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Medidas del dominio de la frecuencia, ¿con un analizador de espectros o un osciloscopio?

Los cambios en las tecnologías de prueba y medida difuminan las fronteras entre plataformas y ofrecen nuevas opciones a los ingenieros.

 

Introducción

 

Para generaciones de ingenieros de radiofrecuencia, las reglas eran sencillas: si uno quería observar una señal en el dominio de la frecuencia, usaba un analizador de espectros, y si quería estudiar una señal en el dominio del tiempo, usaba un osciloscopio. El analizador de espectros clásico era básicamente un mezclador de frecuencias que utilizaba un oscilador local para buscar señales en un rango de frecuencias. El osciloscopio era incluso más básico: utilizaba la tensión de una señal entrante para hacer rebotar el haz CRT de arriba abajo en la pantalla para mostrar cómo cambiaba la señal con el paso del tiempo. Las medidas del dominio de la frecuencia (frecuencia de salida, potencia de banda, ancho de banda de la señal, etc.) se realizaban con un analizador de espectros, mientras que para las medidas del dominio del tiempo (anchura y velocidad de repetición de pulsos, análisis de tiempos de la señal, etc.) se utilizaba un osciloscopio.

A medida que la revolución digital facilitó y generalizó las técnicas de procesamiento de señal, la frontera entre las dos plataformas comenzó a difuminarse. Los osciloscopios empezaron a incorporar técnicas de transformada rápida de Fourier (FFT) que convertían las trazas del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia. Los analizadores de espectros comenzaron a capturar sus datos en el dominio del tiempo y a utilizar postprocesamiento para presentarlos en pantalla. Aun así, seguían existiendo grandes diferencias entre las dos plataformas. Los osciloscopios estaban limitados por la velocidad de muestreo. Llegaban a ver señales de DC, pero solamente de unos cuantos GHz. Los analizadores de espectros podían ver el rango de microondas, pero su barrido no identificaba las señales transitorias.

¿Qué pasaba si era necesario ver una señal en el dominio del tiempo que tenía una frecuencia portadora de 40 GHz? ¿Y si había que capturar un pulso de banda ancha en la banda X? Con los avances de las tecnologías de guerra electrónica, radares y comunicaciones, las exigencias impuestas a los equipos de prueba cada vez son mayores.

Las tecnologías de procesamiento digital se han traducido en nuevas posibilidades, no solo para todos los equipos de RF y microondas, sino también para los equipos de prueba. Los analizadores de espectros y los osciloscopios pueden hacer ahora muchas más cosas que hace tan solo unos años y, a medida que amplían sus funciones, las fronteras entre ellos se difuminan, y en algunos casos desaparecen del todo.

Cabe destacar que la decisión de ver la señal bien en el dominio de la frecuencia, bien en el dominio del tiempo, no es un factor importante a la hora de decidir qué plataforma utilizar. Existen diversos paquetes de software de análisis de datos (como el 89601B de Agilent) que muestran de forma simultánea los datos de tiempo y frecuencia, además de muchos otros modos de análisis. Con este tipo de software para procesar los datos, ha dejado de tener sentido clasificar el analizador de espectros como un dispositivo del “dominio de la frecuencia” y el osciloscopio como un dispositivo del “dominio del tiempo”.

 

Cambios en la tecnología

 

La revolución digital ha cambiado los principios de funcionamiento de los analizadores de espectros y los osciloscopios:

 

Analizadores de espectros: la mayor parte de los analizadores de espectros de hoy en día incorporan una sección de procesamiento de señal totalmente digital (DSP). Al igual que un analizador de espectros clásico, la señal entrante se somete a una conversión de bajada a una frecuencia intermedia (FI) mucho más baja. Esa señal se muestrea, se digitaliza utilizando un conversor de analógico a digital (ADC) y se procesa empleando técnicas de DSP. Ahora, el analizador de espectros ofrece dos modos de funcionamiento: barrido del oscilador local, para ver señales en un rango amplio, o “pausa” del oscilador local, para ver simultáneamente todo lo que sucede en el ancho de banda de análisis que permita la velocidad de muestreo.

La principal ventaja de esta técnica es la mejora en la precisión y la fiabilidad: sustituir los componentes analógicos por un procesamiento digital reduce sensiblemente la incertidumbre inherente a los componentes analógicos. Ahora, los componentes de los analizadores de espectros clásicos, como los filtros de ancho de banda con resolución (RBW) y los amplificadores de registros, se implementan digitalmente y presentan una precisión y una repetibilidad mayores.

La “pausa” del oscilador local y la recopilación de datos alrededor de una frecuencia aportan dos ventajas adicionales. En primer lugar, permiten ver una señal de banda ancha en el dominio del tiempo. Como ahora se muestrea y digitaliza la señal, puede mostrarse en el dominio del tiempo, del mismo modo que lo hace un osciloscopio. La principal diferencia radica en que los datos del analizador de espectros han pasado por una conversión de bajada, por lo que los datos visualizados se presentan en relación con la frecuencia central de la medida. En segundo lugar, permiten ver la información de fase de la señal. Al aplicar un DSP sencillo, se puede demodular y analizar la fase de señales como las señales de comunicaciones y los chirps de radar. Algunos fabricantes llaman a los analizadores de espectros con esta función “analizadores de señales” para reflejar esta nueva capacidad de demodular y analizar las señales presentes en la portadora.

No obstante, el analizador de señales sigue presentando una gran limitación: la velocidad de muestreo del ADC en la sección de FI digital. El ancho de banda de análisis de un analizador de señales depende directamente de la velocidad de muestreo de su ADC, determinada por la frecuencia Nyquist. En el momento de la preparación de este artículo, con una velocidad de muestreo de FI de hasta 400 Mmu/s se pueden obtener anchos de banda de análisis de hasta 160 MHz.

 

Osciloscopios: al igual que sucede con la sección FI de los analizadores de señales, las señales que inciden en la entrada de un osciloscopio se muestrean y procesan digitalmente, pero a velocidades mucho más altas. Si bien un analizador de señales está limitado a un “ancho de banda de análisis” por su conversor de bajada con oscilador local y un ADC más lento, un osciloscopio puede ver todo el rango de frecuencias desde DC hasta muchos GHz de una sola vez. Ahora existen osciloscopios en tiempo real que pueden muestrear a velocidades de hasta 160 Gmu/s. El muestreo a estas velocidades tan altas permite al osciloscopio ver señales desde DC hasta 63 GHz y, al mismo tiempo, permanecer dentro del límite de Nyquist del ADC.

Existen algunos factores que pueden limitar la utilidad de esta arquitectura. Uno de ellos es la avalancha de datos que se obtiene con un muestreo tan rápido. Se generan cientos de gigabytes de datos por segundo y, por lo general, si se utiliza el ancho de banda total, solo pueden capturarse y analizarse simultáneamente fracciones de segundo. Las técnicas de procesamiento de datos como la memoria segmentada pueden ampliar el tiempo de captura, pero solo para las señales pulsadas o las señales repetitivas. Otro aspecto que conviene recordar es que los ADC de alta velocidad suelen ofrecer únicamente 8 bits de resolución, a diferencia de los ADC de 14 y 16 bits incorporados en los analizadores de señales. No obstante, en muchas aplicaciones esta diferencia no causa el menor problema, ya que los osciloscopios de alta velocidad integran métodos de procesamiento que sacan partido de su muestreo más rápido para reducir el ruido e incrementar el rango dinámico en el dominio de la frecuencia. Al buscar señales de bajo nivel en un rango de frecuencias amplio (por ejemplo, una búsqueda de señales espurias), el analizador de espectros ofrece una ventaja, pero en la mayor parte de las aplicaciones de comunicaciones y radar, las diferencias entre los dos equipos apenas repercutirán en los resultados.

 

El instrumento adecuado para el trabajo: si los dos instrumentos son capaces de analizar señales de RF y microondas, ¿cuáles serían las pautas para elegir uno en lugar del otro? Aunque las dos técnicas se solapan, existen algunas diferencias básicas.

Frecuencia portadora y ancho de banda de la señal: el parámetro más importante que hay que tener en cuenta es el ancho de banda de la señal que se desea analizar. Si la frecuencia portadora es superior a unos pocos GHz y la señal se encuentra dentro del ancho de banda del analizador de señales, este dispositivo suele ser el que ofrece la mejor relación calidad-precio. La velocidad de muestreo más lenta del analizador de espectros permitirá capturar y analizar datos durante más tiempo. Además, los analizadores de espectros suelen ser más económicos que los osciloscopios equivalentes a frecuencias de 10 GHz o más. Sin embargo, si desean analizarse señales de banda amplia con un ancho de banda de 160 MHz o superior, o si es necesario ver tiempos de subida y bajada inferiores a 20 ns, el osciloscopio es la mejor opción.

 

Resolución de tensión (potencia) y nivel de ruido: la resolución de datos también puede ser un factor importante. Por norma general, los analizadores de espectros muestrean datos a 14 bits, mientras que los osciloscopios más habituales son dispositivos de 8 bits. Además, puesto que el osciloscopio tiene una entrada amplia (sin un filtrado como el del analizador de espectros), puede penetrar más ruido de banda ancha en la medida. Esto puede suponer un problema en entornos que contienen elevados niveles de ruido o señales de fondo. Sin embargo, como se ha mencionado más arriba, son muchas las aplicaciones en las que las técnicas de procesamiento de datos de los osciloscopios pueden reducir o eliminar esta diferencia.

Número de canales de datos: el analizador de espectros es un dispositivo de un canal. Los osciloscopios suelen estar equipados con cuatro canales. Aunque se pueden conectar con coherencia varios analizadores de espectros, no resulta ni sencillo ni barato. Para realizar medidas en dos, tres o cuatro canales, los osciloscopios cuentan con una ventaja natural.

Ejemplos: para ilustrar los efectos prácticos de estas diferencias, a continuación presentamos ventajas e inconvenientes de los analizadores de espectros y los osciloscopios al abordar señales comunes:

Señales de radar (frecuencia portadora estática): las señales de radar típicas suelen tener un ancho de banda relativamente bajo (<100 MHz) pero una elevada frecuencia portadora. Si el ancho de banda se encuentra dentro del ancho de banda de análisis del analizador de señales, lo lógico será elegir este instrumento. El analizador de señales ofrecerá una resolución superior y tiempos de captura más prolongados, normalmente a un precio más asequible. Sin embargo, en el caso de señales de radar con un ancho de banda de más de 160 MHz, puede necesitarse un osciloscopio para ver toda la señal de una vez sin realizar barrido. Una forma de incrementar el ancho de banda de análisis sin tener que utilizar un osciloscopio de alta velocidad consiste en emplear un analizador de espectros como conversor de bajada sintonizable y pasar la señal de FI a un osciloscopio externo de 1 GHz. Este método permite analizar señales con anchos de banda de varios cientos de MHz. Existen rutinas de calibración para corregir la respuesta de frecuencia del trayecto de FI y otros factores.

Señales con saltos de frecuencia: si la señal presenta saltos dentro del ancho de banda de análisis del analizador de señales, este permite recopilar datos sin interrupciones durante varios segundos (en algunos casos, incluso horas o minutos utilizando una matriz RAID externa), mientras que el osciloscopio de alta velocidad solo capturará unos pocos milisegundos. Sin embargo, si el rango de frecuencias de la señal que salta es más amplio, el usuario tendrá que utilizar un osciloscopio rápido o, con algo de esfuerzo y creatividad, desarrollar una matriz de analizadores de señales o conversores de bajada y digitalizadores para supervisar distintas partes del espectro.

Señales de comunicaciones de banda amplia: un osciloscopio de alta velocidad puede ser una herramienta magnífica para demodular y analizar señales de comunicaciones con velocidades de símbolos superiores a 100 MHz. Normalmente puede realizar medidas en las bandas Ka y Ku de señales con velocidades de símbolos de varios GHz.

Búsqueda de señales pequeñas: la clave para buscar señales espurias y otras señales de baja potencia consiste en limitar la cantidad de ruido de la medida. La capacidad de los analizadores de señales para realizar barridos de banda estrecha en un amplio rango de frecuencias, por tanto, eliminando la mayor parte del ruido de banda ancha, los convierte en una herramienta idónea para las búsquedas de señales pequeñas.

Señales multicanal: para determinadas aplicaciones, como los radares de matrices en fase, los sistemas de detección multiantena y las comunicaciones MIMO, quizá sea preferible analizar y comparar al mismo tiempo una docena de señales, o incluso más. En este caso, los osciloscopios presentan una ventaja natural, puesto que son dispositivos de 4 canales con coherencia de tiempo. Se pueden realizar medidas relativas entre canales con un analizador de espectros, pero se necesitan varios dispositivos y algún tipo de configuración para lograr coherencia. Para trabajar con más de 4 canales, lo más acertado sería dejar de lado las dos tecnologías de las que hemos hablado y apostar por una matriz de digitalizadores. Los digitalizadores, que no presentan los elevados costes de los analizadores de espectros y los osciloscopios ni requieren de componentes adicionales, pueden revelarse como una solución compacta y asequible para el análisis multicanal. El inconveniente suele ser el trabajo adicional necesario que conllevan la configuración de la matriz y el procesamiento de los datos.

 

Conclusiones

 

A raíz de la incorporación de técnicas de procesamiento de señal digital en los analizadores de espectros y los osciloscopios, las fronteras que separaban ambas técnicas han ido difuminándose hasta tal punto que, para determinadas aplicaciones, el mejor analizador de espectros puede ser un osciloscopio y a la inversa. En cualquier caso, los usuarios se darán cuenta de que los instrumentos actuales son mucho más capaces y potentes que los disponibles hace tan solo una década.


Etiquetas
osciloscopios; analizador de espectro


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