Cómo abordar las interferencias en campo gracias al análisis de espectro en tiempo real

Con la proliferación de las tecnologías inalámbricas utilizadas en aplicaciones comerciales, aeroespaciales y de defensa, los problemas por interferencias son cada vez más comunes y graves. Para mitigar sus consecuencias, muchos sistemas aeroespaciales y de defensa, así como algunos diseños 5G iniciales, se están pasando a frecuencias más altas, incluyendo la banda de ondas milimétricas. Esto conlleva ciertas mejoras de diseño, como el uso de pulsos de radar estrechos y señales de comunicación altamente cifradas. Aunque estas técnicas y tecnologías pueden hacer frente a los efectos de las interferencias generadas de forma externa, dificultan aún más la resolución de problemas en campo. Por tanto, se necesitan nuevas herramientas y tecnologías de medida para mantener de forma efectiva los sistemas implantados. Una de estas herramientas es el análisis de espectro en tiempo real (RTSA), especialmente eficaz para detectar y monitorizar interferencias. Cuando estas medidas de RTSA sin lagunas y a alta velocidad se añaden a un analizador de espectros o analizador combinado, el personal de campo puede utilizar un solo instrumento para detectar, localizar y solucionar problemas por interferencias. Para que estas capacidades estén disponibles hasta la banda Ka, Keysight ahora ofrece la opción de añadir análisis de espectro en tiempo real (RTSA) a muchos de sus analizadores de RF y microondas de mano FieldFox. Estos proporcionan un ancho de banda máximo en tiempo real de 10 MHz en rangos de frecuencia de hasta 50 GHz (modelos N995xA y N996xA).

Cómo enfrentarse a las señales transitorias actuales

A medida que evoluciona la tecnología, también lo hacen las dificultades en la detección, en las técnicas evasivas y en las contramedidas para el personal de campo. Por ejemplo, los sistemas de radar y guerra electrónica son cada vez más complejos y dinámicos, y pueden abarcar muchos kilómetros cúbicos de espacio aéreo por encima del campo de batalla. Además, la abundancia de sistemas de comunicación multiformato y de alta velocidad —como wifi, Bluetooth, LTE, etc.— aumenta la probabilidad de que surjan problemas de interoperabilidad. Muchas de las técnicas de señales más recientes utilizan modulación por pulsos y tienden a formar ráfagas, ya que dependen de una combinación de baja duración y baja potencia. Cuando estas señales interfieren en los sistemas cercanos, la resolución de problemas puede resultar difícil si se utilizan analizadores de espectros tradicionales, ya que resultan especialmente adecuadas para medir y detectar señales continuas y lentas, pero tienen dificultades para capturar y detectar señales de duración, potencia y comportamiento impredecibles. A medida que aumenta la complejidad y agilidad de las señales, las técnicas de medida sin lagunas, como el RTSA, están dejando de limitarse a las aplicaciones altamente específicas para gozar de una aceptación más generalizada. Instrumentos como los analizadores de mano FieldFox van un paso más allá al incorporar en una sola unidad un analizador de espectros en tiempo real (RTSA), un analizador de espectros y un analizador de cables y antenas, eliminando la necesidad de llevar a campo distintos instrumentos.

Qué significa análisis en tiempo real

La expresión “análisis en tiempo real” y las capacidades que implica a menudo significan cosas diferentes según la persona. Por suerte, el concepto básico es común y puede definirse así: en un analizador de señales o espectros con una sección de frecuencia intermedia (IF) digital, el funcionamiento en tiempo real es un estado en el que todas las muestras de señales se procesan para obtener algún resultado de medida. En la mayoría de los casos, los resultados son escalares —potencia o magnitud—, lo que corresponde a las medidas de espectro tradicionales. Para alcanzar un ancho de banda de análisis en tiempo real más amplio se necesitan velocidades de muestreo y de procesamiento mayores. Así, para una capacidad computacional dada, habrá un ancho de banda máximo por encima del cual el hardware de procesamiento de señales no podrá seguir el ritmo de la velocidad de muestreo. Otro término estrechamente relacionado es el “ancho de banda en tiempo real” (RTBW), que es el ancho de medida más amplio al que el analizador puede funcionar en tiempo real.

Visualización de información práctica

A medida que los entornos de señales ganan complejidad, resulta cada vez más importante poder representar grandes cantidades de datos de medida en una sola pantalla. Esto resulta esencial para los RTSA que generan miles de espectros por segundo, muchos más de los que puede discernir el ojo humano. Por ejemplo, FieldFox con RTSA puede producir más de 120.000 espectros por segundo, aunque el ojo humano no puede detectar de media más de 30. De este modo, para aprovechar los resultados en tiempo real, cada actualización de pantalla tiene que representar unos 4000 x 30 resultados de forma útil. Las pantallas más informativas se han creado compilando estadísticas y mostrando con qué frecuencia aparece un valor de medida concreto (por ejemplo, una amplitud concreta a una frecuencia específica). Un ejemplo sería la visualización de densidad, que es una medida de espectro mejorada para mostrar la frecuencia del evento y puede considerarse una versión invertida de la probabilidad. Estas pantallas están codificadas por color o intensidad de las trazas, y puede añadirse una función de persistencia para centrar la atención en eventos más recientes a medida que los datos antiguos van desapareciendo. Los datos de trazas (por ejemplo, la última actualización de una pantalla o un valor medio) también pueden superponerse como traza, como si se tratara de una medida de espectro tradicional. Este enfoque permite al personal de campo ver y centrarse en transitorios o eventos poco frecuentes, para después separarlos de otros comportamientos. Al cambiar los ajustes de persistencia y color, es posible resaltar determinados comportamientos. El RTSA también puede revelar señales dentro de señales. En un entorno altamente dinámico, puede resultar difícil ver señales pequeñas con ciclos de trabajo bajos cuando el contenido de la frecuencia se solapa con señales que son más amplias, más grandes o más frecuentes. Por suerte, ajustar el tiempo de persistencia puede aumentar las pequeñas diferencias que revelan señales esporádicas. En cualquier situación en la que las señales puedan separarse por frecuencia de aparición puede emplearse este método.

Llevar la precisión al campo

Cada pieza de un kit de campo debe demostrar su valía: esa es la filosofía de la familia de analizadores de mano FieldFox de Keysight. En aplicaciones como las pruebas de red para el sector aeroespacial/de defensa, los analizadores FieldFox ayudan a los ingenieros y técnicos a detectar rápidamente problemas, localizar su origen (ya sea una señal de interferencia
o un fallo en un componente) y, tras implementar una solución, comprobar el rendimiento del sistema. Los analizadores ofrecen medidas precisas de microondas y ondas milimétricas, y presentan características clave que facilitan el mantenimiento rutinario, la solución de errores a fondo y todo tipo de actividades relacionadas:

• Cobertura de frecuencias: de 5 kHz a un máximo de 50 GHz.

• Múltiples capacidades: comprobador de cables y antenas (CAT), analizadores de espectros, analizador de espectros en tiempo real (RTSA), analizador vectorial de redes (VNA), medidor de potencia, fuente de señales independiente, contador de frecuencia, receptor de GPS y mucho más.

• Diseño robusto: conforme a MIL PRF 28800 F, clase 2; tipo probado según IP 53 y MIL STD 810G 511.5, proceso 1 (entornos explosivos).

• Ideal para campo: 3,2 kg y batería de hasta 4 horas de duración. Un analizador de interferencias integrado también permite grabar y reproducir las señales capturadas.

FieldFox también puede llevar a cabo medidas de pulso utilizando el modo de analizadores de espectros y el sensor de potencia de pico USB. Las especificaciones de RTSA clave de FieldFox son excepcionales durante las pruebas en campo. En la mayoría de las aplicaciones por vía aérea (OTA), el ancho de banda en tiempo real (RTBW) máximo de 10 MHz es más que suficiente, ya que las interferencias externas suelen producirse en una banda mucho más estrecha. Otra especificación clave es la probabilidad de intercepción (POI), que es la duración mínima de una señal de interés que puede detectarse con un 100% de probabilidad y medirse con la misma precisión de amplitud que al observarse una señal CW. Un analizador FieldFox tiene un rendimiento de POI <12,2 us y puede detectar pulsos de tan solo 22 ns. Al buscar interferencias en campo, el rango dinámico y el rendimiento frente a emisiones espurias también son especificaciones importantes. El rango dinámico útil está en función de la compresión de ganancia de entrada, el rendimiento de preamplificador y el nivel de ruido del receptor del analizador. Juntos, estos factores determinan los niveles mínimos de potencia detectables. La Figura 5 ilustra el rendimiento de los analizadores FieldFox con RTSA: el nivel de ruido es de −93 dBm, no se ven espurias y el rango dinámico útil es de unos 67 dB a una frecuencia central de 2,45 GHz y un recorrido de 300 MHz. En general, FieldFox puede detectar
señales hasta un mínimo de −150 dBm con el preamplificador activado y unos ajustes de ancho de banda con resolución (RBW) estrechos.

Mejora de las medidas en el mundo real

Estas capacidades pueden aplicarse a distintas situaciones de medida en el mundo real, de las pruebas de radar y el análisis LTE a la monitorización de señales y simulación de errores en dispositivos explosivos improvisados (IED). La caracterización de señales de radar en campo es un buen ejemplo. Con un sistema de radar de pulsos, el analizador debe ofrecer una variedad de ajustes de ancho de banda con resolución (RBW) y recorrido que permitan medir características como la frecuencia de repetición de pulsos (PRF), la anchura de pulso (PW), el ciclo de trabajo y la potencia de pico. Para las pruebas de OTA se necesitan funciones de disparo precisas que capturen los pulsos de interés específicos. Si FieldFox funciona en modo RTSA, el usuario solo tiene que introducir la frecuencia central y el analizador capturará inmediatamente la señal pulsada. La anchura de pulso y la potencia de pico pueden medirse fácilmente y el usuario puede ajustar el recorrido de la frecuencia para ampliar o reducir el fragmento observado. Para el ciclo de trabajo de medida o la frecuencia repetitiva de pulso (PRF) solo hace falta cambiar al modo de recorrido cero. La pantalla de espectrograma permite ver la totalidad del tren de pulsos a lo largo de un periodo de tiempo; además, es posible seleccionar un espectro de frecuencia individual (es decir, una sola línea del espectrograma) para verla en una traza independiente (Figura 6). Este tipo de medida no es posible con un analizadores de espectro de barrido o de “instantánea”. Si una señal o un pulso falla en la prueba de verificación, el origen del problema suele estar dentro del sistema: un módulo de transmisión/ recepción, un filtro, una antena o un cable. Gracias a sus capacidades integradas de analizador vectorial de redes y comprobador de cables y antenas, es posible utilizar el mismo analizador FieldFox para realizar medidas de respuesta de fase y pérdidas de inserción, por ejemplo, para solucionar posibles problemas en dispositivos sospechosos dentro del propio sistema de radar.

Conclusión

Con la multitud de tecnologías inalámbricas disponibles hoy en día, necesitamos herramientas de medida avanzadas para mantener de forma eficaz los sistemas comerciales y aeroespaciales/de defensa desplegados. En los analizadores de espectros de mano o combinados FieldFox, el RTSA resulta especialmente eficaz para detectar interferencias y monitorizar señales. Así, el personal de campo puede utilizar un solo instrumento para detectar, localizar y solucionar interferencias en escenarios que van de las pruebas de radar y el análisis LTE a la monitorización de señales y la simulación de errores en IED. Para obtener más información: www.keysight.com/find/fieldfox