El Analizador de Espectro

Es un instrumento en que podemos realizar y visualizar medidas de los parámetros mas importantes de las señales análogas  como son las frecuencias, armónicos  modulaciones, ruidos, ancho de banda, distorsiones, etc.

El analizador de espectro es un equipo de medida necesario en cualquier laboratorio profesional que trabaje en el campo de las bajas frecuencias (audio y señales por debajo de los 2MHz), o bien en el campo de la radiofrecuencia; llegando incluso al campo de las microondas, donde existen analizadores que trabajan con mas de 20GHz.

El gran desarrollo de la electrónica  y sobre todo la implementación de la electrónica digital en los equipos análogos  nos permite hoy en día disponer de equipos cada vez mas avanzados, a la vez mas que precisos, y con unas posibilidades de aplicaciones y manejo impensables hasta hace poco tiempo.

Todo esto se puede apreciar cada vez mas en las prestaciones que nos proporcionan los equipos de laboratorio mas o menos profesionales, y en general los analizadores de espectros modernos, donde el numero de funciones y menús de manejo se incrementan en cada nuevo equipo.

Pero, veamos con mas profundad la filosofía de trabajo de un analizador de espectros básico  ya que el fundamento del funcionamiento de estos equipos es el mismo para todos. Posteriormente se le añaden las distintas prestaciones con que nos podemos encontrar, y que serán especificas de cada marca y modelo.

El analizador de espectros y el Osciloscopio

Aunque pueda sorprendernos que comparemos el analizador de espectros y el osciloscopio, la verdad es que la filosofía de trabajo es comparable entre ellos.

Así, el osciloscopio nos muestra la señal a analizar en pantalla y siempre en el dominio del tiempo, de donde obtenemos ciertos parámetros, como frecuencia, distorsión, nivel, etc.

El analizador de espectros, por el contrario, nos muestra la señal con la que estamos trabajando en el dominio de la frecuencia. Es decir, hay una interpolación de los parámetros que antes medíamos en el dominio del tiempo al de la frecuencia. Esto se analiza porque hay una serie de parámetros cuya medida se complica (o son necesarios otros instrumentos adicionales), si intentamos trabajar con el tiempo. En cambio, al no depender de dichos parámetros del tiempo, sino de la frecuencia, se simplifican ciertas medidas. Por lo tanto, podemos decir que con un buen osciloscopio y un buen analizador de espectros en nuestro laborario disponemos de la mayor parte de la instrumentación necesaria para el análisis de señales análogas.

El análisis de señales en el dominio de la frecuencia se puede realizar de varias formas diferentes.Cada una de ellas tiene sus ventajas y sus inconvenientes, por lo que iremos viendo cada una por separado.

Técnica de medida en tiempo real

Esta técnica se caracteriza por el uso de filtros colocados a lo largo de la banda en que trabaja el analizador. Son un conjunto de filtros paso-banda fijos, colocados directamente a la entrada del analizador, de esta manera que cualquier señal de entrada puede ser analizada y separada de las demás señales del resto de la banda por dichos filtros. Solo debemos sintonizar correctamente los filtros de entrada con la frecuencia de la señal que nos llega.

Este método resulta muy eficaz para el análisis de señales de baja frecuencia comprendidas desde la señal continua hasta poco mas allá de las señales de audio.Del mismo modo, su principal inconveniente es un pequeño ancho de banda de trabajo.

Técnica del analizador por Transformadas de Fourier

Los analizadores de espectros que utilizan esta técnica 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).

Técnica del 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.

El diagrama de bloques de este tipo de analizadores se muestra en la figura 1. En  ella podemos  observar que la señal de entrada es cambiada a una frecuencia inferior (después de haber sido correctamente filtrada), a través de un mezclador, al que llega la frecuencia de un oscilador local controlado por un generador de barrido.

Esta señal, bajada de frecuencia, es trata y detectada de manera que se puedan hacer las medidas oportunas, al mismo tiempo que tenemos una presentación en pantalla de la misma.

Los analizadores de espectro actuales se caracterizan por su tendencia a facilitar al usuario su manejo, al mismo tiempo que se aumentan sus prestaciones. Este tipo de analizadores llevan internamente todo un sistema de control y análisis que permite una presentación en pantalla de la mayor parte de los parámetros a medir.

El resto de las utilidades se seleccionan a través de diferentes menús; también permiten un control automático de los mismos a través de puertos de comunicaciones RS-232 o bus GPIB.

Figura 1

Los diferentes parámetros de ancho de banda de FI (A), tipo y forma del filtro de FI (B), la estabilidad del oscilador local (C) y la presencia de ruido interno del propio equipo (D), determinan las características generales de un analizador de espectros. Es decir, un filtro con gran estabilidad y banda de corte ajustable y precisa, un oscilador local suficientemente preciso y un buen rechazo de ruido generado por el propio equipo, serán los que nos permitan asegurarnos la precisión de nuestras medidas.

La presentación en pantalla de la mayor parte de las medidas realizadas por el analizador supone un fácil acceso a la información  Si a esto le añadimos una serie de menús que nos permitan acceder a las funciones que no tenemos en pantalla en un momento dado, obtenemos un equipo de un manejo practico y fácil de aprender.

El ruido interno (Noise) del analizador de espectros viene determinado en su mayor parte por las características del filtro de frecuencia intermedia. Por lo tanto, el diseño del mismo debe hacerse para que en ausencia de señal de entrada, no detectemos ninguna señal en las medidas que realicemos hasta que no descendamos por debajo de un cierto nivel que determina la sensibilidad del equipo.

A la hora de realizar las medidas, otra de las características que hay que tener en cuenta en un analizador de espectros es su resolución de la frecuencia a medir. Si el equipo fuese ideal, la representación de un tono puro (sin armónicos), debería verse en pantalla como una linea vertical.

Debido a que el equipo y mas concretamente, su filtro de FI, no es ideal, dicho tono se vera con algo de abertura en su base. Este detalle es importante para poder discernir entre dos frecuencias diferentes muy próximas.

La resolución de amplitud nos determina la mas pequeña variación del nivel de señal de entrada que puede detectar el analizador de espectros. Esta característica viene determinada por la resolución de los convertidores y voltímetros internos del analizador que nos fijaran la precisión con que medimos la amplitud de una determinada señal de entrada y el error que estamos cometiendo al realizarla.