Búsqueda de señales ágiles en un entorno espectral limitado | Revista Española de Electrónica
domingo , agosto 19 2018
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Búsqueda de señales ágiles en un entorno espectral limitado

 

Para el ingeniero de RF cualificado, las señales de onda continua y de repetición predecible han dejado de ser un gran reto. Sin embargo, el diseño y la resolución de problemas se complican cuando hay que hacer frente a señales ágiles, y los problemas crecen cuando estas señales se producen en un entorno densamente poblado de señales ágiles similares. Entre los ejemplos encontramos aplicaciones como radares, guerra electrónica, conectividad inalámbrica y comunicaciones inalámbricas. De hecho, hay trabajos de ingeniería que deben realizarse en la confluencia —en ocasiones accidental, otras deliberada— de dos o más de estas tecnologías
Para ayudar a los ingenieros a estar al día de los nuevos requisitos, en los últimos años han aparecido nuevos tipos de analizadores de señales y software de aplicaciones. En este artículo se presentan las últimas herramientas y técnicas de utilidad no tan solo para descubrir señales esporádicas, sino para avanzar unos pasos más hacia la identificación y resolución de problemas de RF complejos.
Trabajar en un entorno de señales dinámico
 En todo el mundo, la banda industrial, científica y médica (ISM) de 2,45 GHz es quizás el entorno de señales más variado y dinámico. En muchos lugares, está poco regulada y es muy utilizada; entre los principales usuarios se encuentran WLAN, PAN Bluetooth, teléfonos inalámbricos y hornos microondas de alta potencia.
 Dado que las transmisiones no suelen ser coordinadas, hay muchas posibilidades de que se produzcan interacciones complejas debido a interferencias, colisiones y retransmisiones, entre otros. A un determinado nivel de carga del canal, las colisiones y cualquier incremento de la ocupación del canal producido por retransmisiones pueden causar una disminución repentina de la velocidad efectiva del canal (es decir, un “efecto precipicio”)
 Conductas como el rastreo de canales pueden ser una combinación de brevedad, banda ancha e infrecuencia: una fracción de segundo de duración, decenas de megahercios de anchura y repetición cada pocos segundos o minutos. 
Esto hace que estas conductas sean difíciles de observar con un barrido tradicional o tecnologías de analizador de FFT; y aquí es donde las capacidades del analizador de espectros en tiempo real (RTSA) son especialmente útiles. Afortunadamente, el RTSA ya no se limita a instrumentos caros con una única finalidad: ahora es una opción actualizable para los analizadores de señales más utilizados, como los PXA y MXA de Agilent.
Más allá de la retención de picos
 La banda ISM de 2,45 GHz es, por lo tanto, dinámica y compleja a la vez, y un buen ejemplo de los desafíos inherentes al análisis de señales ágiles. El análisis de espectros con barrido tradicional no es un método eficaz para conocer la actividad en esta banda.
En función del grado de ocupación del espectro/tiempo, un solo barrido de un analizador de espectros puede o bien no mostrar nada o tan solo una parte de una o más ráfagas de señal. Puede ser difícil interpretar tales medidas, sobre todo porque la dinámica del filtro de ancho de banda con resolución (RBW) de barrido del analizador interacciona con la dinámica de la propia señal.
La retención de picos es una herramienta de utilidad para comprender algunos aspectos del entorno de señales, y una medida larga con retención de picos tarde o temprano capturará la mayor parte de las señales de la banda. Sin embargo, las medidas de retención de picos largas a menudo provocan que algunas señales oculten otras..
Un analizador en tiempo real es una alternativa altamente eficaz. Gracias a un procesamiento rápido y a visualizaciones avanzadas es ideal para explorar entornos de señales dinámicas, como se muestra en la figura 2.
 Esta visualización de densidad de un analizador en tiempo real proporciona una visión inmediata de la banda ISM y las señales que contiene. Dado que las medidas no tienen interrupciones y todas las muestras de señales se representan en la pantalla, es posible ver la mayoría de las señales de la banda, ya sea de un vistazo o en un tiempo de medida corto. Las visualizaciones de densidad tienen una gran densidad de datos y son bastante dinámicas, con una actualización de unas 30 veces por segundo y la aplicación de una cantidad ajustable de persistencia para desvanecer los datos más antiguos. 
 Con una velocidad de FFT de casi 300.000 por segundo, cada actualización de la pantalla en un RTSA representa alrededor de 10.000 espectros. El resultado es una visualización de gran sensibilidad capaz de mantener el ritmo de la actividad de la banda y de mostrar detalles sutiles como señales dentro de otras señales y señales próximas al nivel de ruido del analizador, incluso cuando estas señales son pequeñas y poco frecuentes.
 Sin embargo, cabe señalar que la acción de combinar 10.000 espectros en una actualización de la pantalla puede hacer que señales presentes en diferentes momentos se visualicen en la misma actualización de la pantalla. Por ejemplo, las señales que parecen tener varios tonos son, de hecho, patrones de salto de frecuencia Bluetooth repetidos.
Observación de los cambios a lo largo del tiempo
 La visualización de espectros en tiempo real es otra manera de conocer el comportamiento de las señales a lo largo del tiempo. El eje vertical del espectrograma es el tiempo, que puede mostrar importantes aspectos del comportamiento de las señales.
Aquí, muchos saltos Bluetooth forman un patrón repetitivo y otras ráfagas parecen estar aisladas, sobre todo en la mitad superior del espectrograma. También hay que tener en cuenta las barras diagonales que se mueven entre los canales de la WLAN ancha en la mitad inferior del espectrograma; pueden haber sido el resultado del rastreo de canales y haber aparecido excepcionalmente en las visualizaciones de densidad. En la parte superior derecha de la pantalla, el ajuste del tiempo de adquisición controla cómo se combinan los espectros individuales en las actualizaciones del espectro (trazo superior) y las líneas de espectro individuales para formar la visualización. Una adquisición más prolongada combina más espectros en cada línea y hace que el espectrograma se actualice más lentamente. De este modo, una sola pantalla del espectrograma puede representar un período de tiempo más largo.
 Al seleccionar un tiempo de adquisición más corto para cada actualización —visualización de espectro o línea de espectrograma— se obtiene una mejor resolución de tiempo. En tales casos, el búfer y la pantalla cubrirán un período de tiempo proporcionalmente más corto y, por lo tanto, puede que no muestren algunos de los fenómenos que se producen más a largo plazo. 
 Sin embargo, la resolución de tiempo adicional puede mostrar un comportamiento espectral importante que, en otras circunstancias, quedaría oculto.
 En este caso, una mayor resolución de tiempo muestra información más detallada acerca de las ráfagas WLAN y los saltos Bluetooth individuales. Hay dos cosas que quedan claras: los saltos Bluetooth que se superponen a las ráfagas WLAN en frecuencia a menudo no se superponen en tiempo, por lo que las colisiones no son tan frecuentes como sugeriría la visualización anterior. Sin embargo, tenga en cuenta que cada línea del espectro sigue representando cientos de resultados de FFT individuales del motor de medida en tiempo real.
Profundización con el análisis vectorial de señales
 Detectar una señal o evento esporádico a menudo tan solo es un paso en la búsqueda y resolución de problemas o en la optimización del rendimiento. En estos casos, el software de análisis vectorial de señales (VSA) es un complemento lógico y potente del RTSA. Las soluciones de VSA generalmente aprovechan la misma arquitectura de RF y procesamiento de señales utilizada en un analizador de barrido con IF digital. Los VSA incorporan capacidades de captura de señales sin interrupciones y procesamiento de vectores, como la demodulación analógica y digital.
 El análisis vectorial de señales a menudo comienza con un análisis de FFT de una señal IF digitalizada. En señales ágiles o entornos dinámicos, el análisis de FFT pone fin a la variabilidad de medida y a la incertidumbre causada por un filtro de RBW de barrido.
Toda la medida del espectro se calcula a partir de un bloque o “registro de tiempo” de una señal IF digitalizada proporcionada por un analizador de espectros/señales o RTSA compatible. En el software de VSA, los datos utilizados para el FFT se pueden ajustar todavía más mediante el uso de la sincronización temporal para seleccionar cualquier parte del registro de tiempo para el análisis. Un registro de tiempo predeterminado cualquiera en analizadores vectoriales de señales es relativamente corto en 1.000 muestras temporales; es similar a los registros de tiempo más largos utilizados en los analizadores en tiempo real. 
 Los registros de tiempo más largos con un VSA (p. ej., más de 400.000 puntos en el software de VSA del Agilent 89600), proporcionan una visión mejor de muchas señales y una probabilidad de intercepción (POI) efectiva muy superior. Utilizando un registro de tiempo largo y mejores visualizaciones como la persistencia y la densidad, se pueden crear vistas de las señales que sean muy informativas y significativamente más próximas al tiempo real de manera continuada.
Obtención de una visión completa
 La capacidad del VSA de capturar grandes bloques de muestras de señales vectoriales sin interrupciones es especialmente útil para conocer mejor las señales ágiles por sí solas y en entornos de señales complejos. 
La banda ISM vista anteriormente, donde el gran búfer de captura está organizado en reproducción como espectrograma sin interrupciones que cubre unos 26 ms. Se muestran claramente las ráfagas WLAN, los saltos Bluetooth y las señales errantes de los hornos microondas. Es posible seleccionar cualquier señal o ráfaga individual de la memoria de captura grande para su análisis o demodulación.
 Se muestra claramente el comportamiento completo de tiempo y frecuencia de todas las señales de la banda ISM, con marcadores de “corte” situados a un intervalo de 16,7 ms (60 Hz) para verificar la frecuencia de línea de alimentación de las señales de los hornos microondas. Es fácil observar los éxitos y fracasos en la distribución de la banda, y el posprocesamiento en el software de VSA se puede utilizar para seleccionar, de la captura única, cualquier señal o ráfaga individual para su medición y demodulación.
Continuación de la evolución
 Los entornos de señales complejos y dinámicos dificultan el hecho de mantener las cargas útiles de los datos en movimiento. Por suerte, herramientas como los analizadores de espectros en tiempo real y el software de VSA ayudan a los ingenieros de RF a superar los retos que van surgiendo en el diseño y la resolución de problemas. En adelante, estas herramientas deben seguir evolucionando con capacidades de medida que sigan el ritmo de los comportamientos de las señales, cada vez más breves, amplias y poco frecuentes.
Para obtener más información
Hay disponibles ejemplos adicionales y más detalles de medida en la nota de aplicación de Agilent Measuring Agile Signals and Dynamic Signal Environments (Medición de señales ágiles y entornos de señales dinámicos).
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