, el ruido de fondo, el ruido de fase y la respuesta a espurios del instrumento juegan un papel importante en la determinación del rango dinámico.

El rango dinámico está limitado para la señal más débil por el ruido propio del analizador, y para la señal más fuerte por no linealidades.

El ruido propio se especifica mediante el nivel de ruido (DANL) indicado en dBm y normalizado a un ancho de banda de resolución de 1 Hz. Un preamplificador reduce el DANL, lo que favorece la detección de señales débiles pero reduce efectivamente el rango dinámico en general.

Las no linealidades se indican a través del punto de compresión a 1 dB, la distorsión del segundo armónico y el TOI (punto de intercepción de tercer orden).

El ruido de fase de una forma de onda se manifiesta en forma de fluctuaciones breves y rápidas en la frecuencia, y se muestran en la pantalla de un analizador de espectro como una línea borrosa o centelleante en la traza visualizada. El ruido de fase propaga la potencia de una señal a frecuencias adyacentes, dando como resultado bandas laterales de ruido que debilitan la potencia útil de la señal y reducen su calidad. Una señal débil puede desaparecer en el ruido de fase de una señal adyacente fuerte.

El ruido de fase en el dominio frecuencial equivale a la fluctuación de fase en el dominio temporal; una fluctuación de la frecuencia es también una desviación del flanco de una señal en el tiempo.

La causa del ruido de fase (y de la fluctuación de fase) son irregularidades en el rendimiento del oscilador que temporiza la traza.

Un oscilador ideal generaría una onda sinusoidal pura; toda la potencia de la señal se situaría en una única frecuencia. Sin embargo, los osciladores reales presentan inestabilidades que provocan componentes de ruido con modulación de fase. Los componentes de ruido de fase propagan la potencia de una señal a las frecuencias adyacentes. El ruido de fase del oscilador incluye a menudo ruido parpadeante de baja frecuencia y puede incluir ruido blanco. El ruido de fase describe la estabilidad de un oscilador en el dominio frecuencial, mientras que la fluctuación de fase describe la estabilidad en el dominio temporal.

El ruido de fase se puede medir con un analizador de espectro, siempre que el ruido de fase del objeto examinado sea elevado en comparación con el ruido de fase del oscilador local en el oscilador local del analizador de espectro.

El ruido de fase interno del analizador de espectro limita la capacidad para realizar medidas de ruido de fase y repercute en las medidas de magnitud del vector de error (EVM) en señales con modulación digital, especialmente en señales de banda estrecha.

Algunos analizadores de espectro ofrecen como opción, con un recargo en el precio, osciladores de mayor precisión que permiten mejorar la sensibilidad de las medidas de ruido de fase.

No hay una respuesta «correcta» a esta pregunta; cuál es el mejor analizador de espectro depende de las circunstancias individuales. Los criterios clave de decisión son la frecuencia de las señales que se desea medir, las características de dichas señales, qué medidas exactamente se necesitan, dónde se desea medir las señales y el presupuesto del que se dispone. El rango de frecuencias del analizador de espectro determinará la frecuencia mínima y máxima que podrá medirse. La velocidad de medida, el ancho de banda de análisis, el ruido de fase, el rango dinámico y la sensibilidad necesarios dependen en conjunto de las señales que se van a medir y del nivel de precisión requerido. Las funciones de análisis deberán ser acordes con las necesidades individuales. Otros aspectos a tener en cuenta son la movilidad y el peso, conceptos de opciones para ampliar el rendimiento después de la compra inicial, servicios de asistencia técnica y calibración, así como la adaptabilidad a la infraestructura de medida existente; ¿puede reemplazar el nuevo analizador el equipamiento anterior sin necesidad de modificar la configuración?

La gama de analizadores de espectro de Rohde & Schwarz incluye soluciones que responden a necesidades de medida tanto de índole general como para estándares industriales específicos. Cubre:

• Analizadores de espectro básicos como el R&S®FPC1500, con un rango de frecuencias a partir de 5 KHz hasta 1 GHZ, actualizable a 3 GHz, aptos para presupuestos de nivel educativo introductorio hasta de uso profesional, incluyendo amplias posibilidades de actualización.
• Analizadores de espectro portátiles con batería para actividades sobre el terreno de todo tipo para frecuencias hasta 31 GHz, como el R&S®FPH.
• Instrumentos de escritorio de uso general, como el R&S®FSV3000 o el R&S®FPL1000. Brindan un excelente rendimiento de RF y numerosas opciones de análisis de señales que incluyen 5G NR, así como una interfaz de usuario completa y control automático.
• Instrumentos compactos sin interfaz de usuario integrada para aplicaciones de producción, sistemas y monitorización, como el analizador de señal y espectro R&S®FPS. Medidas ultrarrápidas, excelente rendimiento, peso y tamaño mínimos y bajo consumo energético.
• Instrumentos de alto rendimiento como el R&S®FSW. Esta clase de instrumentos ofrece un rendimiento de RF imbatible, una frecuencia máxima de 90 GHz y ancho de banda de análisis de 8,3 GHz.