Analizador de Espectro

Objetivos
• Entender los principios de funcionamiento del analizador de Espectro Analogico.
• Entender los principios de funcionamiento del analizador de Espectro Digital.
• Comparar los analizadores espectrales analógicos y los digitales.
• Entender el proceso de diseño mediante un diagrama en bloque de un analizador espectral.
• Introducción y manejo básico del Analizador de Espectros.
• Visualización en el dominio de la frecuencia de señales reales.
• Reconocimiento en el dominio de la frecuencia de señales reales.
• Analizar las aplicaciones de los analizadores espectrales en el campo de la ingeniería y las Ciencias.
• Interiorizarse acerca de las medidas preventivas que hay que tomar al utilizar el analizador de espectro.

Introduccion
Analizar una señal, es extraer información de la misma, ya sea en el dominio del tiempo o de la
frecuencia . En todos los ámbitos de estudio de la señal, nos podemos encontrar con diversos
tipos de ondas: periódicas, no periódicas, deterministas, estocásticas, etc.
Si estamos interesados en conocer las características de la señal con respecto al tiempo se
dispone de osciloscopios, ya sean analógicos o digitales. De esta forma, podremos ser capaces
de obtener características tales como la forma de la señal, su amplitud, su fase, su evolución en
el tiempo, el posible retraso respecto a otra señal, etc.
Ahora bien, si estamos trabajando con señales periódicas y queremos conocer las componentes
en frecuencia de las mismas, sus niveles de potencia, etc. En estos casos se necesitan
instrumentos de medida que se denominan analizadores de espectro, tanto analógicos como
digitales.

• Toda señal periódica se puede descomponer como una suma de ondas
senoidales, cuyas amplitudes y frecuencias son obtenidas a partir del análisis de
Fourier. Se denomina espectro de frecuencias de una señal a esta
descomposición, La forma de representar gráficamente este espectro
es, mediante los clásicos ejes de coordenadas, asignando el valor de las
frecuencias al eje de abscisas y dibujando la amplitud de los mismos en el eje
de coordenadas.

• Si la complejidad de la señal va en aumento, el cálculo de la serie de Fourier
se va haciendo más y más difícil y tedioso. Para evitar este esfuerzo y para
facilitar la representación del espectro de frecuencias de cualquier señal se
crearon los analizadores de espectro, los analizadores de fourier y los
analizadores de onda.

Analizador de espectro
• Un analizador de espectro es un equipo de medición electrónica que permite
visualizar en una pantalla las componentes espectrales en un espectro de
frecuencias de las señales presentes en la entrada, pudiendo ser ésta cualquier
tipo de ondas eléctricas, acústicas u ópticas

• En la pantalla del equipo sólo se muestran las componentes de frecuencia, de
la señal analizada.

• Como dispositivo de pantalla para mostrar la amplitud de cada armónico de la señal se
emplea un tubo de rayos catódicos (TRC). Normalmente, se fabrican para mostrar señales
en los rangos desde 5 Hz hasta 40 GHz.
• En el eje de ordenadas suele presentarse en una escala logarítmica el nivel en dBm del pitido
contenido espectral de la señal. En el eje de abscisas se representa la frecuencia, en una
escala que es función de la separación temporal y el número de muestras capturadas.
• Se denomina frecuencia central del analizador a la que corresponde con la frecuencia en el
punto medio de la pantalla.A menudo se mide con ellos el espectro de la potencia eléctrica.
En la actualidad está siendo reemplazado por el analizador vectorial de señales.

Tipos de analizadores espectrales
• Un analizador analógico,los analizadores analógicos utilizan un filtro pasa banda de
frecuencia variable cuya frecuencia central se afina automáticamente dentro de una gama de
fija. También se puede emplear un banco de filtros o un receptor superheterodino donde el
oscilador local barre una gama de frecuencias. Algunos otros analizadores como los
Tektronix (de la serie RSA) utilizan un híbrido entre análogo y digital al que llaman
analizador de Espectros "en tiempo real" . La señales son convertidas a una frecuencia más
baja para ser trabajadas con técnicas FFT o transformada rápida de Fourier.
• Un analizador digital de espectro utiliza la (FFT), un proceso matemático que transforma una
señal en sus componentes espectrales. Algunas medidas requieren que se preserve la
información completa de señal -frecuencia y fase, este tipo de análisis se llama vectorial.

• Existen 3 tipos de analizadores de espectros: a) en tiempo real. b) por
transformada de Fourier. c) por barrido sintonizado.
Las principales características de cada tipo son :

• El Analizador de Fourier realiza otro estudio espectral. En este caso, la señal de entrada se
pasa, en paralelo y simultáneamente, por un gran número (en algunos casos hasta 2048) de
filtros digitales. De esta forma, el espectro de frecuencias de una señal se puede obtener muy
rápidamente (por este motivo se les conoce también como analizadores de tiempo real). En este
caso, como elemento de representación gráfica, también se emplea un tubo de rayos
catódicos. Normalmente se utilizan en el rango de DC hasta los 100 KHz.

• Los analizadores de espectros que utilizan transformada de Fourier realizan un
tratamiento digital de la señal de entrada durante un determinado periodo de
tiempo. De esta transformación se obtiene como resultado una información de
frecuencia, fase y amplitud. El tratamiento digital de la señal nos permite
el análisis de señales tanto de tipo periódicas o aleatorias. Por el contrario, al igual
que los analizadores en tiempo real, presentan inconveniente del pequeño ancho de
banda con que trabajan, limitado por la propia digitalización que sufre la señal. El
margen de frecuencias hasta donde suelen llegar a trabajar este tipo de analizadores
de espectros es de unos pocos cientos de kilohertz (KHz).

• El analizador por barrido sintonizado : Este tipo de análisis de la señal se divide a su
vez en dos: la técnica por filtros sintonizados, donde la señal a analizar ataca a unos
filtros de entrada cuya frecuencia de paso se adapta perfectamente a la frecuencia de
dicha señal a medir. Este tipo de analizadores son baratos en cuanto a su diseño
pero quedan mas bien pobres en cuanto a los resultados de
los parámetros analizados.
Es por ello por lo que el tipo de analizador más utilizado es el receptor
heterodino, donde la señal recibida es captada por un receptor heterodino. Esto trae
consigo una mayor precisión de los parámetros a medir de la señales de entrada, al
mismo tiempo que se amplia considerablemente el margen de frecuencias sobre las
que se puede trabajar.

Emplear medidas con instrumentación orientadas al dominio de la frecuencia trae consigo una
serie de ventajas con respecto a las medidas en el dominio del tiempo. Entre ellas podemos destacar:
• Mayor sensibilidad en la medida en banda estrecha.
• Reducción del ruido introducido en la medida.
• Eliminación de interferencias en frecuencias no deseadas.
• Posibilidad de filtrado de ciertas frecuencias.
• Facilidad para separar distintas señales.
• Medidas del ancho de banda de utilización del circuito estudiando (DUT) y determinación de
su función de transferencia en el dominio de la frecuencia

• La medida realizada sobre la señal puede ser, en un caso simple, la
amplitud, y frecuencia de una determinada línea espectral. En general, el
contenido espectral de la señal nos ofrece información sobre los
armónicos, bandas de modulación, respuestas espúreas, niveles de ruido y
todo esto se puede estudiar a partir del analizador de espectros.

Principio de funcionamiento
Los analizadores de espectro pueden clasificarse en función
de la técnica empleada para realizar el análisis espectral:
• Analizador espectral simultáneo o de bancos de filtros
• Analizador espectral de barrido
• Analizador de barrido superheterodino

Analizador espectral simultáneo o de bancos de filtros
El sistema está compuesto por un conjunto o banco de filtros pasabanda, relativamente selectivos, cada uno de
ellos sintonizado a una frecuencia distinta. Si se mide la salida de cada uno de estos filtros se puede determinar
la potencia en la porción del espectro comprendida por su ancho de banda. Eligiendo las frecuencias centrales y
el ancho de banda de modo que las respuestas en frecuencia se solapen adecuadamente, se puede caracterizar
completamente el rango del espectro cubierto por el conjunto de filtros.
El número de filtros necesarios para cubrir el espectro depende de consideraciones económicas: para detectar
líneas espectrales arbitrariamente próximas, debería utilizarse un elevado número de pasabanda muy angostos. El
costo de cada filtro crece a medida que disminuye su ancho de banda, de modo que un analizador de alta
resolución resulta muy oneroso. Los analizadores espectrales analógicos simultáneos o de bancos de filtros
suelen utilizarse en aplicaciones de audio, donde es habitual utilizar 32 filtros, cada uno cubriendo un ancho de
banda de un tercio de octava.

Analizador espectral de barrido
Una manera de evitar el empleo de un banco de filtros costosos es utilizando un único
filtro pasabanda cuya frecuencia central pueda desplazarse dentro del rango de frecuencias de
interés.
En la figura se grafica la amplitud de la salida de estado estacionario del filtro en función de la
frecuencia a la que está sintonizado y asi se obtiene el espectro de la señal de entrada.

Analizador de barrido superheterodino
Aún cuando para un determinado ancho de banda de análisis el analizador espectral de
barrido es más económico que el analizador de banco de filtros, también es extremadamente
costoso debido a que es difícil diseñar un filtro pasabanda selectivo, de alta calidad
cuya frecuencia central pueda ajustarse a voluntad sobre un amplio rango de frecuencias
manteniendo un “Q” constante. Sin embargo, este inconveniente puede solucionarse en
base a la propiedad de modulación de la transformada de Fourier.

“Heterodinar” significa mezclar, y “super” se refiere a frecuencias superiores a las de la señal a analizar.
El diagrama bloque indica que la señal de entrada después de atravesar un filtro pasabajos entra a un mezclador, donde se multiplica con la
señal proveniente de un oscilador local.
De acuerdo a la propiedad de modulación de la transformada de Fourier, al multiplicar
la señal de entrada x (t) por una señal cosenoidal y (t), cuya frecuencia fy es mucho
mayor que el ancho de banda Df de X( f ), su espectro se desplaza y queda centrado en
fy. Si la frecuencia del oscilador local se varía continua y lentamente fy = f0 + rDf ,
0 r 1, la envolvente de la salida del filtro de análisis (pasabanda angosto) centrado
en f0 da una idea de la magnitud del espectro de X( f ) a la frecuencia r Df .
El mezclador es esencialmente un multiplicador, de modo que a la salida no sólo hay
componentes correspondientes a la suma y la diferencia de las frecuencias de la señal de
entrada y del oscilador local, sino también sus armónicas, que son removidas por el filtro
de frecuencia intermedia. Las señales útiles atacan un detector de envolvente, encargado
de medir la magnitud de la salida.

• El paso de tecnología analógica a digital, (Figura 2) implica la utilización de
microprocesadores y la introducción de displays digitales. En este caso, la
salida del filtro FI (o del detector) se convierte a dígitos binarios con un
CAD. Los valores digitales son leídos por un microprocesador que controlará
el display digital donde se muestra la imagen y al oscilador local (LO) que
gobierna el mezclador del dispositivo.

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