Obtenga consejos para mejorar la precisión de la medida y aprenda a evitar realizar análisis de espectro impreciso o totalmente incorrecto
Un analizador de espectro o un analizador de señales es una herramienta de medida fundamental y esencial para un ingeniero de RF que se utiliza en todas las fases del ciclo de vida del producto. En el nivel más básico, puede describirse como un voltímetro que responde ante los picos y selecciona la frecuencia calibrado para mostrar el valor de la media cuadrática (RMS) de una onda sinusoidal. Su rendimiento, precisión y velocidad son importantes para que los ingenieros de I+D puedan optimizar sus diseños y la fabricación con el fin de mejorar la eficiencia de las pruebas y la calidad del producto.
- ¿Por qué elegir el análisis de espectro?
El dominio de la frecuencia tiene su intensidad de medida. Es especialmente útil para determinar el contenido armónico de una señal. En la figura 1 se muestra la forma de onda de una señal compleja en el dominio de tiempo a la izquierda y el dominio de frecuencia a la derecha. La representación del dominio de tiempo solo muestra que la señal no es sinusoidal pura y no ofrece más indicaciones acerca del motivo por el que esto es así. En el dominio de frecuencia, se observa que la forma de onda se compone de dos ondas sinusoidales con la frecuencia y la amplitud correspondientes. El dominio de frecuencia es extremadamente importante para los elementos implicados en las comunicaciones inalámbricas, para evaluar el rendimiento de la señal, dispositivos y sistemas con el fin de garantizar que se cumplan las especificaciones clave de linealidad, distorsión, ruido y emisiones espurias.
- Analizador de espectro frente al analizador de señales
El principal uso de un analizador de espectro es medir y mostrar la amplitud frente a la frecuencia conocida y desconocida de las señales microondas y de RF. Con la llegada de la tecnología digital y del procesamiento de señales, los analizadores de espectros modernos están equipados con más funcionalidades. Al digitalizar la señal, la fase, así como la amplitud, se preserva y se puede incluir como parte de la información que se muestra. El término “analizador de señales” generalmente se utiliza para indicar un instrumento que cuenta con una arquitectura de analizador de espectro y una sección de frecuencia intermedia (IF) completamente digital que procesa señales tan complejas como las cantidades vectoriales, que posibilitan las operaciones con varios dominios como el análisis de modulación digital y la captura del tiempo.
- Una mirada hacia la incertidumbre
Al elegir un analizador de espectro, debe saber si el analizador cubre los rangos de frecuencia y amplitud de la señal que se va a medir. También debe conocer la calidad del analizador de espectro para realizar estas mediciones examinando sus especificaciones de precisión. La mayoría de los analizadores de espectro ofrecen tanto especificaciones de precisión absolutas como relativas. La figura 3 muestra la diferencia entre las medidas absolutas y relativas, cuando se realizan respectivamente con a un solo marcador y con marcadores delta. Por ejemplo, medir la frecuencia o el nivel de potencia de una portadora (pico de la izquierda) es una medida absoluta. Medir la amplitud de la segunda distorsión armónica (pico de la derecha) con respecto a la portadora sería una medida relativa.
Precisión de amplitud
Todos los analizadores de espectro modernos cuentan con una fuente de calibración integrada, que proporciona una señal de referencia conocida de la amplitud y la frecuencia especificadas. De hecho, una medida de la amplitud absoluta es una medida relativa a su señal de referencia. Para convertir la calibración absoluta a otras frecuencias y amplitudes, confiamos en la precisión relativa del analizador. El rango de valores de la tabla 1 representa las especificaciones de precisión de la amplitud para distintos analizadores de espectro. Muchos analizadores de espectro utilizan una señal de referencia de 50 MHz. A esa frecuencia, la precisión de la amplitud absoluta especificada es extremadamente buena. Por ejemplo, el analizador de señales de alto rendimiento X-Series ofrece la mejor precisión de la amplitud absoluta de ±0,24 dB a la frecuencia de referencia. Cuando realizamos medidas relativas de una señal entrante, los valores absolutos no entran en juego. Por ejemplo, solamente nos interesa la diferencia de la amplitud del armónico del fundamental. El peor de los casos sería cuando el fundamental se da en el punto más alto y el armónico en el más bajo de la respuesta de frecuencia. Si la especificación de la respuesta de frecuencia relativa es ±0,5 dB, la incretibumbre total sería del doble del valor o ±1,0 dB.
Precisión de frecuencia
La incertidumbre de la frecuencia absoluta a menudo se describe en la especificación de la precisión de lectura de la freceuncia y hace referencia a la frecuencia central, de inicio, final y a las frecuencias de marcador. La precisión del recorrido entra en juego cuando se realizan medidas relativas. Es posible calcular la precisión de la frecuencia a partir de la suma de las fuentes de errores que se pueden encontrar en la ficha de datos del analizador. Entre las fuentes de errores encontramos el error de referencia de la frecuencia, el error de recorrido y el error de frecuencia central del ancho de banda de resolución (RBW). Los analizadores modernos pueden medir frecuencias con una precisión de <0,1%, que es ideal para las aplicaciones con comunicación inalámbrica.
- ¿Cómo mejorar la precisión de medida?
Antes de empezar una medida, podemos revisar los pasos para ver si algún control, como la configuración del atenuador de RF, el ancho de banda de la resolución o el nivel de referencia, puede dejarse con el mis mo valor. Si es así, las incertidumbres asociadas con el hecho de cambiar estos controles se descartan. También es posible intercambiar una incertidumbre por otra; por ejemplo, la precisión del nivel de referencia por la fidelidad de la pantalla, y se usa el valor que da más precisión. A continuación se ofrecen algunos consejos y prácticas recomendadas para realizar medidas de espectro precisas:
Red de entrega de señal
Siempre merece la pena prestar especial atención con los elementos de la conexión del analizador/Device Under Test (DUT), incluidos la longitud, el tipo y la calidad de los cables y conectores. La red de entrega de la señal que conecta el DUT con el analizador, como en la figura 4, puede degradar o alterar la señal de interés. Estos efectos no deseados pueden eliminarse mediante la función de corrección de la amplitud integrada del analizador junto con una fuente de señal y un medidor de potencia. Este proceso cambia el plano de referencia de la medida del panel frontal del analizador al DUT. Es posible guardar los valores de corrección de diferentes combinaciones de cables y adaptadores.
Protección del conector
La protección del conector, que incluye un par de torsión adecuado, garantiza una pérdida mínima, buena adaptación de la impedancia y repetibilidad especialmente con frecuencias más altas.
Atenuadores para adaptación mejorada
A partir de la ecuación de la incertidumbre de la inadaptación, mejorar la adaptación o el coeficiente de la reflexión ya sea de la fuente o del analizador reduce la incertibumbre de la inadaptación. Si es posible, debe evitarse establecer el atenuador de entrada del analizador en 0 dB, ya que da la peor situación posible de inadaptación. Para conseguir la mejor precisión de la amplitud, utilice un atenuador de entrada ≥10 dB.
Aumentar la sensibilidad para las señales de bajo nivel
Para medir las señales de bajo nivel, puede mejorar la sensibilidad del analizador minimizando la atenuación de entrada, restringiendo el RBW y utilizando un preamplificador. Estas técnicas reducen el nivel de ruido medio mostrado (DANL), separan las señales pequeñas del ruido y posibilitan realizar medidas precisas. Para conseguir la máxima sensibilidad, utilice un preamplificador con ruido bajo y ganancia alta.
Señal modulada
Para medir señales moduladas, es importante establecer una amplitud de ancho de banda de la resolución suficiente para incluir las bandas laterales. De lo contrario, la potencia medida no será precisa a no ser que se realice una medida de potencia de banda integrada. Integrar la potencia desde muchos puntos de medida con un ancho de banda de la resolución estrecho suele ser la técnica más práctica para las señales moduladas digitalmente de banda ancha que están muy juntas.
Precisión de frecuencia
La frecuencia indicada del marcador es una función de la calibración de la frecuencia en la pantalla, la ubicación del marcador en la pantalla y el número de puntos de la pantalla seleccionados. Si se estrechan el recorrido y el ancho de banda de la resolución, se minimizan estos efectos y facilitan que se coloque el marcador en el pico de la respuesta.
Velocidad de barrido
Las velocidades de barrido suelen ser proporcionales al cuadrado del ancho de banda de la resolución. Una configuración más amplia genera un barrido mucho más rápido por un recorrido concreto a diferencia de con una configuración más estrecha.
Precisión del calibrador
Utilice un calibrador más preciso o uno más cercano a la frecuencia de interés, si está disponible, en lugar del calibrador integrado.
Tiempo de calentamiento
Es útil saber cómo se comporta la referencia en nuestro analizador en condiciones de calentamiento, en los casos en los que se necesita una medida rápida. Por ejemplo, los Analizadores de la Serie X de Keysight requieren un calentamiento de 5 minutos para satisfacer las especificaciones publicadas.
Conclusión
Realizar una medida no es suficiente, debe realizarse una medida precisa. Ningún instrumento de medida del mundo puede realizar una medida de un valor absoluto, ya que la medida siempre incluye una incertidumbre. Cuanto menor es la incertidumbre, mejor es el instrumento. Detectar la existencia de una incertidumbre y ser capaz de cuantificarla son una parte importante del proceso de medida. La combinación de buenas prácticas de medida y las funciones de un analizador práctico ayudan a minimizar los errores y reducen el tiempo de pruebas.
