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Analizadores de espectro: ¿Qué son y cuáles son los diferentes tipos?

¿Es ingeniero eléctrico...? ¿Alguna vez ha usado un analizador de espectro?

La mayoría de los ingenieros eléctricos (¡y con suerte todos!), y quizás muchos ingenieros de disciplinas distintas a la eléctrica, saben qué es un osciloscopio y lo han usado. Me imagino que el osciloscopio fue presentado a la mayoría de los ingenieros eléctricos durante su primer año de universidad. Sin embargo, cuando se trata de analizadores de espectro, algunos ingenieros eléctricos en ejercicio pueden no saber cuáles son, y mucho menos haber usado uno.

¿Qué es un analizador de espectro?

Para muchos ingenieros eléctricos, un analizador de espectro se parece a un osciloscopio, excepto que tiene más funciones y gráficos. Sin embargo, aunque tanto un osciloscopio como un analizador de espectro muestran la amplitud de una señal en el eje vertical, la diferencia entre ellos es lo que se muestra en el eje horizontal; un osciloscopio muestra el tiempo, mientras que el analizador de espectro muestra la frecuencia. La siguiente figura muestra múltiples mediciones de frecuencia que se visualizan en el analizador de espectro DSA815-TG de Rigol.

Figura 1: Los analizadores de espectro muestran mediciones de frecuencia en el eje horizontal. (Fuente de imagen: Rigol Technologies[1])

Según Keysight Technologies, un analizador de espectro "mide la magnitud de una señal de entrada frente a la frecuencia dentro del rango de frecuencia completo del instrumento. Su uso principal es medir la potencia del espectro de señales conocidas y desconocidas".[2] En otras palabras, un analizador de espectro permite a los usuarios “analizar un espectro”, donde un espectro se define como una colección de ondas sinusoidales combinadas para producir una señal en el dominio del tiempo.

Como ejemplo, observemos una señal en un osciloscopio (Figura 2).

Figura 2 : Una señal mostrada en un osciloscopio (Fuente de la imagen: Agilent Technologies[3])

Si bien esta señal obviamente no es una forma de onda sinusoidal pura, un analizador de espectro determina cada una de las formas de onda sinusoidales individuales que componen esta señal. Y después de que el analizador de espectro ha identificado estas formas de onda, traza la amplitud frente a la frecuencia de cada forma de onda individual. Como puede ver en la Figura 3, la señal de la Figura 2 se compone de solo dos formas de onda sinusoidales.

Figura 3: Relación entre una señal de dominio de tiempo (de la cual se muestra en un osciloscopio) y las señales de dominio de frecuencia (de las cuales se muestran en analizadores de espectro) (Fuente de la imagen: Agilent Technologies[3])

Tipos de analizadores de espectro: Tipos de tecnología y factores de forma

Hay dos categorías principales de analizadores de espectro: analizadores de barrido y analizadores en tiempo real, también conocidos como analizadores de espectro en tiempo real o RTSA. Ambos tipos, que se han utilizado durante muchos años, muestran la amplitud en el eje vertical y la frecuencia en el eje horizontal, pero la forma en que "analizan un espectro" es lo que los distingue.

Dado que un analizador de espectro de barrido no es "nada más que un voltímetro de frecuencia selectiva con un rango de frecuencia sintonizado (barrido) automáticamente"[4], no es sorprendente darse cuenta de que estos tipos tradicionales de analizadores "descendieron de los receptores de radio".[4] Y debido a que los analizadores de espectro de barrido "no pueden evaluar todas las frecuencias en un intervalo dado simultáneamente"[4], se usan principalmente para medir señales estacionarias o repetitivas. Estos analizadores han servido con éxito a la comunidad de ingeniería de cumplimiento (piense en las pruebas de precumplimiento y las pruebas EMC/EMI) durante varias décadas.

A diferencia de los analizadores de espectro de barrido, los analizadores de espectro en tiempo real pueden evaluar todas las frecuencias simultáneamente. Un analizador de espectro en tiempo real funciona primero adquiriendo datos en el dominio del tiempo y luego convirtiendo esos datos en el dominio de la frecuencia mediante el uso de la transformada rápida de Fourier (FFT).

Los analizadores de espectro vienen en una variedad de factores de forma, incluidos los de sobremesa (Figura 4) y los portátiles (Figura 5).

Figura 4: El analizador de espectro de mesa T3SA3200 de Teledyne LeCroy ofrece un rango de frecuencia de 9 kHz a 3.2 GHz. (Fuente de imagen: Teledyne LeCroy[5])

Figura 5: El RF Explorer modelo 2.4G de Seeed Technology es un analizador de espectro portátil de 2.35 GHz a 2.55 GHz. (Fuente de imagen: Seeed Technology)

Los modelos de sobremesa suelen superar a sus homólogos portátiles, pero pueden tener un precio más alto. Los analizadores de espectro portátiles son menos costosos y más pequeños, pero ofrecen solo una capacidad de subconjunto en relación con los analizadores de sobremesa. Los analizadores portátiles son simplemente aquellos (incluidas algunas versiones de sobremesa) que pueden llevarse al campo gracias a sus paquetes de baterías.

Conclusión

Si bien todos los ingenieros eléctricos (¡esperamos!) saben qué es un osciloscopio y cómo usarlo, se puede suponer que solo algunos ingenieros eléctricos han usado un analizador de espectro. Aunque los osciloscopios y algunos analizadores de espectro (las versiones de sobremesa) pueden tener un aspecto similar tanto en factor de forma como en pantalla, son bastante diferentes; un analizador de espectro presenta sus datos adquiridos en una forma de amplitud frente a frecuencia, mientras que un osciloscopio muestra su información en un método de amplitud frente a tiempo. Sin embargo, al igual que los osciloscopios, hay varios tipos de analizadores de espectro disponibles según las necesidades y el presupuesto.

 

Referencias:

1 – Rigol Technologies, “Hoja de datos del analizador de espectro DSA800" (página 3)

2 – Keysight Technologies, "¿Qué es un analizador de espectro?"

3 – Agilent Technologies, "Conceptos básicos de análisis de espectro de Agilent" (páginas 4-5)

4 – Keysight Technologies, "diferentes tipos de analizadores"

5 – Teledyne LeCroy, Hoja de datos T3SA3100/T3SA3200" (página 2)

Acerca de este autor

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Nick Davis es licenciado en Ingeniería Eléctrica por la Universidad de Idaho, situada en la hermosa ciudad de Moscú. Ha trabajado tanto en pequeñas como en grandes empresas, con menos de 50 empleados hasta más de 30.000. Durante sus más de 18 años en el campo de la ingeniería, ha ocupado muchos puestos de ingeniería, incluyendo ingeniero de diseño, ingeniero de sistemas, ingeniero de fabricación e ingeniero de pruebas y validación. Sus intereses actuales incluyen el desarrollo de sistemas electromecánicos basados en microcontroladores, la creación de archivos de diseño esquemático y de trazado de PCB, el modelado CAD en 3D y el espíritu empresarial.

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