Gama de analizadores de señal y espectro de Rohde & Schwarz

Un analizador de espectro realiza lo que el nombre sugiere: detecta la señal que se encuentra en un rango de espectro seleccionado. Su función básica es representar las señales en una pantalla gráfica como amplitud (o como nivel de potencia) en el eje y frente a la frecuencia en el eje x; las amplitudes de las señales detectadas se representan en el dominio de la frecuencia. Un analizador de espectro de RF abarca frecuencias de radiocomunicación y de microondas. La gama de frecuencias máxima con preselección actualmente disponible es de 2 Hz a 85 GHz; frecuencias más altas son posibles con mezcladores externos. Normalmente, se utiliza una escala lineal para la frecuencia en el eje x y una escala logarítmica o de decibelios (también logarítmica), para la amplitud en el eje y, a fin de que las señales de amplitud sumamente variables puedan verse al mismo tiempo. Los analizadores de espectro son ampliamente utilizados en las pruebas de RF para visualizar no solo las características de señal deseada, tales como si una señal ocupa el ancho de banda designado, sino también para buscar señales interferentes.

Para pruebas de RF, ya casi no existe un analizador de espectro puro para detectar el nivel de señales deseadas e interferentes mediante la visualización de los componentes espectrales en una gama de frecuencias. La naturaleza de muchas de las señales pulsadas, además de la necesidad de detectar e investigar señales transitorias, implica que el clásico analizador de espectro, que utiliza el mismo principio superheterodino que los receptores de radiocomunicación, no puede detectar de manera confiable todas las señales que se presentan de manera intermitente, como los fenómenos transitorios, ni medir la fase de una señal. Como la gama de frecuencias de interés (el intervalo de frecuencia) excede la capacidad del analizador de espectro para el procesamiento simultáneo de datos, el intervalo de frecuencia se escanea (barrido) de menor a mayor. Si una señal transitoria no está presente mientras se barre la frecuencia, no se detecta.

Gracias al procesamiento digital mediante la utilización de la transformada rápida de Fourier (FTT) desde el dominio del tiempo hasta el dominio de la frecuencia, se han ampliado considerablemente las funciones de análisis y detección de señales de los analizadores de espectro superheterodinos. La FFT proporciona una captura y un análisis mucho más rápidos del intervalo de frecuencia: la utilización de FFT en paralelo da como resultado un ancho de banda instantáneo más amplio para que, con los filtros adecuados, también se detecten señales pulsadas y transitorias. Muchos analizadores de espectro también ofrecerán modo «zero span» para analizar la fase, así como también la amplitud de una señal, y para demodular la señal a la frecuencia seleccionada. Además de la simple representación de las señales detectadas en una pantalla, son posibles mediciones de ruido, ganancia, fase, ancho de banda de la señal ocupada, y la relación de potencia de canal adyacente. La señal digital se puede exportar para su posterior procesamiento mediante herramientas de software que proporcionan análisis adicionales.

Un analizador de señales, más apropiadamente un analizador de señales vectoriales (VSA), se utiliza para demodular y analizar señales con modulación digital compleja. Un VSA captura señales en una frecuencia central fija, mediante la utilización de filtros para definir el ancho de banda (o span) de la representación del espectro; un analizador de espectro barre una gama de frecuencias más amplia. En comparación con un analizador de espectro dedicado, un VSA incluye información de fase, además de mediciones avanzadas adicionales de las características de la señal que no se pueden obtener mediante el análisis de espectro, también utiliza procesamiento digital para demodular señales basadas en componentes de modulación digital en fase (I) y en cuadratura (Q). Un VSA analiza las características de la señal, así como también la relación señal-ruido (o la relación portadora/ruido), la magnitud del vector de error (EVM) y la potencia de dominio de código. Todas las características de las señales pulsadas o transitorias pueden medirse, como todos los valores de nivel, frecuencia, fase, ruido, ganancia, ancho de banda de la señal ocupada, y la relación de potencia de canal adyacente.

El nivel de ruido y el ancho banda de instrumentos de medición deben de presentar cierto equilibrio: como un VSA se centra en una frecuencia fija, un ancho de banda de análisis más angosto será suficiente para que un VSA con un buen diseño tenga un bajo ruido de fondo y una excelente sensibilidad para detectar señales de nivel bajo.

La mayoría de VSA también incluirán un modo de análisis de espectro más apropiado para la detección de señales (no deseadas), al aumentar el span de la señal capturada, y reducir las posibilidades de demodulación a AM, FM, o /фM.

La gama de frecuencias requerida para un analizador de espectro dependerá de la aplicación, es decir, las frecuencias a investigar tanto para las señales deseadas y no deseadas, y el propósito de la detección de señales. Para la comprobación técnica del espectro, por ejemplo, la gama de frecuencias solamente necesita incluir las frecuencias que van a comprobarse. Para el desarrollo de dispositivos y las investigaciones de EMI, muchos estándares requieren de mediciones de emisiones espurias en el tercer armónico de la frecuencia fundamental, para un dispositivo que funciona en la banda ISM de 2.4 GHz, como un dispositivo Wi-Fi o Bluetooth®, se requiere una gama de frecuencias de al menos 7.2 GHz. Para la conformidad con los estándares, en algunos casos se requieren de emisiones espurias hasta el quinto armónico; para dispositivos de 2.4 GHz se requiere una gama de frecuencias de 12 GHz. Para los dispositivos de 5G que funcionan en la banda n258 de 24.25 GHz a 27.50 GHz, existen muy pocos analizadores de espectro disponibles con la frecuencia máxima necesaria de 82.5 GHz. Muchos estándares de organizaciones como ETSI, ANSI o 3GPP especifican límites para emisiones fuera de banda, mucho más cerca a la frecuencia fundamental. En todos los casos, verifique los estándares que se aplican al dispositivo a probar y, como regla general, aspire a una frecuencia máxima que exceda el máximo anticipado en un 20%.

Por lo general, el rango dinámico describe los valores máximos y mínimos que un instrumento puede medir, en el caso de un analizador de espectro diseñado para detectar varias señales de manera simultánea, la definición es «la capacidad de un analizador para detectar una señal débil en presencia de una señal más fuerte». El rango dinámico de un analizador de espectro se define como la relación, en dB, entre una señal más amplia y una más pequeña en la que el analizador de espectro puede medir la más pequeña para una precisión dada en la presencia de la más amplia.

Un uso común del analizador de espectro consiste en buscar emisiones espurias en la presencia de la señal deseada, la capacidad del analizador para detectar una señal débil en presencia de una señal más fuerte es un criterio de rendimiento fundamental. El rango de nivel de señal máximo, el ruido de fondo, el ruido de fase y la respuesta espuria del instrumento, juegan un papel fundamental 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 las no linealidades.

El ruido propio está especificado por el nivel de ruido (DANL) expresado en dBm y normalizado a un ancho de banda de resolución de 1 Hz. Un preamplificador reduce el DANL, lo que ayuda a detectar señales débiles, pero en realidad reduce el rango dinámico general.

Las no linealidades se muestran mediante el punto de compensación a 1 dB, la segunda distorsión armónica, y el TOI (punto de interceptación de tercer orden).

El ruido de fase de una forma de onda es conformado por fluctuaciones breves y rápidas en la frecuencia, que se ven en la pantalla del analizador de espectro como borrosidad o trepidación de la forma de onda representada. El ruido de fase propaga la potencia de una señal a las frecuencias adyacentes, lo que da lugar a ruidos en las bandas laterales, debilita la potencia de señal utilizable, y también reduce la calidad de la señal. Una señal débil puede desaparecer dentro del ruido de fase de una señal adyacente fuerte.

El ruido de fase en el dominio de la frecuencia corresponde al jitter en el dominio del tiempo, una fluctuación en la frecuencia es también una desviación del flanco de una señal en el tiempo.

Las causas del ruido de fase (y jitter) son las irregularidades en el rendimiento del oscilador que cronometra la forma de onda.

Un oscilador ideal debería generar una onda senoidal pura, toda la potencia de la señal está en una sola frecuencia. Sin embargo, todos los osciladores reales tienen inestabilidades que causan componentes de ruido de fase modulada. Los componentes del ruido de fase propagan la potencia de una señal a las frecuencias adyacentes. El ruido de fase del oscilador a menudo incluye ruido titilante de baja frecuencia y puede incluir ruido blanco. El ruido de fase describe la estabilidad de un oscilador en el dominio de la frecuencia, mientras que el jitter describe la estabilidad en el dominio del tiempo.

El ruido de fase puede medirse con un analizador de espectro, siempre y cuando el ruido de fase de un dispositivo bajo prueba sea mayor que ruido de fase del oscilador local en el oscilador local del analizador de espectro.

El ruido de fase inherente del analizador de espectro limitará la capacidad de realizar mediciones de ruido de fase e influirá en las mediciones de la magnitud del vector de error (EVM) en señales moduladas y sobre todo en las señales de banda estrecha.

Algunos analizadores de espectro ofrecerán osciladores opcionales de más alta precisión a un costo adicional para mejorar la sensibilidad de las mediciones de ruido de fase.

No existe una respuesta «correcta» a esta pregunta, el mejor analizador de espectro dependerá de las circunstancias individuales de cada cliente. Los factores decisivos serían la frecuencia de las señales a medir, sus características y el presupuesto disponible. La gama de frecuencias del analizador de espectro determinará la frecuencia máxima que puede medirse. La velocidad de medición requerida, el ancho de banda de análisis, el ruido de fase, el rango dinámico y la sensibilidad dependen de las señales a medir y la precisión requerida. Las funciones de análisis deben coincidir con los requerimientos individuales. Otros criterios incluyen cuestiones como portabilidad y peso, conceptos de opciones para un rendimiento adicional después de la compra, servicio técnico y calibración, así como la adecuación para la infraestructura de prueba ya disponible. ¿Puede el nuevo analizador actuar como un sustituto para el equipo previo?

La gama de osciloscopios de Rohde & Schwarz incluye soluciones tanto para mediciones con fines generales como para estándares específicos de la industria. Cubre:

• Analizadores de espectro de nivel básico como el R&S®FPC1500, con una gama de frecuencias que va de 5 KHz a 1 GHZ, actualizable a 3 GHz, para adaptarse a presupuestos del sector de la educación inicial y del sector profesional. Las soluciones incluyen posibilidades de actualización completa.
• Analizadores de espectro portátiles que funcionan con batería utilizados en todo tipo de aplicaciones de campo para frecuencias hasta 31 GHz, como el R&S®FPH.
• Instrumentos de sobremesa de propósito general, como el R&S®FSV3000 o el R&S®FPL1000. Proporcionan excelente rendimiento de RF y muchas opciones de análisis de señales, entre las que se incluyen 5G NR. Presentan también una interfaz de usuario completa y un control automatizado.
• Instrumentos compactos sin una interfaz de usuario integrada para aplicaciones de producción, sistema y monitoreo, como el analizador de señal y espectro R&S®FPS. Mediciones ultrarápidas, excelente rendimiento, mínimo tamaño, peso y consumo de electricidad.
• Instrumentos de alto rendimiento como el R&S®FSW. Esta clase de instrumentos proporciona un rendimiento de RF sin igual, una frecuencia máxima única de 90 GHz y ancho de banda de análisis de 8.3 GHz.