E C -8 0 0
Entrenador de Comunicaciones y RF
MANUAL DEL PROFESOR
- 0 MI2037 -
VERSIÓN DEL MANUAL
Versión
1.0
Fecha
Noviembre 2014
PRESCRIPCIONES DE SEGURIDAD
* La seguridad puede verse comprometida si no se aplican las instrucciones
dadas en este Manual.
* Observar
en todo momento
especificadas para el aparato.
las
condiciones
ambientales
máximas
* Al utilizar el alimentador DC externo, el negativo de medida se halla al potencial
de tierra.
* No obstruir el sistema de ventilación del equipo.
* Utilizar para las entradas/salidas de señal, especialmente al manejar niveles altos,
cables apropiados de bajo nivel de radiación.
* Seguir estrictamente las recomendaciones de limpieza que se describen en el
apartado Mantenimiento.
* Símbolos relacionados con la seguridad:
Noviembre 2014
Ejemplos Descriptivos de las Categorías de Sobretensión
Cat I
Instalaciones de baja tensión separadas de la red.
Cat II Instalaciones domésticas móviles.
Cat III Instalaciones domésticas fijas.
Cat IV Instalaciones industriales.
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TABLA DE CONTENIDOS
INTRODUCCIÓN AL EC-800 ........................................................................... 1
Contenido del Embalaje ............................................................................. 3
Instrucciones de uso ................................................................................. 3
EXPLICACIÓN sobre el DOMINIO de la FRECUENCIA y del TIEMPO................ 7
Observación desde una perspectiva diferente ............................................... 7
Series de Fourier ...................................................................................... 9
INTRODUCCIÓN a los ANALIZADORES de ESPECTRO....................................14
Receptor de Banda Ancha .........................................................................14
Atenuador ..............................................................................................15
Filtro de Ancho de Banda de Resolución ......................................................15
Detector.................................................................................................17
Filtro de Ancho de Banda de Vídeo .............................................................17
Analizador de Espectro Superheterodino .....................................................18
PRÁCTICAS de COMUNICACIÓN y SEÑALES RF.............................................20
PRÁCTICA 1 Funcionamiento básico de un Analizador de Espectro ............ 1-1
1.1 Objetivos de la práctica ................................................................... 1-1
1.2 Principios básicos de la práctica ....................................................... 1-1
1.3 Enunciado de la práctica .................................................................. 1-3
1.4 Pasos de la práctica ........................................................................ 1-3
1.5 Resultados de la práctica ................................................................. 1-5
1.6 Preguntas...................................................................................... 1-6
PRÁCTICA 2 Medición de una forma de onda de banda base...................... 2-1
2.1 Objetivos de la práctica ................................................................... 2-1
2.2 Principios básicos de la práctica ....................................................... 2-1
2.3 Enunciado de la práctica .................................................................. 2-2
2.4 Pasos de la práctica ........................................................................ 2-2
2.5 Resultados de la práctica ................................................................. 2-5
2.6 Preguntas...................................................................................... 2-6
PRÁCTICA 3 Diferentes bandas base de forma de onda y la medida de sus armónicos 3-1
3.1 Objetivos de la práctica ................................................................... 3-1
3.2 Principios básicos de la práctica ........................................................ 3-2
3.3 Enunciado de la práctica .................................................................. 3-2
3.4 Pasos de la práctica ........................................................................ 3-2
3.5 Resultados de la práctica ................................................................. 3-5
3.6 Preguntas...................................................................................... 3-9
PRÁCTICA 4 Medida de la Portadora RF .................................................... 4-1
4.1 Objetivos de la práctica ................................................................... 4-1
4.2 Principios básicos de la práctica ........................................................ 4-2
4.3 Enunciado de la práctica .................................................................. 4-3
4.4 Pasos de la práctica ........................................................................ 4-3
4.5 Resultados de la práctica ................................................................. 4-7
4.6 Preguntas.....................................................................................4-10
4.7 Bucle de enganche de fase..............................................................4-11
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PRÁCTICA 5 Medida de la señal AM ........................................................... 5-1
5.1 Objetivos de la práctica ................................................................... 5-1
5.2 Principios básicos de la práctica ........................................................ 5-2
5.3 Enunciado de la práctica .................................................................. 5-4
5.4 Pasos de la práctica ........................................................................ 5-5
5.5 Resultados de la práctica ................................................................. 5-8
5.6 Preguntas.....................................................................................5-13
PRÁCTICA 6 Medida de la señal FM ........................................................... 6-1
6.1 Objetivos de la práctica ................................................................... 6-1
6.2 Principios básicos de la práctica ........................................................ 6-2
6.3 Enunciado de la práctica .................................................................. 6-6
6.4 Pasos de la práctica ........................................................................ 6-6
6.5 Resultados de la práctica ................................................................. 6-9
6.6 Preguntas.....................................................................................6-14
PRÁCTICA 7 Uso del Analizador de Espectro en Sistemas de Comunicación7-1
7.1 Objetivos de la práctica ................................................................... 7-1
7.2 Principios básicos de la práctica ........................................................ 7-2
7.3 Enunciado de la práctica .................................................................. 7-3
7.4 Pasos de la práctica ........................................................................ 7-3
7.5 Resultados de la práctica ................................................................. 7-7
7.6 Preguntas...................................................................................... 7-9
PRÁCTICA 8 Medición de productos de comunicación...............................8-11
8.1 Objetivos de la práctica ..................................................................8-11
8.2 Principios básicos de la práctica ......................................................8-12
8.3 Enunciado de la práctica .................................................................8-12
8.4 Pasos de la práctica .......................................................................8-12
8.5 Resultados de la práctica ................................................................8-14
8.6 Preguntas.....................................................................................8-14
PRÁCTICA 9 Aplicaciones en Líneas de Producción...................................9-15
9.1 Objetivos de la práctica ..................................................................9-15
9.2 Principios básicos de la práctica .......................................................9-16
9.3 Enunciado de la práctica .................................................................9-17
9.4 Pasos de la práctica .......................................................................9-17
9.5 Resultados de la práctica ................................................................9-19
ESPECIFICACIONES .....................................................................................21
10.1 Especificaciones Generales.................................................................21
MANTENIMIENTO ........................................................................................22
11.1 Recomendaciones de Limpieza............................................................22
ANEXO
Tabla de conversión dBm .............................................................................23
La relación entre dB y dBc............................................................................24
Valores de resistor en atenuadores de resistencia tipo π ...................................25
Valores de resistor en atenuadores de resistencia tipo T ...................................26
Tabla de comparación de índice de modulación y amplitud de banda lateral.........27
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ENTRENADOR DE RADIOFRECUENCIA
E C -8 0 0
INTRODUCCIÓN AL EC-800
El EC -8 0 0 es un entrenador didáctico específicamente diseñado, que es capaz
de producir una señal de banda base de 3 MHz y una señal portadora de hasta
900 MHz. El EC -8 0 0 también sirve para realizar prácticas con circuitos de RF,
AM y FM. Los ejercicios prácticos del entrenador satisfacen las necesidades de la
mayoría de los cursos genéricos de RF. El EC -8 0 0 consta de tres módulos: un
módulo de banda base, un módulo de FM y sintetizador de RF y un módulo de
AM.
El módulo de banda base puede simular una señal de banda base e incluye
formas de onda sinusoidales, cuadradas o triángulares. Su frecuencia de salida y
amplitud son ajustables. Los tres tipos de formas de onda pueden ser
arbitrariamente cambiados de uno a otro para cumplir con los requerimientos de
las señales en cada una de las diferentes prácticas.
El módulo sintetizador RF / FM se utiliza para generar una frecuencia portadora
ajustable, así como para realizar modulación de frecuencia. Este módulo abarca
algunos de los puntos principales en la teoría de circuitos de RF. Este hecho se
pondrá de relevancia en las prácticas de capítulos posteriores. Las formas de
onda de FM también se pueden producir mediante el uso de este módulo junto
con el módulo de banda base. El analizador de espectro A E-3 6 6 B puede ser
utilizado para observar las diversas características de una forma de onda FM.
El módulo AM y el módulo de banda base se puede utilizar juntos para llevar a
cabo prácticas de modulación de amplitud. El analizador de espectros A E-3 6 6 B
se puede utilizar para observar las distintas características de una forma de onda
AM.
Los estudiantes pueden aprender los aspectos fundamentales de la teoría de RF a
través de varias prácticas. Explicar la teoría de RF ha sido más fácil dividiendo los
circuitos de RF en funciones fundamentales. Esto permite a los estudiantes ver
en detalle cómo la teoría se relaciona con los aspectos prácticos de los circuitos
de RF.
Este sistema es una colección de diferentes funciones: generación de señal,
modulación de frecuencia, modulación de amplitud, comunicación y otras
funciones. Conectando diferentes módulos conjuntamente se puede crear una
serie de prácticas de circuitos de RF diferentes. Estas prácticas se describirán en
los siguientes capítulos.
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1
El entrenador EC -8 0 0 está diseñado para poder modular una señal de audio en
una forma de onda portadora. El sistema tiene en cuenta las dificultades
derivadas de la teorías de circuitos de RF y su aprendizaje. Se centra en estas
teorías y establece unas prácticas para comprender los aspectos teóricos de la
circuitería RF. Las prácticas tienen el beneficio añadido de aumentar el interés de
los estudiantes por aprender circuitos de RF.
Figura 1. Panel de Control del Entrenador.
Figura 2. Analizador de Espectro AE-366B.
2
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Contenido del Embalaje
El embalaje contiene lo siguiente:
Entrenador EC -8 0 0 .
1
Entrenador de RF y
Comunicación
Cable RF
2
100 mm
Cable RF
1
800 mm
Antena
1
800-1000 MHz
Cable de Alimentación
1
100-240V~50-60Hz
CD
1
Manuales y software
Adaptador
1
Adaptador N-SMA
Instrucciones de uso
►
Procedimiento
Por razones de seguridad, conecte la unidad a la fuente de alimentación
correcta entre 100 V ~ 240 V, 50-60 Hz.
Asegúrese de que el terminal de tierra está conectado adecuadamente a
tierra para evitar descarga eléctrica.
La toma de corriente y el puerto USB se encuentran en el panel trasero. El
interruptor de encendido está en la parte superior izquierda del dispositivo.
Puerto USB.
Toma de corriente.
Interruptor de encendido.
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3
Cuando se utilizan varios módulos juntos al mismo tiempo, conecte cada
módulo con el cable de RF apropiado.
Figura 3. Diagrama de conexión entre diferentes módulos.
Los botones UP (arriba) y DOWN (abajo) en el módulo de banda base se
pueden utilizar para ajustar la frecuencia de la señal de banda base. El
módulo de banda base es ajustable en pasos de 10 kHz.
El pulsador WAVE Select se utiliza para seleccionar tres formas de onda
diferentes de banda base. Cuando se selecciona la forma de onda, la luz
LED correspondiente se ilumina.
El pulsador Reset se utiliza para reiniciar el EC-800. Cuando se reinicia, el
equipo emite una señal de salida de banda base de 0,10 MHz sinusoidal y
una señal portadora con una frecuencia de 880 MHz.
El puerto output se utiliza para emitir la señal de banda base configurada.
La pantalla de cuatro dígitos se utilizan para mostrar la frecuencia de la
señal de banda base de salida.
TP4 (punto de prueba 4) se utiliza para monitorizar la señal de salida
desde el puerto de salida.
El control variable Amp Adj es un potenciómetro que se utiliza para
ajustar la tensión de la señal de banda base de salida. Gire en sentido
horario para aumentar la amplitud y en sentido antihorario para disminuir
la amplitud.
4
Noviembre 2014
Figura 4. Módulo de Banda Base.
Los pulsadores UP (arriba) y DOWN (abajo) en el módulo Sintetizador RF / FM
puede ser utilizado para ajustar la frecuencia de la portadora. La portadora se
puede ajustar en pasos de 1 MHz.
La pantalla de cuatro dígitos se utiliza para mostrar la frecuencia de la
señal portadora.
El puerto FM in y el puerto de RF / FM Output se utilizan para recibir la
señal de FM y emitir la señal portadora, respectivamente.
TP2, TP3 y TP1 se utilizan para monitorizar los puntos de test del circuito.
Para la posición de cada punto de test, consulte la figura 7.
Figura 5. Sintetizador de RF/FM.
El módulo AM se utiliza para la modulación de amplitud. El puerto AM in y el
puerto RF in se utilizan para introducir la señal de modulación y la señal
portadora, respectivamente. El puerto AM output da salida a la forma de onda
modulada en amplitud.
Figura 6. Modulo AM.
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5
Hay cinco puntos de test (Tp1 Tp2, Tp3, Tp4, Tp5) en el panel. Estos cinco
puntos de prueba se establecen en diferentes puntos del circuito en el
conexionado de los módulos conectados. Sus lugares específicos se muestra
en la figura a continuación. Pueden estar activados o desactivados por sus
correspondientes relés (B1, B2, B3, B4, B5). Se puede utilizar un osciloscopio
para detectar/determinar el estado del en esos puntos de test.
Figura 7. Localización de cada punto de test en el circuito.
6
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EXPLICACIÓN sobre el DOMINIO de la FRECUENCIA y del
TIEMPO
Observación desde una perspectiva diferente
Cuando se dice que una señal está en el dominio del tiempo, significa que la
señal se expresa como una función del tiempo. Por ejemplo, si se describe una
señal de onda sinusoidal que se repite una vez cada microsegundo (μsec, 10-6),
significa que el período de la señal es 1 microsegundo.
Por lo general, se utiliza un osciloscopio para medir estas características de la
señal en el dominio del tiempo. Además, cuando hablamos del tiempo de subida
y bajada de una forma de onda cuadrada, también se puede observar que es en
el dominio del tiempo. El retraso de fase se mide también en el dominio del
tiempo. Los osciloscopios son instrumentos de medida de señal eléctrica bien
conocidos que realizan las mediciones en el dominio del tiempo.
Figura 8.
Onda sinusoidal de 1μsec.
Figura 9.
Onda cuadrada con el mismo período.
Sin embargo, cuando observamos una onda sinusoidal y una onda cuadrada con
la misma amplitud y período, ¿hay una manera de describir la diferencia entre
ellas? Las medidas en dominio de la frecuencia proporcionan un punto de vista
diferente.
En primer lugar vamos a explicar lo que significa el dominio de la frecuencia.
Dominio de frecuencia significa observar la composición de frecuencia de una
señal. Si añadimos una señal de onda sinusoidal que tiene un período de
1 microsegundo a un analizador de espectro, vamos a ver obviamente una señal
a escala de 1 megahercio (MHz). Sabemos que la frecuencia es la inversa del
período. Por lo tanto, una onda sinusoidal con un período de un microsegundo
tiene una frecuencia de 1 MHz. Se puede medir el voltaje con un osciloscopio y la
potencia (dBm) con un analizador de espectro.
Tensión y potencia se pueden convertir de una a la otra, por lo tanto se pueden
usar para mostrar la fuerza de una señal. Aquí se ha de introducir en primer
lugar un concepto básico. Cada punto de frecuencia en el espectro representa
una onda sinusoidal (que podría ser una onda seno o coseno) de una sola
frecuencia.
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7
Figura 10.
Figura 11.
¿Qué pasa con una onda cuadrada? Ahora vamos a explicar cómo una forma de
onda cuadrada y una forma de onda sinusoidal son diferentes una de la otra en
el dominio de la frecuencia. Si introducimos una onda cuadrada con un período
de 1 microsegundo en un analizador de espectro, la representación de la forma
de onda (por lo general le llamaremos espectro o distribución de frecuencia) será
como sigue.
Figura 12.
Figura 13.
Si lo comparamos con un espectro de onda sinusoidal, podemos observar que,
además del punto en la escala de 1 MHz, otros puntos de señal también aparecen
en las frecuencias más altas y con amplitudes menores. Por lo tanto, muestra
que una onda cuadrada también incluye una combinación de señales que son
múltiplos de la frecuencia de banda base, además de la frecuencia base de
1 MHz (frecuencia fundamental).
Podemos ver una relación entre el dominio del tiempo y el dominio de la
frecuencia en la siguiente ilustración. La señal de onda cuadrada en el dominio
del tiempo se puede descomponer en múltiples ondas armónicas básicas. La
distribución de estos componentes armónicos se puede ver claramente en el
dominio de la frecuencia. El análisis del dominio de la frecuencia describe las
características de una señal desde otro punto de vista.
8
Noviembre 2014
Figura 14.
Series de Fourier
∗
A muchas personas les puede sonar el término de serie de Fourier o
Transformada de Fourier. Si nunca ha oído hablar de ella no importa, en el
siguiente texto se explicará con detalle.
La serie de Fourier fue creada originalmente por Joseph Fourier para resolver la
ecuación del calor en una placa de metal, pero se convirtió en una buena
herramienta para el análisis del dominio de la frecuencia y de las ondas
armónicas de las señales y sistemas de campos. Después de leer este capítulo,
tal vez concluya que este matemático francés, nacido en 1768, fue un gran
genio.
Figura 15. Fourier, Joseph (1768-1830).
Fourier pensó que cualquier función periódica se puede descomponer en una
suma infinita de funciones seno (sin (nx)) y funciones coseno (cos (nx)). Aquí, n
es un entero positivo (n = 1,2,3 ...). Esto significa que cualquier función
periódica puede ser creada por una combinación de múltiples funciones
sinusoidales. En general, una período de 2π, (-π, π) puede expresarse como una
función periódica f (x). Esto se puede expresar de la siguiente forma:
∗
Apartado solo disponible en el manual del profesor.
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9
donde
La función matemática anterior muestra que cualquier función periódica f(x) con
un periodo de 2π se puede descomponer, clasificar y organizar en una
combinación de tres tipos de funciones: la constante a0, el grupo funcional
coseno ancos(nχ) y el grupo funcional seno bnsin(nχ).
La constante llamada a0 es la componente continua (CC o DC) de una señal. Esta
función integra f(x) desde π a -π y se divide por π. Es decir, calcula el promedio
sobre π, es decir, la componente DC. En términos de una señal de corriente
alterna pura, la componente DC o valor constante es 0.
En cuanto a la función seno, sin(x), sabemos que si dibujamos sin(3x) y sin(x),
podemos ver que la frecuencia de sin(3x) es tres veces la de sin(x), y que el
sin(nx) es, naturalmente, n veces la frecuencia de sin(x). Esta observación
también es cierta para las funciones coseno. La serie de Fourier nos dice que
cualquier función periódica puede ser considerada como la suma de la
componente de corriente continua, de múltiples términos seno y de múltiples
términos coseno.
Los coeficientes de la serie de Fourier que se han calculado a partir de las
integrales anteriores son de hecho la magnitud de cada uno de los armónicos
(n). Por lo tanto, multiplicando los coeficientes de Fourier con sus
correspondientes armónicos y, a continuación, añadiendo los términos
resultantes, todos juntos daría resultante la ecuación original f(x).
Figura 16. Formas de onda Sin(x) y sin(3x)
10
Noviembre 2014
¿Cuál es el propósito de convertir una señal desde el dominio del tiempo al
dominio de la frecuencia? De hecho, el concepto de dominio de la frecuencia
también es muy importante en sistema de análisis de la señal. Tomando este
simple caso, por ejemplo, antes de diseñar un filtro de ruido, debemos conocer
primero la frecuencia de la señal y la frecuencia de la señal de ruido.
Otro ejemplo, para diseñar una antena de 2,4 GHz, es más intuitivo medir la
respuesta de frecuencia en el dominio de la frecuencia que en el dominio del
tiempo. Además, el análisis y el cálculo de una sistema lineal es más simple en el
dominio de la frecuencia en comparación con el dominio del tiempo. En el
dominio del tiempo, la mayoría de las señales y sistemas debe utilizar el proceso
de convolución para resolver ecuaciones lineales mientras que en el dominio de
la frecuencia sólo los operadores necesitan ser multiplicados juntos. Es mucho
más fácil.
La mayoría de nuestro sistemas de comunicación y señales son sistemas lineales.
Gracias al Sr. Fourier, nuestra clase de matemáticas aplicadas a la ingeniería
fueron más difíciles, pero también permitió que pudiesemos usar nuestros
teléfonos para mantenernos en contacto con nuestros amigos después de clase.
Figura 17.
Figura 18.
Señal con ruido armónico.
Señal después de pasar por el filtro pasabajo
Antes de terminar la introducción a la serie de Fourier, vamos a explicar algunas
cosas. En primer lugar la fórmula para el cálculo de los coeficientes de las series
de Fourier. Se basa en la teoría de que cos(x), sin(x), cos(2x), sin(2x) ...
cos(nx), sin(nx) son considerados como un conjunto de 2n + 1 ejes (incluyendo
DC, n = 0) en un sistema de coordenadas.
Por ejemplo, hay 3 ejes, X, Y y Z en un espacio tridimensional. Hay 2n + 1 ejes
de coordenadas en la función periódica. Las fórmulas integrales de los
coeficientes de Fourier son métodos para calcular cada componente de la función
f(x) en los ejes (2n + 1). Esto es como representar el punto (3, -5, 8) en un
espacio tridimensional donde sus componentes en los ejes X, Y y Z son 3, -5, 8,
respectivamente.
En el análisis vectorial, calculamos estos componentes por su producto interior.
Mientras que en la serie de Fourier, se utilizan las fórmulas integrales anteriores
(otra forma de fórmula del algoritmo de producto interior) para calcular cada uno
de los componentes. Más cálculos de este tipo necesitan un mayor estudio en el
área del algebra lineal.
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Figura 19. El punto (3, -5, 8) en coordenadas cartesianas tiene los componentes 3, -5, 8 en
los ejes x, y, z respectivamente.
Figura 20. Los distintos coeficientes de Fourier representan cada componente de frecuencia
en el eje.
También hay que tener en cuenta que el valor calculado de los coeficientes de
Fourier en cada n representan los componentes de su multiplicador (es decir,
armónico). Por ejemplo si se trata de cos(3x) o sin(3x), todos ellos son
componentes del tercer armónico. Si utilizamos un analizador de espectro para
medir el tercer armónico de las señales, a3cos(3χ) y b3sin(3χ), la medición real
sería el producto de a3cos(3χ) y b3sin(3χ).
Sin embargo, estas dos señales tienen una fase de diferencia, θ. ¿Puede esta
diferencia de fase medirse en un analizador de espectro? El siguiente diagrama
ilustra de manera bastante sencilla lo que puede medirse en el dominio del
tiempo.
Figura 21. La diferencia de fase, θ, de sin(3x) y cos(3x) no puede ser medida directamente
desde el dominio de la frecuencia.
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La figura anterior muestra que la diferencia de fase entre las dos señales no
puede ser vista en el dominio de la frecuencia. Sin embargo, si la señal
sinusoidal y la señal cosenoidal se suman, resultan en una forma de onda con
una amplitud mayor que, o bien tiene un desfase de π / 4 con respecto a la onda
sinusoidal o adelanta la onda cosenoidal por π / 4.
Esta forma de onda, se puede utilizar como forma de onda de referencia. Una
señal de referencia se necesita de forma que cuando se hace girar a 0° (45° o
π/4) permita a los vectores lineales ser utilizados para determinar la fase de las
señales seno y coseno, y por lo tanto la diferencia de fase. Esto se ilustra a
continuación.
Figura 22.
Figura 23.
Figura 24.
Medir la diferencia de fase en el dominio de la frecuencia es lo mismo que
realizar un análisis del vector de la señal. Esto requiere que los componentes a3 y
b3 sean medidos de forma individual, y luego la función cotangente, tan-1
(a3/b3), se puede utilizar para encontrar la fase. Se necesita una analizador de
señales vectoriales para mayor medición y análisis.
Noviembre 2014
13
INTRODUCCIÓN a los ANALIZADORES de ESPECTRO
Los analizadores de espectro son uno de los más importantes instrumentos para
las medidas de microondas de RF. Estar familiarizado con un analizador de
espectro en general es muy importante para trabajar con equipos de microondas
de alta frecuencia o para la realización de medidas de comunicación. Además,
estar familiarizado con los principios básicos de funcionamiento le permitirá
entender rápidamente otros equipos de medidas relacionados.
En este capítulo, vamos a introducir brevemente los principios básicos de trabajo
de un analizador de espectro. Después de comprender los principios básicos de
funcionamiento encontrará que un analizador de espectro es una herramienta
muy útil.
Receptor de Banda Ancha
La función principal de un analizador de espectro es convertir la frecuencia de la
señal de entrada a una frecuencia (banda) que se pueda manejar. Por ejemplo,
una señal de 2,4 GHz necesita ser convertida a MHz antes de que el módulo de
detección pueda procesar la señal. Por lo tanto un analizador de espectro debe
ser capaz de reducir la banda de frecuencia hasta varios MHz.
La primera parte de un analizador de espectro se llama módulo de
radiofrecuencia y su tarea es reducir la señal de entrada de frecuencia. Un
mezclador y un filtro pasabanda se utilizan para disminuir la frecuencia (también
puede aumentar la frecuencia). El mezclador es un componente con tres puertos:
dos entradas y una salida.
Supongamos que las dos frecuencias de entrada en el puerto de entrada son fRF y
fLO respectivamente y la frecuencia de salida es fIF. fIF está constituida por dos
señales de diferentes frecuencias (fLO- fRF y fLO + fRF) que aparecen en el puerto
de salida al mismo tiempo. Una señal es la suma de las señales de entrada y la
otra es la diferencia. La determinación de cuál de las señales de FI se utilizarán
depende del sistema y del posterior diseño del filtro pasabanda. En cuanto a por
qué los tres puertos llevan el nombre de RF, LO e IF no son más que los términos
convencionales que se utilizan.
Figura 25. La estructura básica de un receptor de banda ancha.
14
Noviembre 2014
A continuación, vamos a introducir los otros bloques funcionales básicos de los
que se compone un analizador de espectro. Estos bloques se mencionarán a
menudo cuando se esté explicando el funcionamiento del analizador de espectro.
Atenuador
Un atenuador en la vía de entrada de RF puede aumentar el rango dinámico de la
señal de entrada o proveer más protección de entrada al analizador de espectro.
En referencia a la siguiente figura, el atenuador limita la señal que llega al
mezclador (al final de RF) a un cierto nivel. Si la señal de entrada está por
encima de un nivel de referencia, puede causar errores de medición o ruido
espurio.
Figura 26. Atenuador.
Filtro de Ancho de Banda de Resolución
Cuando la frecuencia de la señal de entrada se convierte a FI (frecuencia
intermedia), un filtro RBW (resolution bandwidth o de ancho de banda de
resolución) se utiliza para discriminar las señales que están cercanas en
frecuencia. La siguiente figura muestra este concepto.
Figura 27. Estructura básica de un filtro de ancho de banda de resolución.
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15
La siguiente figura muestra como dos filtros diferentes RBW discriminan entre
dos señales que están cercanas en frecuencia. El ancho de banda de RBW2 es
mayor que el de RBW1.
Figura 28. Efecto de diferentes RBW (1).
Después de pasar el filtro RBW1 más estrecho, los componentes de las dos
señales se distinguen claramente una de otra como resultado. Pero en el filtro
RBW2 más amplio, el resultado no es tan claro como en RBW1. Podemos predecir
que si el ancho de banda de resolución de RBW2 es más amplio, podríamos
incluso malinterpretar el resultado como solo una señal. Esto también sucederá si
estas dos señales están aún más cerca en frecuencia.
Otro caso es cuando la amplitud de una señal es mucho más grande que otra; la
señal más pequeña todavía se puede detectar utilizando RBW1, pero se tapa si
se utiliza RBW2. La siguiente figura ilustra esta diferencia. Por ello, estos filtros
se conocen como filtros de ancho de banda de resolución.
Figura 29. Efecto de diferentes RBW (2).
16
Noviembre 2014
Detector
Tras el filtro RBW, el detector detecta la potencia y la convierte a tensión de CC a
través de un ADC (conversor analógico-digital) de modo que puede ser
mostrada.
Figura 30. Detector.
Filtro de Ancho de Banda de Vídeo
Un filtro se emplea después del detector para filtrar el ruido generado por este.
Esta es la función del filtro VBW (ancho de banda de vídeo) como se muestra en
la siguiente figura.
Figura 31. Filtro VBW.
La siguiente figura muestra cómo el VBW afecta a la salida mostrada. Si la señal
bajo prueba pasa a través de dos diferentes filtros VBW, en el que VBW1 es
menor que VBW2, podemos ver que la magnitud del ruido de fondo de VBW2 es
mayor que en VBW1. Pero hay que tener en cuenta que el nivel medio de ruido
de fondo sigue siendo el mismo. El filtro VBW sólo promedia el nivel de ruido; no
afecta a la amplitud global del ruido de fondo de la señal.
Noviembre 2014
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Figura 32. Diferentes VBW.
Analizador de Espectro Superheterodino ∗
Si un sistema necesita reducir la frecuencia de una señal de entrada de 2,4 GHz
(2400 MHz) hasta 20 MHz, necesitamos un oscilador local con una frecuencia de
2420 MHz para alimentar el mezclador, y obtendremos dos señales con una
frecuencia de 4820 MHz y 20 MHz, respectivamente, en el puerto de salida.
Debido a que lo que queremos es la señal de 20 MHz, las señales deben pasar a
través de un filtro pasabanda (o pasabajo) para extraer la señal de 20 MHz y
excluir cualquier otra señal no deseada (incluyendo la señal de 4820 MHz). Sin
embargo, aunque la frecuencia de la señal de 4820 MHz sea lo suficientemente
alta para que no pueda ser procesada, todavía podrá filtrarse para evitar ruido
innecesario.
Además, podemos utilizar una señal 2380 MHz LO (oscilador local) así como
generar una señal FI de 20 MHz. Debido a esto producirá una señal de 20 MHz y
de 4780 MHz - también se puede utilizar el mismo método para filtrar la señal de
4780 MHz no deseada.
∗
Apartado solo disponible en el manual del profesor.
18
Noviembre 2014
Los analizadores de espectro tienen un rango de frecuencias de entrada muy
ancho. Por ejemplo, con un rango de 500 kHz a 3 GHz, una oscilador local
sintonizable necesita desplazar la señal a una frecuencia más baja para generar
una señal adecuada. Utilizando los mismos ejemplos anteriores, en términos de
2400 MHz, podemos dejar que la fuente de la señal del oscilador local sea
2420 MHz y produzca una señal FI de 20 MHz.
Sin embargo, esto nos dará problemas debido a que la señal del oscilador local
de 2420 MHz y la señal de FI de 20 MHz está dentro del rango de frecuencias
(dentro de 500 kHz ~ 3 GHz) del analizador de espectro. Si la señal del oscilador
local o la señal FI está dentro del rango de frecuencias de entrada, se producirá
más ruido. Esto es porque no todas las señales de entrada están completamente
aisladas en el mezclador.
Los componentes armónicos de orden superior de la entrada del mezclador y las
salidas aparecerían en la salida de las frecuencia intermedias FI. Por tanto, la
frecuencia del oscilador local y de la frecuencia de la señal FI deben ser mayor
que la frecuencia de entrada. Este tipo de sistema receptor se conoce como un
sistema receptor superheterodino.
Por ejemplo, si diseñamos la señal FI para que sea igual a 3200 MHz, cuando la
entrada es 2400 MHz, la señal del oscilador local es igual a 5600 MHz. Una
entrada de oscilador local de 5600 MHz producirá la señal FI de 3200 MHz que
deseamos, así como la intermodulación de frecuencia de 8000 MHz (5600 +
2400). En otras palabras, independientemente de si la señal de FI es 3200 MHz
(o 8000 MHz), o la señal LO es 5600 MHz, ambos no se convertirán en una
fuente de ruido en el rango de frecuencia de entrada.
Los muy observadores habrán notado que en el ejemplo anterior aún no se había
cambiado la señal de entrada a una frecuencia inferior. Se ha cambiado la señal
de entrada (2400 MHz) a una mayor FI (3200 MHz), pero ¿por qué no
cambiamos a una menor frecuencia? Como un analizador de espectro es un
receptor de banda ancha, en primer lugar se ha de cambiar la FI a una
frecuencia más alta y a continuación cambiar la señal a una frecuencia más baja
en las etapas posteriores. Por lo tanto el barrido de los analizadores de espectro
por lo general necesitan varias etapas LO para convertir la FI inicial a la FI final.
Figura 33.
Noviembre 2014
19
PRÁCTICAS de COMUNICACIÓN y SEÑALES RF
En este capítulo vamos a explicar los principios básicos de funcionamiento del
analizador de espectro y presentar las prácticas de medición. Antes de esto,
explicaremos brevemente cómo usar el analizador de espectro A E-3 6 6 B . Para
más detalles sobre su funcionamiento, consulte el manual de usuario del
A E-3 6 6 B .
Figura 34. Analizador de Espectro AE-366B.
20
Noviembre 2014
PRÁCTICA 1
1 Funcionamiento básico de un Analizador de Espectro
Información relevante
Además de las nubes, los océanos y los bosques, hay una invisible, intangible,
inaudible y compleja red electromagnética en nuestro entorno. Esta red está
entrelazada con señales inalámbricas de diferentes bandas de frecuencia. Aunque
estas señales son invisibles e intangibles, podemos utilizar un analizador de
espectro para comprender y analizar estas señales inalámbricas.
En esta práctica, se utiliza el analizador de espectro para capturar algunas
señales inalámbricas del entorno. Esta práctica ayudará a los estudiantes a
familiarizarse con el uso de analizadores de espectro, así como despertará su
curiosidad en el campo de señales de RF.
Equipos y materiales
Analizador de Espectros
Adaptador N-SMA
Antena 800-1000MHz
1.1
Objetivos de la práctica
Familiarizarse con la forma de utilizar el analizador de espectro y como
configurar parámetros, tales como la frecuencia, la amplitud y los marcadores.
1.2
Principios básicos de la práctica
Los analizadores de espectro se utilizan principalmente para medir magnitudes
físicas tales como la frecuencia y la amplitud de una señal. Para su
funcionamiento básico, en primer lugar se debe establecer el rango de
frecuencias, a continuación, la amplitud del nivel de referencia.
Noviembre 2014
1-1
Figura 1.1.
La figura de arriba es una captura de pantalla de un analizador de espectro
típico. El eje horizontal es la frecuencia y el eje vertical es la amplitud. Por lo
tanto un analizador de espectro se utiliza básicamente para realizar medidas de
frecuencia y de su relación con la amplitud. Podemos trabajar con un analizador
de espectro mediante el uso de la frecuencia, la amplitud y otras teclas de
función en conjunción con el teclado para controlar la frecuencia, la amplitud y
otros ajustes relacionados.
Figura 1.2. Teclas de frecuencia, amplitud y span así como el teclado numérico y las teclas de
unidades métricas
Hay dos formas de ajustar la frecuencia. Si la frecuencia de la señal que se desea
medir es conocida, entonces podemos establecer la frecuencia usando la
frecuencia central y las funciones de span. Si se ha de medir un rango de
frecuencias, entonces se ha de configurar la frecuencia de inicio y de fin.
1-2
Noviembre 2014
1.3
Enunciado de la práctica
Conecta la antena al analizador de espectro para comprobar las ondas de radio
en el ambiente.
1.4
Pasos de la práctica
Conecta la antena al analizador de espectros.
Mida la fuerza de transmisión de una señal de teléfono móvil. Debido a
que la banda de frecuencias de un teléfono móvil está entre 800 MHz –
1900 MHz, se establecerá un rango de frecuencia entre 800 – 1900 MHz.
Configuración del analizador de espectro:
Frecuencia inicial:
800 MHz.
Frecuencia final:
1900 MHz.
Nivel de referencia: -30 dBm.
RBW (RBW):
Auto.
Paso 1
Paso 2
Paso 3
Paso 4
Ahora se han de ver algunas señales en la pantalla del analizador de
espectro. Identifica los tres picos más altos y anota sus valores de
frecuencia. El nivel de referencia se puede utilizar para ajustar la
potencia de la señal.
Como los teléfonos móviles utilizan el salto de frecuencia, podemos
utilizar la función de retención de picos para mantener la lectura de la
señal en la pantalla de visualización. Anota la frecuencia y la amplitud de
la señal.
Paso 5
Noviembre 2014
1-3
Cambia el span a 5 MHz. Ajusta la frecuencia central de cada uno de los
tres puntos de frecuencia anteriores de forma secuencial, de forma que
se pueda observar cada uno con más precisión. Anota estos tres puntos
de frecuencia en la Tabla 1-1.
Paso 6
Ajusta las frecuencias centrales a cada uno de los tres puntos de
frecuencia
Paso 7
Los resultados de las señales inalámbricas en el entorno se muestra en la
imagen de abajo.
Figura 1.3.
1-4
Noviembre 2014
1.5
Resultados de la práctica
Frecuencia: 946.17 MHz.
Amplitud: -68.1 dBm.
Frecuencia: 936.4 MHz.
Amplitud: -69.3 dBm.
Tabla 1.1. Frecuencia y amplitud de la señal transmisora de un teléfono móvil.
Noviembre 2014
1-5
1.6
Preguntas
Además de la señal del teléfono móvil, ¿qué otras señales inalámbricas se
pueden medir en el ambiente?
Respuesta: Hay varias otras señales inalámbricas con diferentes frecuencias en
el ambiente. Por ejemplo, de 80 a 108 MHz están las señales de
transmisión de FM.
1-6
Noviembre 2014
PRÁCTICA 2
2 Medición de una forma de onda de banda base
Información relevante
En relación con los osciloscopios, los analizadores de espectro tienen muchas
ventajas excepcionales. Son también la herramienta de medición primordial para
la medición en dominio de la frecuencia. Aprender a utilizar un analizador de
espectro es una habilidad esencial que cada estudiante debe dominar para
adquirir conocimientos de RF.
Mediante la medición de una señal de banda base, esta práctica permite a los
estudiantes entender en profuncidad cómo funciona un analizador de espectro y
sienta las bases para posteriores prácticas.
Equipos y materiales
Analizador de Espectros
Entrenador de RF y Comunicación
Adaptador N-SMA
Cable RF 800 mm
2.1
Objetivos de la práctica
Medición y análisis de una señal básica.
Entender cómo utilizar el sistema del entrenador para emitir una señal de
banda base.
2.2
Principios básicos de la práctica
Ajustar el entrenador para emitir una forma de onda sinusoidal de 1 MHz y
utilizar el analizador para medir su espectro.
Noviembre 2014
2-1
2.3
Enunciado de la práctica
Ajusta y mide el espectro de una onda sinusoidal de 1 MHz. Mide la tasa de
armónicos en cada una de las frecuencias armónicas.
2.4
Pasos de la práctica
Enciende el analizador y el entrenador.
Ajusta la banda base del entrenador de la siguiente manera:
Forma de onda:
Onda sinusoidal.
Frecuencia:
1 MHz.
Gira el control variable de amplitud en sentido horario hasta el final.
Paso 1
Paso 2
Paso 3
Conecta la señal de banda base desde la salida del puerto del entrenador
a la entrada del terminal del analizador usando el cable RF.
Figura 2.1.
2-2
Noviembre 2014
Configuración del analizador de espectro:
Frecuencia central:
2,5 MHz.
Frecuencia inicial:
0 kHz.
Frecuencia final:
5 MHz.
Nivel de referencia:
10 dBm.
RBW:
Auto.
Cuando se realice el primer paso, los pasos 2 y 3 (abajo) se ajustarán
automáticamente. Los estudiantes pueden hacer los pasos 2 y 3 sólo
como referencia.
Utiliza la función Marcador en el analizador de espectro para determinar
la tasa de armónicos y dibuja el espectro en la tabla 2-1.
Después del paso 6, asegúrate que en los siguientes pasos se usa el
marcador "Delta" y no el marcador "Normal". Ajusta el marcador Delta al
pico de cada armónico y anótalo dibujando un boceto sencillo del
espectro en la tabla 2-1.
Noviembre 2014
2-3
Un generador de señal también se puede utilizar como una fuente de
señal en la medición anterior, pero hay que tener en cuenta que la
amplitud de la señal de salida no puede ser demasiado alta.
dBm es una unidad de potencia que está referenciada a 1 mW. La
fórmula para X dBm =10*log(Px/1mW)
Al poner 10 mW en la fórmula anterior, obtenemos 10 * log (10/1) = 10
* 1 = 10 dBm. De forma similar, si introducimos 100 mW en la fórmula
anterior, X = 10 * log (100 mW/1 mW) = 10 * 2 = 20 dBm.
Debido a que la tensión de salida de un generador de señal se expresa
como la tensión para una carga de 50 ohmios, se debe convertir la
tensión a potencia. Unos cuantos valores habituales se enumeran a
continuación:
Conversión de voltaje a dBm: (con una carga de 50 ohm)
Vpp (V)
Vm (V)
Vrms (V)
P (mW)
dBm
10.00
5.00
3.54
250.00
23.98
5.00
2.50
1.77
62.50
17.96
2.00
1.00
0.71
10.00
10.00
1.00
0.50
0.35
2.50
3.98
Conversión de dBm a voltaje: (con una carga de 50 ohm)
dBm
P (mW)
Vrms (V)
Vm (V)
Vpp (V)
20.00
100.00
2.24
3.16
6.32
10.00
10.00
0.71
1.00
2.00
0.00
1.00
0.22
0.32
0.63
-10.00
0.10
0.07
0.10
0.20
Si la tensión se mide sin carga en un osciloscopio, los valores Vpp y Vm
se deben multiplicar por 2. Por ejemplo, cuando se obtiene un valor de
medición de 4Vpp sin ninguna carga, es el equivalente de 2Vpp con 50
ohmios, o de 10 dBm después de la conversión.
2-4
Noviembre 2014
2.5
Resultados de la práctica
La tasa del segundo armónico es: 34,0 dB.
La tasa del tercer armónico es: 44 dB
Tabla 2.1. Resultados de la práctica sobre el espectro de una onda sinusoidal.
Noviembre 2014
2-5
2.6
Preguntas
¿Qué es el espectro de una onda sinusoidal teórica y por qué es diferente de
la onda real medida?
Respuesta: Teóricamente el espectro de una onda sinusoidal sólo debe tener
una frecuencia. Sin embargo, debido a que el circuito que genera la
onda sinusoidal tiene distorsión armónica, los armónicos se
introducen en la onda sinusoidal. Por esta razón, su espectro tendrá
más de una componente de frecuencia cuando se observa.
¿Cuáles son las características del dominio de frecuencia de la señal
analizada?
Respuesta: Para señales complejas, el análisis de Fourier se puede usar para
descomponer una señal en un número de componentes sinusoidales.
Cada componente sinusoidal se caracteriza por su amplitud y fase.
La amplitud y la fase de cada componente sinusoidal está dispuesto
en orden de frecuencia para formar un espectro. En teoría los
componentes sinusoidales en el espectro de la señal compleja se
puede ampliar hasta el infinito. Sin embargo, debido a que la
energía de la señal original generalmente se concentra en el rango
de frecuencia inferior, los componentes por encima de una cierta
frecuencia son generalmente ignorados en aplicaciones de
ingeniería.
PRECAUCIÓN: 1. La potencia de salida no debe exceder la potencia máxima del
analizador de espectro, de lo contrario el analizador de espectro se
dañará.
2. Cuando se utiliza el cable de RF para realizar una conexión, hay
que asegurar que el conector queda bien apretado.
2-6
Noviembre 2014
PRÁCTICA 3
3 Diferentes bandas base de forma de onda y la medida de
sus armónicos
Información relevante
Después de las primeras prácticas, ya debería estar familiarizado con las señales
eléctricas en general. Ya hemos dicho que un osciloscopio se utiliza para
observar la amplitud de una forma de onda. En otras palabras, se utiliza para
observar cómo una señal eléctrica, X(t), varía con el tiempo. Sin embargo,
dependiendo de lo que estemos tratando de estudiar, la razón para medir una
señal también puede ser diferente. Por ejemplo, cuando analizamos
amplificadores, filtros y mezcladores, ya no estamos interesados en medir una
función relacionada con el tiempo, sino una función de respuesta que puede ser
caracterizada por la frecuencia.
En este experimento, se encuentra que el análisis de una señal en el dominio de
la frecuencia tiene a menudo una gran cantidad de ventajas en comparación con
el análisis de una señal en el dominio del tiempo. También encontrará que existe
una relación entre el dominio del tiempo y el dominio de la frecuencia, y por lo
tanto se va a obtener un mejor entendimiento de la teoría detrás de la serie de
Fourier.
Equipos y materiales
Analizador de Espectros
Entrenador de RF y Comunicación
Osciloscopio
Adaptador N-SMA
Cable RF 800 mm
3.1
Objetivos de la práctica
Medir los armónicos que se emiten desde la señal de banda base.
Utilizar los resultados de las mediciones para verificar el teorema de las
series de Fourier.
Entender la relación interna entre el dominio del tiempo y el dominio de la
frecuencia de una señal.
Utilizar esta práctica para familiarizarse con la forma de medir las
características espectrales de una señal típica, tales como la amplitud y
frecuencia.
Noviembre 2014
3-1
3.2
Principios básicos de la práctica
Configurar la forma de onda en el entrenador y medir el espectro armónico.
Cambiar a una forma de onda diferente y medir el espectro armónico. Comparar
las diferencias. La relación entre el dominio del tiempo y el dominio de la
frecuencia se explicó en el capítulo 3, por lo que no es necesario volver a
explicarlo.
3.3
Enunciado de la práctica
Vamos a familiarizarnos con el uso de un analizador de espectro y cómo utilizar
el entrenador mediante el análisis del espectro de una onda simple triangular y
cuadrada.
3.4
Pasos de la práctica
Enciende el analizador y el entrenador.
Configuración del entrenador:
Forma de onda:
triángular.
Frecuencia:
1 MHz.
Gire el selector de amplitud en sentido horario hasta el final.
Paso 1
Paso 2
Paso 3
3-2
Noviembre 2014
Conecta la señal de banda base desde el puerto de salida del entrenador
al terminal de entrada del analizador con el cable de RF.
Figura 3.1.
Configuración del analizador:
Frecuencia central:
15 MHz.
Frecuencia inicial:
0 kHz.
Frecuencia final:
30 MHz.
Nivel de referencia:
0 dBm.
RBW:
Auto.
Observa el espectro que aparece. Utiliza la función Marcador en el
analizador de espectro para determinar la relación armónica y dibuja el
espectro en la tabla 3-1.
Noviembre 2014
3-3
Después del paso 4, asegúrate de utilizar el marcador "Delta" se utiliza
en los siguientes pasos y no el marcador "Normal". Ajusta el marcador
Delta al punto máximo de cada armónico y dibuja un boceto sencillo del
espectro en la tabla 3-1.
Selecciona la onda cuadrada en el módulo de banda base del entrenador.
Haz las mismas mediciones de espectro que se realizaron en pasos
anteriores.
Paso 8
Observa el espectro de onda cuadrada que aparece en el analizador de
espectro. Utiliza la función Marcador para registrar la tasa de armónicos y
dibuja el espectro en la tabla 3-3. Dibuja el espectro de onda cuadrada
como se hizo previamente para la onda triangular. Recuerda desactivar el
marcador delta (Δ-marcador) que se utilizó originalmente con la onda
triangular.
Después de dibujar el espectrograma en la tabla 3-3, mide la tasa de
cada armónico mediante los pasos siguientes:
De conformidad con el método que se ha utilizado anteriormente para
medir la tasa de armónicos, los estudiantes pueden tratar de medir la
tasa de armónicos de orden superior.
Después de medir el espectro, conecta el puerto de salida al puerto de
entrada del osciloscopio y mide en el dominio del tiempo la forma de
onda de la onda triangular y de la onda cuadrada, y anota los resultados
en la tabla 3-2 y la tabla 3-4.
3-4
Noviembre 2014
3.5
Resultados de la práctica
Resultados de la medición de las formas de onda en el dominio de tiempo
y el espectro en el dominio de la frecuencia, tanto para las ondas
triangulares como para las cuadradas.
Tabla 3.1. Resultados de la práctica sobre el espectro de una onda triangular.
Tabla 3.2. Forma de onda en el dominio del tiempo de una onda triangular de 1 MHz.
Noviembre 2014
3-5
Tabla 3.3. Resultados de la práctica sobre el espectro de una onda cuadrada de 1 MHz.
Tabla 3.4. Forma de onda en el dominio del tiempo de una onda cuadrada de 1 MHz.
3-6
Noviembre 2014
Para la forma de onda triangular, mide la tasa de armónicos del 3º y 5º
armónico. Para la forma de onda cuadrada, mide la relación armónica del
segundo y tercer armónico.
Figura 3.5. Tasa de armónico del tercer armónico para onda triangular (19 dB).
Figura 3.6. Tasa de armónico del quinto armónico para onda triangular (30 dB).
Noviembre 2014
3-7
Figura 3.7. Tasa de armónico del segundo armónico para onda triangular (36 dB).
Figura 3.8. Tasa de armónico del tercer armónico para onda triangular (10 dB).
3-8
Noviembre 2014
3.6
Preguntas
Compara los resultados de medición en el dominio de la frecuencia y en el
dominio del tiempo, y considera la relación con la teoría de series de
Fourier.
Respuesta: De acuerdo con la teoría de Fourier, cualquier señal periódica puede
descomponerse en un número de ondas sinusoidales que están
compuestas de un número de diferentes frecuencias.
x(t ) = ∑ xi sin(ωi t + φi )
N
i =0
ω0
(frecuencia base) y ω i
En la fórmula,
ω 0 = 2π f 0 .
fundamental
(harmonicos).
ω0
se conoce como frecuencia
es un entero múltiple de
Analiza la diferencia entre el espectro de onda triángular y de onda
cuadrada. Escribe la serie de Fourier en forma de función trigonométrica.
¿Qué relación encuentras entre cada armónico y cada término de la serie?
Respuesta: Supongamos una fórmula para una función de onda triangular.
Debido a que la fórmula trigonométrica en una función par
∴ bn = 0
a0 =
entonces
1 T /2
1 TA A
x
t
t
(
)
d
=
⋅
=
T ∫−T / 2
T 2
2
an =
=
Noviembre 2014
2 T /2
x(t ) cos nω0t d t
T ∫−T /2
4 T /2
2A
A
−
t ) cos nω0t d t
(
T ∫0
T
3-9
=
4 T /2 2 A
8 A T /2
−
ω
=
−
(
t
)
cos
n
t
d
t
t cos nω0t d t
0
2 ∫0
∫
0
T
T
T
=−
⎧ 4A
⎪
= ⎨ π 2n2
⎪⎩ 0
8A t
1
ω
+
n
t
(
sin
cos nω0t )
0
T 2 nω0
n 2ω02
T /2
0
n = 1,3,5...
n = 2, 4, 6...
Por tanto obtenemos la serie de Fourier de la onda triangular.
A 4A ∞ 1
x(t ) = + 2 ∑ 2 cos nω0t
2 π n =1,3,L n
Si tenemos
x (t ) = a0 + ∑ An sin(nω0t + φn )
∞
n =1
entonce la amplitud del armónico N-th es
An = an2 + bn2 =
4A
n2 π2
y la fase del armónico N-th es
φn = arctan
an π
=
bn 2
PRECAUCIÓN: Hay diferentes formas de establecer la frecuencia central en un
analizador de espectro. Configúrelo de acuerdo a sus necesidades.
3-10
Noviembre 2014
PRÁCTICA 4
4 Medida de la Portadora RF
Información relevante
En sistemas de comunicación, las señales de RF generalmente utilizan señales
portadoras. Como una señal de baja frecuencia no puede ser transmitida muy
lejos sobre el aire, el mensaje de baja frecuencia (como la voz) debe ser
colocado en una señal de frecuencia más alta para que pueda ser transmitida a
larga distancia utilizando una antena. Esta señal de alta frecuencia transporta el
mensaje, y por este motivo se llama portadora. En esta práctica vamos a realizar
mediciones básicas de señales de RF y mediremos importantes parámetros como
el ruido de fase y la distorsión armónica.
La portadora de este sistema experimental se genera mediante una PLL (Phase
Locked Loop; bucle de enganche de fase). Los PLL son ampliamente utilizados
como receptores de enganche de fase, o para la modulación de frecuencia de
enganche de fase y demodulación. También se utilizan a menudo como un
oscilador local para transmisores y receptores. Hay que conocer en detalle el
principio de funcionamiento de los circuitos PLL cuando se estudian circuitos de
RF.
Esta práctica permite a los estudiantes comprender las señales de alta frecuencia
midiendo el espectro de frecuencia de la portadora. También hace que los
estudiantes reconozcan la estructura básica de un circuito PLL. En las siguientes
prácticas, vamos a estudiar más a fondo las condiciones de enganche y
desenganche de un lazo de seguimiento de fase.
Equipos y materiales
Analizador de Espectros
Entrenador de RF y Comunicación
Adaptador N-SMA
Cable RF 800 mm
4.1
Objetivos de la práctica
Medir una señal de RF del entrenador. También realizar mediciones de más
parámetros importantes, como el ruido de fase y la distorsión de armónicos.
Noviembre 2014
4-1
4.2
Principios básicos de la práctica
Un bucle de enganche de fase (PLL) es un sistema de control de error de fase.
Compara la fase entre una señal de referencia y una señal de salida para generar
un voltaje de error de fase que ajuste la salida de frecuencia del oscilador
controlado por tensión - con el propósito de sincronizar la frecuencia de salida
con la señal de referencia. La estructura básica del circuito se muestra en la
figura 4-1.
Ui (t)
PD
Ud (t)
LF
Uc (t)
VCO
Ue (t)
Figura 4.1. Estructura del circuito PLL.
Arriba:
PD es el detector del bucle de enganche de fase, LF es el filtro de
bucle y VCO son las siglas de oscilador controlado por voltaje.
La pureza de la señal de salida del VCO está directamente relacionada con el
ruido de fase. Cuanto menor es la distorsión de la señal de salida, menor son los
componentes armónicos y el ruido que contiene la señal de salida.
El ruido de fase por lo general se especifica en dBc/Hz a un determinado valor de
desplazamiento de frecuencia, donde dBc es dB en relación con la frecuencia
central. El ruido de fase de un oscilador se normaliza al ruido generado en un
ancho de banda de 1 Hz. El ruido de fase generalmente se calcula utilizando la
fórmula siguiente, donde fm es la frecuencia de una sola banda lateral de la
portadora y PSSB es la potencia de banda lateral medida:
L(fm) = (PssB – P0) – log B + 2.5
donde,
B = 1.2RBW (RBW es el ancho de banda de resolución)
P0
P ssB
fm
Figura 4.2. Definición del ruido de fase.
4-2
Noviembre 2014
Como el oscilador es un componente no lineal, producirá altos componentes
armónicos. La distorsión armónica es también un factor importante para las
señales de RF. En general se utiliza un filtro para eliminarlos.
Enunciado de la práctica
4.3
Medir el espectro de la señal RF.
Medir la distorsión armónica de la señal RF.
Medir el ruido de fase de la señal RF.
Pasos de la práctica
4.4
►
Medida del espectro de la señal RF y la distorsión del harmónico.
Enciende el entrenador y el analizador.
Conecta la salida RF/FM del entrenador a la entrada del terminal del
analizador con el cable RF.
Configuración del analizador:
Span:
Span Completo.
Nivel de referencia: 0 dBm.
RBW:
Noviembre 2014
Auto
4-3
En el espectro observado, utiliza la función de marcador para medir la
amplitud de cada punto de frecuencia. La función de Siguiente Pico se
puede utilizar para encontrar cada pico consecutivo. Dibuja los resultados
en la tabla 4-1.
Paso 4
Paso 5
Dibuja los resultados en la tabla 4-1. La tasa de armónicos de cada
armónico se puede medir de acuerdo con los siguientes pasos.
Paso 6
Paso 7
Para los dos últimos pasos, el span es bastante grande, y puede producir
algunos errores. Para encontrar el segundo y tercer armónico, es posible
que se tenga que ajustar la frecuencia. Anota los resultados en la tabla
4-2.
►
Medida del ruido de fase RF.
Enciende el entrenador y el analizador.
Ajusta el módulo del entrenador Sintetizador RF / FM de la siguiente
manera
Frecuencia de la portadora:
875 MHz.
Paso 1
4-4
Noviembre 2014
Conecta la salida del puerto RF/FM del entrenador a la entrada del
terminal del analizador con el cable RF.
Figura 4.3.
Configuración del analizador de espectro:
Frecuencia central: 875 MHz.
Span:
1 MHz.
Nivel de referencia:0dBm.
RBW:
Auto
Paso 1
Paso 2
Paso 3
Paso 4
Paso 5
Anota la potencia de la portadora. Configura la desviación de la
frecuencia de la portadora fm a una desviación (Δ) de 100 kHz. Utiliza la
función de marcador Delta en el analizador de espectro para medir el
valor Δ.
Paso 6
Anota el valor, a continuación, calcula el ruido de fase de acuerdo a la
fórmula, y anota el espectro y los resultados de la medición en la Tabla
4-3.
Noviembre 2014
4-5
Ajusta la frecuencia de salida PLL a 900 MHz, y de nuevo mide la
potencia y el ruido de fase correspondiente a la frecuencia.
Paso 7
Paso 8
Paso 9
Anota la potencia de la portadora. Ajusta la desviación de la frecuencia
portadora fm a una desviación (Δ) de 100 kHz. Utiliza la función de
marcador Delta en el analizador de espectro para medir el valor Δ.
Paso 10
Anote el valor, a continuación calcula el ruido de fase de acuerdo a la
fórmula, y anota el espectro y medición de los resultados de la tabla 4-3.
Ajusta la frecuencia de salida PLL a 910 MHz, y mide de nuevo la
potencia y el ruido de fase correspondiente a la frecuencia.
Paso 11
Paso 12
Paso 13
Anota la potencia de la portadora. Ajusta la desviación de la frecuencia
portadora fm a una desviación (Δ) de 100 kHz. Utiliza la función de
marcador Delta en el analizador de espectro para medir el valor Δ.
Paso 14
Anota el valor, a continuación, calcula el ruido de fase de acuerdo a la
fórmula, y anota el espectro y los resultados de la medición en la
tabla 4-3.
4-6
Noviembre 2014
4.5
Resultados de la práctica
Medida del espectro de la señal RF.
Tabla 4.1. Espectro de la señal RF.
Medidas de los armónicos de la señal RF.
Tabla 4.2. Medida del segundo armónico (14 dB)
Noviembre 2014
4-7
Tabla 4.3. Medida del tercer armónico (24,2 dB).
Medida del ruido de fase de la señal RF.
Frecuencia de la portadora: 875.09MHz
Potencia de salida:
-6.9dBm
Ruido de fase:
-30.9-10lg(1.2*50000)+2.5=
-76.18dBc/Hz(100KHz)
Tabla 4.4. Resultados de las medidas del ruido de fase (875 MHz).
4-8
Noviembre 2014
Frecuencia de portadora: 900,09 MHz
Potencia de salida:
-8,0 dBm
Ruido de fase:
-32-10lg(1.2*50000)+2,5=
-77,28dBc/Hz(100KHz)
Tabla 4.5. Resultados de las medidas del ruido de fase (900 MHz).
Frecuencia de portadora: 910,1 MHz
Potencia de salida:
-9,0 dBm
Ruido de fase:
-32-10lg(1.2*50000)+2,5=
-77,28dBc/Hz(100KHz)
Tabla 4.6. Resultados de las medidas del ruido de fase (910 MHz).
Noviembre 2014
4-9
4.6
Preguntas
¿De qué partes se compone un circuito PLL? Explica la función de cada
parte.
Respuesta: Un bucle de enganche de fase se compone principalmente de un
detector de fase, un filtro de bucle y un oscilador controlado por
tensión (VCO). El detector de fase es principalmente responsable de
la detección de un error de fase entre la señal de referencia de
entrada y la señal de salida del VCO. La señal de salida del detector
de fase, después de pasar a través del filtro de bucle para filtrar la
señales de alta frecuencia y ruido, se envía al VCO para ajustar la
frecuencia de salida del oscilador. Cuando la frecuencia y la fase de
la señal de salida del VCO es diferente a la de la señal de referencia,
el proceso anterior seguirá adelante hasta que la frecuencia y la fase
de la señal de salida del VCO sean iguales que la de la señal de
referencia.
¿Cuáles son las ventajas de un PLL?
Respuesta: No habrá diferencia en la frecuencia cuando el bucle está
enganchado. Los PLL cuentan con un buen seguimiento de banda
estrecha. Un PLL puede filtrar el ruido al mismo tiempo que bloquea
la señal portadora para funcionar como un filtro de banda estrecha.
Un PLL es esencialmente un sistema no lineal. También tiene un
efecto de umbral cuando se ve afectado por fuerte ruido. Sin
embargo, cuando se utiliza como un demodulador de FM, el
rendimiento umbral puede ser mejor que los circuitos que utilizan un
limitador y un discriminador. Por lo tanto, un PLL puede hacer un
seguimiento de la entrada de fase VCO, y al mismo tiempo tener un
buen efecto de filtrado de ruido.
Explica las causas de ruido de fase ¿Cómo se puede mejorar el ruido de
fase?
Respuesta: En la señal de salida del oscilador, se genera ruido principalmente
de los transistores y circuitos pasivos. Debido a que el oscilador es
un elemento no lineal, los niveles de tensión y de corriente del ruido
cambian continuamente con el oscilador. Para mejorar el ruido de
fase, en primer lugar, hay que utilizar elementos activos con un
índice bajo de nivel de ruido, y en segundo lugar hay que usar
circuitos de resonancia con un alto factor Q.
PRECAUCIÓN: Al conectar el cable RF hay que asegurarse que los conectores
quedan bien apretados.
4-10
Noviembre 2014
4.7
Bucle de enganche de fase ∗
Un bucle de enganche de fase (PLL) es un sistema de control de error de fase.
Compara la fase entre una señal de referencia y una señal de salida para generar
un voltaje de error de fase para ajustar la frecuencia del VCO - con el fin de
sincronizar el VCO con la señal de referencia. El esquema básico de su circuito se
muestra en la siguiente figura.
Ui (t)
PD
Ud (t)
LF
Uc (t)
VCO
Ue (t)
Figura 4.4 Estructura del circuito PLL.
Arriba: PD es el detector del bucle de enganche de fase, LF es el filtro de bucle y
VCO son las siglas de oscilador controlado por voltaje.
El detector de fase es responsable de la recepción de la señal de referencia Ui (t)
y la señal de salida del VCO Ue (t), y emite una señal de error de fase Ud (t). La
señal de error de fase pasa entonces por un filtro de bucle para filtrar los
componenetes de la señal de alta frecuencia y el ruido. La tensión filtrada es un
voltaje de CC, Uc (t), que alimenta al VCO para controlar la frecuencia de la
señal de salida del oscilador.
Cuando la frecuencia y fase de la señal de salida del VCO y la señal de referencia
no son la misma, este proceso continuará hasta que la frecuencia de la señal de
salida del VCO y la fase sean la misma que la señal de referencia.
La señal de referencia y la señal de salida del VCO dividen su frecuencia a una
frecuencia inferior a través de sus respectivos divisores de frecuencia. Estas
frecuencias se comparan entonces con el detector de fase. Como se utilizan bajas
frecuencias para la comparación, la circuitería digital puede ser utilizada para el
detector de fase.
Detectores de fase y divisores de frecuencia se pueden construir como circuitos
integrados, reduciendo el volumen de un circuito PLL. Este sistema experimental
utiliza el bucle de enganche de fase de un circuito integrado.
Detector de Fase
Para comprender un detector de fase, vamos a mirar primero la estructura de un
detector de fase en un PLL usando una aplicación práctica.
∗
Apartado solo disponible en el manual del profesor.
Noviembre 2014
4-11
Reference signal
frequency divider
OSC
fr
1/R
fosc
Phase
detector
Programmable
frequency divider
Loop
filter
VCO
Output
frequency
1/N
Pll SynthesizerIC
Figura 4.5 Aplicación práctica del PLL.
La frecuencia que sale del divisor de frecuencia de la señal y del divisor
programable se introducen en el detector de fase. El detector de fase contiene
dos flip-flops D, dos interruptores de transistor, un circuito de carga, un inversor
y una puerta AND. Cada flip-flop D tiene una señal de reloj CK y una señal de
borrado CLR. La señal U1 se introduce en la entrada CK del flip flop D superior y
la señal U2 se introduce en la entrada CK del flip flop D inferior. Las salidas de
los dos flip-flop D, hacia la salida UP y DN, respectivamente, constituyen la salida
del detector de fase Ud. Los estados UP, DN, y de salida de los flip-flops D se
muestran en la tabla 1. Cuando las señales UP y DN son a la vez un "1" lógico,
ambos flip-flops D se desactivarán debido a la puerta AND. Esto evitará que los
transistores se desactiven al mismo tiempo y prevendrá que la potencia (VCC)
cortocircuite directamente a tierra.
Vcc
1
D
Q
UP
Q1
D-FF
CK
C LR
U1
Ud
CLR
CK
U2
D-FF
1
D
Q
DN
Q2
Figura 4.6 Esquema del detector de fase.
4-12
Noviembre 2014
UP
DN
Q1
Q2
0
0
1
1
0
1
0
OFF
OFF
ON
1
OFF
ON
OFF
Ud
State
Alta impedancia
GND
Vcc
Reiniciar UP y DN a
0
-1
1
cero
Tabla 4.7 Relación del estado de salida de UP y DN.
Basándose en la tabla anterior, se puede ver el estado de salida de Ud cuando U1
y U2 tienen diferentes fases. La figura ilustra el estado de la salida Ud.
U1
U2
+1
state 0
-1
La fase U1 adelanta a la fase U2
U1
U2
+1
state 0
-1
U1 tiene la misma fase que U2
U1
U2
+1
state 0
-1
La fase U1 retrasa la fase U2
Figura 4.7 Estado de la salida Ud con diferentes fases de entrada.
Noviembre 2014
4-13
Ud
− 2π
0
2π
θe
Gráfico de como cambia Ud con la fase
El oscilador controlado por voltaje (VCO)
El oscilador controlado por voltaje (VCO) es un oscilador en el que su
frecuencia de señal de salida varía con un cambio de la tensión de entrada.
También se puede utilizar como un convertidor de frecuencia de voltaje, un
generador de señal de barrido de frecuencia o incluso como un modulador
de frecuencia. La modulación de frecuencia en esta práctica utiliza el VCO,
siendo una parte importante del PLL. El VCO puede lograr el control de
tensión de dos maneras:
►
Cambiando directamente los valores de los componentes del circuito de
oscilación (R, L, C), lo que determinará la frecuencia de oscilación.
►
Controlando la carga o descarga de la corriente o la tensión de los
componentes de temporización en un multivibrador.
Esta práctica utiliza componentes controlados por voltaje. Un diodo
controlado por voltaje se utiliza para cambiar el valor de capacitancia del
circuito de oscilación que cambia la frecuencia de oscilación.
En la señal de salida del oscilador, el ruido se genera a partir de los
transistores y elementos pasivos del circuito. Como el oscilador es un
elemento no lineal, la tensión y la corriente de ruido que es generada
variará con los cambios en la frecuencia de oscilación. El ruido de fase
afecta a la pureza espectral del oscilador.
El ruido de fase y jitter son dos medidas relacionadas, asociadas al mismo
evento. Idealmente, la frecuencia fija de una señal de pulso perfecta
(1 MHz, por ejemplo) debe ser exactamente 1 microsegundo con una
transición cada 500 ns. Lamentablemente, sin embargo, la señal perfecta no
existe. Como el período entre cada pulso varía, el tiempo de llegada de cada
impulso sucesivo es incierto. Esta incertidumbre es el ruido de fase, que
también podría considerarse como jitter.
4-14
Noviembre 2014
Filtro de Bucle
El filtro de bucle (LF) se utiliza para filtrar los componentes de alta
frecuencia y el ruido en la señal de salida del detector de fase con el fin de
dejar sólo una señal de CC y utilizar esta señal de CC para controlar la
frecuencia de salida del VCO. Por lo tanto, el filtro de bucle es en realidad
un filtro pasa-bajo.
Hay que tener en cuenta por qué en realidad es necesario un filtro de bucle.
Un filtro de bucle se utiliza principalmente para proporcionar una tensión CC
para el VCO con el fin de controlar su frecuencia de salida. Si
temporalmente se ignora el efecto del filtro de bucle en el sistema de bucle
de enganche de fase, se tendría que reducir el ancho de banda tanto como
fuese posible en el diseño del PLL de modo que su tensión de salida
estuviese tan cerca a CC como fuese posible.
Pero si el ancho de banda es demasiado pequeño, causará que el tiempo de
bloqueo se prolongue tanto que el sistema no pueda entrar en el estado de
enganche. En aplicaciones de circuitos reales, se podría considerar la adición
de un grupo de filtros dominó al filtro pasa-bajo, lo que le daría aún mayor
atenuación de la señal de alta frecuencia y acercar más la señal de salida a
un nivel de tensión CC.
Noviembre 2014
4-15
PRÁCTICA 5
5 Medida de la señal AM
Información relevante
Las señales con información son por lo general de una frecuencia baja. En
general, estas señales de baja frecuencia no son apropiadas para transmisión.
Por lo tanto, se requiere de modulación para transmitir mensajes para
comunicación y sistemas de test. La modulación es un método de ajuste de la
señal utilizada en la transmisión de señales. Se utiliza para modular la señal de
baja frecuencia que transporta la información en una señal de una frecuencia
apropiada. Esto se utiliza para resolver problemas asociados con la amplificación
y transmisión de señales débiles.
El papel de la modulación en los sistemas de comunicación RF son esenciales. La
modulación no sólo se utiliza para modular la señal de baja frecuencia original y
su transmisión, sino que también se utiliza para la multiplexación por división de
frecuencia (FDM). Si las señales con el mismo rango de frecuencia se transmiten
en el mismo canal al mismo tiempo, pueden interferirse fácilmente unas con
otras. Por este motivo se modulan primero en diferentes portadoras de manera
que múltiples señales pueden ser transmitidas simultáneamente.
Estas prácticas comienzan con modulación en amplitud. El analizador de espectro
se utiliza para medir las características de las señales AM, que es de gran
importancia para que los estudiantes dominen los principios de AM como de FM y
sus características.
Equipos y materiales
Analizador de Espectros
Entrenador de RF y Comunicación
Adaptador N-SMA
Cable RF 100 mm
Cable RF 800 mm
5.1
Objetivos de la práctica
Aprender los principios de funcionamiento de la modulación de amplitud.
Utilizar el analizador de espectro para medir las características de AM de
una señal RF.
Noviembre 2014
5-1
5.2
Principios básicos de la práctica
La modulación es el proceso para desplazar señales de baja frecuencia a alta
frecuencia y luego transmitirlas en una señal de alta frecuencia. En general, la
señal de baja frecuencia que transporta la información original se llama señal
moduladora o señal de banda base. La señal de alta frecuencia se conoce como
señal portadora. Después de que la señal portadora es modulada con la señal
moduladora, la señal resultante se denomina onda modulada. Hay tres clases de
métodos de modulación que se utilizan: AM, FM y modulación de fase.
Esta práctica comienza con el aprendizaje de algo de la teoría de modulación AM.
AM utiliza la señal de modulación para controlar la amplitud de la señal portadora
de alta frecuencia. La señal de modulación se utiliza para modificar la amplitud
de la portadora en proporción a la amplitud de la señal moduladora. Una señal
portadora de alta frecuencia que se modula en amplitud se denomina una onda
AM. Las ondas AM se dividen en ondas AM ordinarias, ondas AM de doble banda
lateral con transmisión de portadora suprimida y ondas AM de banda lateral
única con transmisión de portadora suprimida.
La fórmula para expresar la forma de onda modulada es la siguiente:
Suponiendo que la señal de modulación es una onda sinusoidal de una sola
frecuencia (Ω=2πfΩ)
y
uΩ(t) = UΩm cosΩ t = UΩmcos2πfΩ t (5.1)
entonces la señal portadora es
uc(t) = Ucm cosωc t = Ucmcos2πfc t (5.2)
Debido a que la frecuencia de la portadora se mantiene sin cambios después
de la modulación de amplitud y la amplitud de una onda AM es proporcional
a la señal de modulación, entonces, la onda modulada puede expresarse de
la siguiente manera:
uAM (t) = UAM (t)cosωc t = Ucm(1+macosΩt) cosωc t (5.3)
Para simplificar el análisis, ajustamos el ángulo de fase inicial de ambas
formas de onda a cero. En la fórmula (5.3), ma es conocido como el grado
de modulación AM o el índice de modulación AM.
es decir,
5-2
ma =
k aU Ω m
U cm
Noviembre 2014
Esta ecuación indica en qué medida la amplitud de la portadora está controlada
por la señal moduladora. La constante ka es una constante proporcional
determinada por el circuito de modulación. El índice de modulación AM debería
ser menor o igual a 1. Cuando el índice de modulación AM es mayor que 1, se
llama sobre-modulación y distorsionará la señal modulada.
Podemos deducir de esto que la onda de AM también oscila a una alta frecuencia.
Su amplitud varía regularmente (su envoltura cambia) y es proporcional a la
señal de modulación.
Por lo tanto, en una señal moduladora la información se transporta en la
amplitud de una onda modulada en amplitud. La siguiente figura muestra cómo
una señal cambia de ser una señal portadora (estado sin modular) a una onda
AM (estado modulado).
unmodulated
modulated
Overmodulated
Figura 5.1. Diagrama mostrando como una señal portadora sin modular experimenta el
proceso de modulación.
t
t
t
Figura 5.2. La forma de onda AM en el dominio del tiempo y de la frecuencia.
Noviembre 2014
5-3
Espectro de la onda AM
Ampliación de la fórmula (4.3) para conseguir la siguiente fórmula:
1
1
uAM (t ) = Ucm cos ωct + maUcm cos(ωc + Ω)t + maUcm cos(ωc − Ω)t
2
2
Como se puede observar aquí, una sola señal de audio modulada se
compone de tres componentes de alta frecuencia. Además de la portadora,
dos nuevos componentes de frecuencia (ωc + Ω) y (ωc - Ω) están incluidos.
Uno de ellos es mayor que
ωc,
conocido como la banda lateral superior, y el
otro es inferior a ωc, conocido como la banda lateral inferior. Su espectro se
muestra en la Figura 5-3.
Amplitude
Ucm
1/2 ma Ucm
1/2 maUcm
Frequency
Figura 5.3. Espectro de una onda AM.
Del análisis anterior, podemos entender que la modulación de amplitud es
un proceso de cambio de una señal moduladora de baja frecuencia a la
banda lateral de una portadora de alta frecuencia. Obviamente, en las
ondas AM, la portadora no contiene ninguna información de utilidad. La
información sólo está incluida en las bandas laterales.
5.3
Enunciado de la práctica
Medir la forma de onda y el espectro de una onda AM.
Medir el espectro de la onda AM con diferentes frecuencias de portadoras y
con señales moduladoras de diferentes amplitudes.
5-4
Noviembre 2014
5.4
Pasos de la práctica
Enciende el entrenador y el analizador de espectro.
Configuración del entrenador:
Establecer en el entrenador el estado de encendido por defecto.
Conecte el puerto de salida en el módulo de banda base al puerto AM
de entrada (AM in) del modulo AM, usando un cable RF.
Conecte el puerto de salida RF/FM en el Sintetizador RF/FM al puerto
RF de entrada (RF in) del módulo AM con un cable RF.
Gire el control variable en sentido horario hasta el final.
Conecta el puerto de salida AM al puerto de entrada del analizador de
espectro con el cable RF de 800 mm.
Figura 5.4.
Configuración del analizador de espectro:
Frecuencia central: 880 MHz.
Span:
5 MHz.
Nivel de referencia:0 dBm.
RBW:
Noviembre 2014
Auto.
5-5
Paso 1
Paso 2
Paso 3
Paso 4
Utiliza la función Marcador para medir el componente portadora de la
onda AM en el analizador de espectro y la potencia de la bandas laterales
superior e inferior. Utiliza el osciloscopio para medir la tensión en TP4 en
relación con la posición del control variable (es decir, la amplitud de
modulación). Dibuja el diagrama del espectro en la tabla 5-1.
Paso 5
Paso 6
Gira el control variable en sentido antihorario a la mitad. Mide el voltaje
con el osciloscopio. Al cambiar la amplitud de salida de la señal de
modulación, ¿observas algún cambio en el espectro? Anota el
experimento en la tabla 5-1.
Gira el control variable en sentido antihorario para disminuir la tensión de
salida. Mide el voltaje con el osciloscopio. Observa cualquier cambio en el
espectro de la onda AM y anótalo en la tabla 5-1.
Gira el potenciómetro en sentido horario hasta el máximo. Usa el
pulsador UP en el módulo de banda base para ajustar la frecuencia de la
señal moduladora. ¿Se puede observar algún cambio en el espectro de la
onda AM? Compara los resultados de la práctica con los resultados de la
frecuencia de la banda base original de 100 kHz y anota los resultados en
la tabla 5-2.
5-6
Noviembre 2014
Paso 7
Paso 8
Utiliza el pulsador UP en el módulo de banda base para ajustar la
frecuencia de la señal moduladora. ¿Observas algún cambio en el
espectro de ondas AM? Anota el resultado en la tabla 5-2.
Paso 9
Paso 10
Después de completar los pasos de la práctica anterior, pulsa el pulsador
Reset, y luego usa el botón UP del módulo sintetizador RF/FM para
cambiar la frecuencia de la señal portadora. ¿Hay algún cambio en el
espectro de la onda AM? Compara los resultados de la práctica con el
resultado de la portadora original de frecuencia 880 MHz y anota los
resultados en la tabla 5-3.
Paso 11
Paso 12
Paso 13
Paso 14
Utiliza el pulsador DOWN del módulo Sintetizador RF/FM para cambiar la
frecuencia de la señal portadora. Observa si hay algún cambio en el
espectro de ondas AM y anótalo en la tabla 5-3.
Noviembre 2014
5-7
Paso 15
Paso 16
5.5
Resultados de la práctica
Cambio de la tensión de modulación
Tensión de modulación: (Vpp: 2,4 Vpp)
Potencia de la portadora: -27.8dBm
Índice de Modulación: -27.8-6.0=-33.8dBm
Potencia de banda lateral inferior:
1
5-8
Noviembre 2014
Tensión de modulación: (Vpp: 1,8 Vpp)
Potencia de la portadora: -27,8dBm
Índice de Modulación: -27,8-10,0=-37,.8dBm
Potencia de banda lateral inferior:
0,63
Tensión de modulación: (Vpp: 0,6 Vpp)
Potencia de la portadora: -27,8dBm
Índice de Modulación: -27,8-17,0=-44,8dBm
Potencia de banda lateral inferior:
0,28
Tabla 5.1. Resultados de la práctica: cambio de la tensión modulación.
Noviembre 2014
5-9
Conclusión:A partir de los datos experimentales se puede observar que al
cambiar la amplitud de la tensión de modulación, se producirá un
cambio proporcional en la amplitud de las frecuencias de la banda
lateral superior y banda lateral inferior en la forma de onda
modulada. Esto no afecta a la amplitud de la potencia de la
portadora. Desde los resultados calculados, se puede observar que
el cambio de la amplitud de la señal moduladora también puede
cambiar el índice de modulación.
Cambio de la frecuencia de la señal moduladora
Frecuencia moduladora: (100 kHz)
Potencia de la portadora: -27,8 dBm
Potencia de la banda lateral inferior: -27,8-3,9=-31.7 dBm
5-10
Noviembre 2014
Frecuencia moduladora: (300 kHz)
Potencia de la portadora: -27,8 dBm
Potencia de la banda lateral inferior: -27,8-13=-40.8 dBm
Frecuencia moduladora: (600 kHz)
Potencia de la portadora: -27,8 dBm
Potencia de la banda lateral inferior: -27,8-19=-46.8 dBm
Tabla 5.2. Resultados de la práctica: cambio de la frecuencia de la señal moduladora.
Conclusión:La distancia desde la banda lateral superior e inferior a la portadora
en la onda AM cambia con respecto a los cambios realizados en la
frecuencia de la señal moduladora, y es igual a la frecuencia de la
señal modulada. La amplitud de la banda lateral inferior y superior
disminuye ligeramente con el incremento de la frecuencia en la
señal moduladora.
Noviembre 2014
5-11
Cambio de la frecuencia de la portadora
Frecuencia de la portadora: (882 MHz).
Frecuencia de la portadora: (880 MHz).
5-12
Noviembre 2014
Frecuencia de la portadora: (878 MHz)
Tabla 5.3. Resultados de la práctica: cambio de la frecuencia de la portadora.
Conclusión:Cambiar la frecuencia de la portadora no afecta a la amplitud de la
señal modulada. La frecuencia de las bandas laterales de la señal
modulada en ambos lados de la portadora siguen el cambio en la
frecuencia de la portadora. La distancia a la portadora permanece
constante cuando la portadora se desplaza.
5.6
Preguntas
Si cambiamos la frecuencia de la onda moduladora pero mantenemos la
amplitud de la misma, se verá afectada la onda AM?
Respuesta: A partir de los resultados de la práctica, podemos ver que cuando
cambia la frecuencia de la onda moduladora, pero se mantiene la
amplitud de la misma, la diferencia en frecuencia entre la banda
lateral inferior y banda lateral superior aumenta con un incremento
en la frecuencia de la señal moduladora. La totalidad del ancho de
banda de la onda modulada es dos veces el espectro de la señal
moduladora.
Si se cambian los cables de entrada en los módulos AM (conectando la señal
de banda base a la terminal "RF in" y la señal portadora al terminal "AM
in"). ¿Qué sucederá y por qué?
Respuesta: A partir del resultado de la práctica, podemos ver que la onda AM
puede ser finalmente modulada, lo que muestra que el circuito de
modulación utilizado en esta práctica probablemente usa un
modulador equilibrado con diodos simétricos.
Noviembre 2014
5-13
PRÁCTICA 6
6 Medida de la señal FM
Información relevante
Dado que la modulación de frecuencia es un tipo común de modulación, es
importante aprender los principios y características de las ondas FM. En
comparación con las ondas AM, la amplitud de una onda FM no transporta la
información de la señal moduladora. Esto permite que un limitador de amplitud
pueda utilizarse para eliminar las interferencias antes de la demodulación. La
densidad de potencia del ruido espectral en una onda FM está uniformemente
distribuida en la terminal de entrada. Pero debido a la modulación de la
frecuencia se ve afectada por la frecuencia en el terminal de salida.
Debido a que el ancho de banda de una señal modulada es mucho menor que el
ancho de banda de la onda FM, puede pasar a través de un filtro paso-bajo para
atenuar el ruido y aumentar la salida de la tasa Señal a Ruido durante la
demodulación. Las formas de onda FM son ventajosas, ya que utilizan la energía
de manera eficiente y tienen un alto grado de fidelidad, ya que se apoyan en la
fase de la señal modulada y no en la amplitud para llevar la señal de banda base.
El circuito de FM en esta práctica utiliza un bucle de enganche de fase. Los
principios descritos anteriormente sobre el circuito del bucle de enganche de fase
pueden utilizarse para esta práctica.
Equipos y materiales
Analizador de Espectros
Entrenador de RF y Comunicación
Adaptador N-SMA
Cable RF 100 mm
Cable RF 800 mm
6.1
Objetivos de la práctica
Comprender los principios de funcionamiento de la modulación de
frecuencia.
Utilizar un analizador de espectro para medir las características de una
onda FM.
Dominar los principios básicos de bucle de enganche de fase que se utilizan
en FM.
Noviembre 2014
6-1
Principios básicos de la práctica
6.2
1.
Análisis en el dominio del tiempo.
La modulación de frecuencia es un tipo de modulación en el que la
desviación de frecuencia instantánea de la señal modulada con respecto a la
frecuencia de la señal portadora es directamente proporcional a la amplitud
instantánea de la señal moduladora.
Asumiendo que la señal moduladora es
uΩ(t) = UΩm cosΩ t
y la señal portadora es
uc(t) = Ucm cosωc t = Ucmcos2πfc t
Una señal FM variando a los cambios en la señal moduladora se muestra en
la figura 6-1
uΩ
t
uc
t
u
t
Figura 6.1. Una señal FM variando a los cambios de la señal moduladora.
6-2
Noviembre 2014
En el semiperiodo positivo de la señal de modulación, la frecuencia de la señal
modulada es superior que la frecuencia de la señal portadora. En el pico de la
mitad del periodo positivo, la frecuencia angular de la señal modulada está en su
máximo.
En el semiperiodo negativo de la señal de modulación, la frecuencia de la señal
modulada es inferior que la frecuencia de la señal portadora, y su frecuencia
angular está en su nivel más bajo. La frecuencia angular ω de una onda FM
cambia en respuesta a los cambios en la señal de modulación.
Entonces ω=ωc +ΔωcosΩt
En esta fórmula, ωc es la frecuencia angular de la onda portadora, Δω es el
desplazamiento de la frecuencia angular determinado por la señal moduladora
UΩ
La expresión general para la señal FM:
u (t ) = Ucm cos[ωct + kf ∫ uΩ(t )dt + ϕ0]
t
= Ucm cos[ωct + kf ∫ U Ωm cos Ωtdt + ϕ0]
0
t
= U cm cos[ ω ct +
Es decir,
Mf =
kfU Ωm
Ω
0
k fU Ω m
sin( Ω t ) + ϕ 0 ]
Ω
Δωm
=
Ω
En esta fórmula, Mf se llama el índice de FM, Δωm se llama máxima desviación de
frecuencia angular, su valor es proporcional a la amplitud de la señal
moduladora.
Noviembre 2014
6-3
2.
Análisis del dominio de la frecuencia
Expresado en el domino del tiempo de la onda FM
u (t ) = Ucm cos[ω ct +
kfU Ωm
sin(Ωt ) + ϕ0]
Ω
= Ucm cos[ω ct + mf sin(Ωt ) + ϕ0]
Dejando el ángulo de la fase inicial a 0 y desarrollando como sigue:
u (t ) = U cm[cos ω ct cos( m f sin Ω t ) + sin ω ct sin( m f sin Ω t )]
Cuando mf <<1, cos(mf sin Ωt) ≈ 1
sin(mf sin Ωt) ≈ (mf sin Ωt)
Entonces obtenemos,
= Ucm cos ω ct +
u (t ) = Ucm cos ω ct + mfUcm sin ω ct sin Ωt
mfUcm
mfUcm
cos(ω c + Ω)t +
cos(ω c − Ω)t
2
2
Podemos ver que cuando mf < 1, el espectro de ondas FM se compone de la
portadora, el componente de frecuencia (ωc + Ω) y el componente de
frecuencia (ωc - Ω).
Cuando
mf >
1
cos(mf sin Ωt ) = J 0(mf ) + 2 J 2( mf ) cos 2Ωt + 2 J 4(mf ) cos 4Ωt + ......
sin( mf sin Ωt ) = 2 J 1( mf ) sin Ωt + 2 J 3( mf ) cos 3Ωt + 2 J 5( mf ) sin 5Ωt + ......
En esta fórmula, Jn(mf ) se llama una función de Bessel de orden n de
primera clase.
Hay un número infinito de componentes de frecuencia en las ondas FM, que
se distribuyen simétricamente alrededor del centro de la frecuencia
portadora. La amplitud de cada componente depende de las funciones de
Bessel.
6-4
Noviembre 2014
Teóricamente, el ancho de banda FM es infinito, pero la energía de una
señal FM se concentra principalmente cerca de la frecuencia portadora. Las
bandas laterales de la señal FM sólo contienen un pequeño componente de
amplitud y es generalmente ignorado. Teniendo en cuenta que la amplitud
en las bandas laterales es insignificante, menos del 10%, podemos obtener
la banda de ondas FM de la siguiente manera:
B=2(mf +1)F
Del análisis anterior
Porque
mf =Δ ω m = Δ F
Ω
F
Por tanto B=2(Δ F + F )
Cuando Δ F >>F, es modulación de banda ancha,
mf >>1, B ≈12Δ F
Cuando Δ F <<F, es modulación de banda estrecha,
mf <<1, B ≈1 2 F
La amplitud de los componentes de banda lateral en una señal de FM está
relacionado con el índice de modulación de frecuencia. Esto se puede ver en
la tabla de comparación del apéndice. A continuación tenemos algunos
ejemplos de magnitudes absolutas de las bandas laterales para señales con
un índice de modulación de 0,5, 2,41 y 5.
Figura 6.2.
El circuito de FM en el entrenador utiliza un bucle de enganche de fase. El
uso de un circuito PLL para la modulación FM no sólo resuelve los problemas
de estabilidad de la frecuencia central en la modulación FM directa, sino
también las estrechas limitaciones en el rango de FM al utilizar un oscilador
de cristal.
Noviembre 2014
6-5
El espectro de la señal moduladora debe estar fuera del filtro pasa-bajo para
lograr una onda FM de enganche de fase.
Cuando la frecuencia central del VCO está enganchada a una frecuencia alta
y estable, permite que el VCO cambie en frecuencia cuando se varía la señal
de modulación.
Modulating
signals
Phase
detector
Crystal
Oscillator
Loop
Filter
Voltagecontrolled
Oscillator
FM wave
Figura 6.3. Principios de FM del entrenador.
6.3
Enunciado de la práctica
Medir el espectro de ondas FM.
Observar cómo la amplitud de la señal moduladora afecta a la desviación
de frecuencia de la onda FM.
Observar cómo la frecuencia de la señal moduladora afecta a la desviación
de frecuencia de la onda FM.
6.4
Pasos de la práctica
Enciende el entrenador y el analizador de espectro.
Configura el entrenador de la siguiente manera:
En el estado por defecto (el estado de puesta en marcha), gira el
control variable a la posición mínima.
Conecta el puerto de salida en el módulo de banda base al puerto de
entrada de FM del módulo Sintetizador RF / FM con un cable de RF.
Conecta el puerto de salida de RF/FM al puerto de entrada de RF en el
analizador de espectro con un cable de RF.
6-6
Noviembre 2014
Figura 6.4.
Configuración del analizador de espectro:
Frecuencia central: 880 MHz.
Span:
50 MHz.
Nivel de referencia:0 dBm.
RBW:
Auto (estado por defecto: 100 kHz).
Paso 1
Paso 2
Paso 3
Paso 4
Usa la función Marcador del analizador de espectro y mide la posición de
la portadora en este momento.
Paso 5
Gira el control variable en sentido horario a una posición arbitraria. Mide
el voltaje con un osciloscopio. ¿El espectro de la onda de FM cambia
después de que la amplitud de salida de la señal de modulación ha
cambiado? Sigue los pasos a continuación para medir la desviación de
frecuencia y anota los resultados en la tabla 6-2.
Noviembre 2014
6-7
Paso 6
Gira el control variable en sentido anti-horario de nuevo a una posición
diferente. Mide el voltaje con un osciloscopio. ¿El espectro de la onda FM
cambia cuando la amplitud de salida de la señal moduladora cambia?
Sigue los pasos a continuación para medir la desviación de frecuencia y
anota los resultados en la tabla 6-2.
Paso 7
Ajusta el control variable a la posición máxima. Repite los pasos
anteriores y anota los resultados en la tabla 6-2.
Paso 8
Después de seguir los pasos de la práctica anterior, observa si hay algún
cambio en el espectro de la onda FM cuando se usa el pulsador UP del
módulo de banda base que se utiliza para cambiar la frecuencia de la
señal moduladora. Compara esto con la señal de banda 100 kHz original
y anótalo en la tabla 6-3.
Paso 9
Cambia la frecuencia de la señal de modulación a 600 kHz. Observa el
cambio en el espectro de la onda FM y anota los resultados en la tabla 63.
Paso 10
Cambia la frecuencia de la señal moduladora a 1 MHz. Observa el cambio
en el espectro de la onda FM y anota los resultados en la tabla 6-3.
Paso 11
6-8
Noviembre 2014
Después de seguir los pasos de la práctica anterior, pulsa el botón de
Reset, y minimiza la amplitud de la señal moduladora con el fin de ver el
espectro de FM en un span de 50 MHz. A continuación, utiliza el pulsador
DOWN en el módulo sintetizador RF / FM para cambiar la frecuencia de la
señal portadora. Observa si hay algún cambio en el espectro de ondas de
FM. Compara este resultado con la frecuencia portadora original de
880 MHz y anótalo en la tabla 6-4.
Paso 12
Paso 13
Ajusta la frecuencia de la portadora de nuevo. Observa si hay algún
cambio en el espectro de ondas de FM y anótalo en la tabla 6-4.
Paso 14
6.5
Resultados de la práctica
Cambio de amplitud de la señal moduladora.
Tensión moduladora: Vpp: 0,8 Vpp
Desviación de frecuencia: 4.2MHz
Índice FM:
42
Noviembre 2014
6-9
Tensión moduladora: Vpp: 1,8 Vpp
Desviación de frecuencia: 8,7 MHz
Índice FM:
87
Tensión moduladora: Vpp: 2,4 Vpp
Desviación de frecuencia: 12,8 MHz
Índice FM:
128
Tabla 6.1. Resultados de la práctica: cambio de amplitud de la señal moduladora
Conclusión: Al mantener la frecuencia de modulación sin cambios, la desviación
de frecuencia de la señal modulada aumenta con el aumento de
amplitud de la señal moduladora. La amplitud de la señal modulada
permanece constante.
6-10
Noviembre 2014
Cambio de frecuencia de una señal FM
(Frecuencia moduladora: 100 kHz)
(Frecuencia moduladora: 300 kHz)
Noviembre 2014
6-11
(Frecuencia moduladora: 600 kHz)
(Frecuencia moduladora: 1 MHz)
Tabla 6.2. Resultados de la práctica: cambio de frecuencia de una señal FM.
Conclusión: La frecuencia de la señal moduladora afecta a la velocidad a la que
cambia la frecuencia lateral. Incrementando la frecuencia de la señal
de modulación, con la condición de mantener la amplitud de la señal
moduladora sin cambios, disminuirá el índice de modulación (Mf).
Mientras tanto, el componente de frecuencia lateral se reduce, pero
el ancho de banda permanece sin cambios.
6-12
Noviembre 2014
Cambio de la frecuencia portadora
Frecuencia Portadora: 875 MHz
Frecuencia Portadora: 880 MHz
Noviembre 2014
6-13
Frecuencia Portadora: 890 MHz
Tabla 6.3. Resultados de la práctica: cambio de la frecuencia portadora.
Conclusión: Después de que la señal moduladora es modulada en la señal
portadora, cualquier cambio en la frecuencia de la portadora no
tiene efecto sobre otros parámetros de modulación.
Dibujar la forma de onda en el dominio de tiempo de la onda AM que
se mide con el osciloscopio.
6.6
Preguntas
Para las ondas de FM, si mantenemos la amplitud de la señal moduladora
constante y doblamos la frecuencia, ¿cómo será la desviación de frecuencia
y el cambio de ancho de banda de la señal modulada?
Respuesta: A partir del análisis de los resultados de la práctica, podemos ver
que la desviación de frecuencia permanece constante, pero el ancho
de banda se reducirá a la mitad.
Calcular el índice de FM del circuito de modulación a partir de los datos
medidos obtenidos a partir del analizador de espectro.
Respuesta: Consulta los resultados de la práctica.
6-14
Noviembre 2014
PRÁCTICA 7
7 Uso del Analizador
Comunicación
de
Espectro
en
Sistemas
de
Información relevante
ACPR y OCBW son parámetros importantes en la medición de las señales de RF
moduladas. Es muy importante dominar el uso de un analizador de espectro para
medir ACPR y OCBW. Tenemos que saber cómo utilizar un analizador de espectro
para medir los parámetros de RF que se utilizan con frecuencia y de sentar las
bases de su uso futuro.
ACPR es la relación de cantidad de potencia filtrada a un canal adyacente del
canal principal. OCBW es el ancho de banda ocupado que contiene un porcentaje
específico del total de potencia del canal.
En la actualidad, la tercera generación de sistemas de comunicaciones móviles
(3G) se están extendiendo, mientras que algunos países y empresas están
buscando desarrollar sistemas de cuarta generación de comunicaciones móviles
(4G). Esta práctica, por lo tanto, tiene un alto valor práctico para la medición de
potencia de RF CDMA y campos relacionados.
Equipos y materiales
Analizador de Espectros
Entrenador de RF y Comunicación
Adaptador N-SMA
Cable RF 100 mm
Cable RF 800 mm
7.1
Objetivos de la práctica
Entender los principios de medición ACPR y realizar medidas ACPR reales.
Entender los principios de medición OCBW y realizar medidas OCBW reales.
Noviembre 2014
7-1
Principios básicos de la práctica
7.2
1.
Medición ACPR
ACPR (Tasa de Potencia de Canal Adyacente) es la relación de la cantidad de
potencia filtrada a un canal adyacente desde el canal principal. Representa
la cantidad de potencia del transmisor que se filtra en la banda de
transmisión de otros canales. El canal adyacente por lo general se refiere a
los canales adyacentes más cercanos al canal de transmisión. Otros canales
también se pueden utilizar, dependiendo de los requisitos de medición.
Power level
Cuando dos señales con frecuencias similares entran en un amplificador de
potencia RF, no hay sólo dos señales de salida, sino que también hay
señales de intermodulación (señal de entrada 1 ± señal de entrada 2). Una
entrada y salida típica se muestra en la figura 7-1.
Output
signal
Input
? ? ?
? signal
f 0 − 3B
f0−B
f 0 f 0+B
f 0 + 3B
Frequency
Power level
Figura 7.1. Entrada y salida del amplificador de potencia RF.
pcarrier
ACPR
padj
channel space
bandwidth
f 0 − 3B
f0−B
f0
f 0+B
f 0 + 3BFrequency
Figura 7.2. Definición de ACPR
7-2
Noviembre 2014
De acuerdo con la definición de ACPR (figura 7.2.), sabemos que ACPR = 10
log (Padj /Pcarrier).
Cuando se utiliza un analizador de espectro para medir ACPR, primero se
deberán seleccionar los valores apropiados para el ajuste de span y el ancho
de banda de resolución (RBW). El span debe ser mayor que la medida del
ancho de banda. El RBW debería ser igual a aproximadamente el 1% de la
medida del ancho de banda. Debido a que el tiempo de barrido del
analizador de espectro es inversamente proporcional al cuadrado de RBW,
los ajustes RBW debe ser considerados.
El RBW no debería ser más del 4% de la medida del ancho de banda del
canal. De lo contrario, el RBW será demasiado amplio y tapará el espectro
original del canal. La configuración RBW en el analizador tiene una serie de
rangos de ajuste, por lo tanto, se ha de establecer el RBW en el modo Auto.
2.
Medición OCBW
La medida del OCBW se utiliza para medir el ancho de banda que el canal
ocupa para una determinada cantidad de potencia. Esto se utiliza para
medir el ancho de banda ocupado como un porcentaje de la potencia del
canal para una cantidad específica de potencia. Los parámetros más
utilizados para las medidas son: ancho de banda del canal, espaciado del
canal y porcentaje de OCBW.
7.3
Enunciado de la práctica
Medir la ACPR de la señal de FM producida por el entrenador.
Medir la OCBW de la señal de FM producida por el entrenador.
7.4
Pasos de la práctica
Enciende el entrenador y el analizador.
Configura el entrenador de la siguiente manera:
Establece en el estado predeterminado de encendido.
Utiliza el cable RF para conectar la salida de banda base al puerto de
entrada de FM en en el módulo sintetizador RF/FM.
Conecta el terminal de salida del módulo sintetizador RF/FM a la
terminal de entrada en el analizador de espectro con el cable RF.
Noviembre 2014
7-3
Figura 7.3.
Configuración del analizador de espectro:
Frecuencia central: 880 MHz.
Span:
10 MHz.
Nivel de referencia:-10 dBm.
RBW:
Auto.
Paso 1
Paso 2
Paso 3
Paso 4
Ajusta la desviación de frecuencia FM a 1 MHz (2 MHz en total) con el
control variable de amplitud.
7-4
Noviembre 2014
2MHz
Figura 7.4.
Mide el ACPR y OCBW después de realizar estos ajustes.
►
Medición ACPR
Paso 1
Paso 2
Ajusta el ancho de banda del canal principal a 2 MHz.
Paso 3
Ajusta el canal principal a 5 MHz.
Paso 4
Ajusta el ancho de banda del primer canal adyacente a 0,8 MHz.
Paso 5
Ajusta el offset del primer canal adyacente a 2 MHz.
Noviembre 2014
7-5
Paso 6
Ajusta el ancho de banda del segundo canal adyacente a 0,5 MHz.
Paso 7
Ajusta el offset del primer canal adyacente a 4 MHz.
Incrementa la desviación de frecuencia a 2 MHz (4 MHz en total)
utilizando el control de amplitud. Mide el ACPR de nuevo y anota los
resultados en la tabla 7-1.
►
Medición OCBW
Paso 1
Paso 2
Ajusta el ancho de banda del canal a medir a 2 MHz.
Paso 3
Ajusta el span del canal principal a 10 MHz.
Paso 4
Anota los datos de la medida en la tabla 7-2.
Paso 5
Ajusta la desviación de frecuencia de la
onda FM ajustando el control variable del
entrenador. Mide el OCBW% de nuevo y
anota los resultados en la tabla 7-2.
Anota los datos de medida en la tabla 7-2.
7-6
Noviembre 2014
7.5
Resultados de la práctica
Resultados de medida de ACPR
Resultados de desviación de frecuencia de 1 MHz.
Resultados de desviación de frecuencia de 2 MHz.
Noviembre 2014
7-7
Item
Test No.
1
2
3
4
Media
Inferior
ACPR1
42.3
42.2
43.0
42.5
42.5
Superior
ACPR1
43.0
42.9
43.4
43.5
43.2
I nferior
Superior
ACPR2
55.6
55.4
55.6
55.3
55.5
ACPR2
55.9
57.0
57.2
57.3
56.85
Tabla 7.1. Resultados de la medida de ACPR.
Resultados de la medida de OCBW
Resultados de desviación de frecuencia de 1 MHz.
7-8
Noviembre 2014
Resultados de desviación de frecuencia de 2 MHz.
OCBW: 90 %
Test No.
1
2
3
4
5
CH Potencia
89.2
89.1
89
89.2
89.2
OCBW
2
2
2
2
2
Tabla 7.2. Resultados de la medida de OCBW.
7.6
Preguntas
Define ACPR
Respuesta: ACPR significa tasa de potencia de canal adyacente. Es la relación de
potencia media entre la frecuencia adyacente y la potencia del canal
de transmisión. Representa la cantidad de energía a partir del
transmisor que se filtra dentro de la banda de transmisión u otros
canales. Generalmente los canales directamente adyacentes a los
canales de transmisión son considerados, pero en casos especiales
otros canales pueden también ser considerados.
PRECAUCIÓN: Tomar múltiples medidas y el valor promedio obtenido es requerido
para las mediciones ACPR y OCBW. El uso de la función media no se
puede utilizar ya que utiliza un método logarítmica para calcular el
promedio.
Noviembre 2014
7-9
PRÁCTICA 8
8 Medición de productos de comunicación
Información relevante
El ratón de PC ha experimentado casi cuatro décadas de evolución y desarrollo
desde su creación en 1968. Con la popularidad de los PC orientados al
consumidor en la último década, el ratón ha progresado enormemente. Desde el
ratón inicial con rueda mecánica al actual y popular ratón óptico o el ratón láser
de alta gama, cada evolución del ratón ha sido más agradable de usar. Además,
la demanda de mejores entornos de trabajo ha hecho que el ratón inalámbrico se
haya hecho muy popular.
La tecnología inalámbrica, dependiendo de la banda de frecuencia y su propósito,
se divide en diferentes categorías tales como Bluetooth, Wi-Fi (IEEE 802.11),
infrarrojo (IrDA), ZigBee (IEEE 802.15.4) y así sucesivamente. Para los actuales
ratones inalámbricos, hay tres categorías diferentes: 27 MHz, 2.4G y Bluetooth.
Esta práctica realiza mediciones con productos de comunicación reales (un ratón
inalámbrico en este caso). Después de realizar esta práctica, se obtendrá una
buena comprensión del analizador de espectro y los métodos de medición
utilizados. Esta práctica ayuda a consolidar los conocimientos de RF y a fortalecer
las habilidades prácticas con el analizador de espectro.
Equipos y materiales
Analizador de Espectros
Ratón inalámbrico 2.4 G
Adaptador N-SMA
Antena 800-1000MHz
8.1
Objetivos de la práctica
Utilizar el analizador de espectro para medir algunos parámetros de
productos de comunicación electrónica habituales en el día a día.
Aprender cómo funciona un ratón inalámbrico.
Noviembre 2014
8-11
8.2
Principios básicos de la práctica
En esta práctica se va a utilizar un ratón inalámbrico de 2.4 G. Utiliza la
banda de frecuencia llamada 2.4 G. La ventaja de la banda 2.4 G con
respecto a la banda de 27 MHz es que la banda de 27 MHz tiene una
distancia más corta de transmisión y es propensa a la interferencia de otros
dispositivos. Se llama 2.4 G porque opera en la banda de frecuencias de
2,4 GHz. En la mayoría de los países, esta banda de frecuencia está libre.
El principio del ratón inalámbrico es realmente muy simple. Se utiliza
principalmente la tecnología de radio digital para proporcionar un ancho de
banda adecuado para equipos de comunicaciones a través de una corta
distancia. Es ideal para equipos periféricos tales como ratones y teclados.
Los principios de trabajo detrás de un ratón inalámbrico y de un ratón
tradicional son los mismos. La única diferencia es que la posición de X & Y,
así como cada vez que se pulsa, es transmitida de forma inalámbrica a
través de un transmisor. El receptor inalámbrico pasa esta información al
host después de la decodificación de la señal. El driver entonces ordena al
sistema operativo convertir la señal en acciones.
8.3
Enunciado de la práctica
Medir la frecuencia y potencia de la señal que se transmite desde el ratón
inalámbrico.
8.4
Pasos de la práctica
Conecta la antena al puerto de entrada del analizador de espectro.
Configuración del analizador de espectro:
Frecuencia central: 2,4 GHz.
Span:
200 MHz.
Nivel de referencia:-20 dBm.
RBW:
8-12
Auto.
Noviembre 2014
Paso 1
Paso 2
Paso 3
Paso 4
Enciende el ratón inalámbrico.
Paso 5
Paso 6
El diagrama de conexión se muestra a continuación.
También se puede utilizar un dispositivo bluetooth o una tarjeta de red
inalámbrica de la misma manera para crear una señal a medir.
Noviembre 2014
8-13
8.5
Resultados de la práctica
Frecuencia de transmisión: 2.409GHz
Potencia de la señal transmitida: -28.0 dBm
8.6
Preguntas
¿Cuáles son las ventajas de un ratón inalámbrico que opera en el ancho de
banda 2.4 G?
Respuesta: Los ratones inalámbricos utilizan la banda inalámbrica 2.4-2.485
GHz ISM, que puede ser utilizada sin licencia y de forma gratuita en
la mayoría de los países en todo el mundo. Esto elimina el mayor
obstáculo para que un producto sea popular. También significa que
los ratones no interfieren con otros dispositivos inalámbricos.
CONSEJO:
8-14
Utilice la función de retención de picos en el analizador de espectro
para captar la señal emitida por el ratón inalámbrico. No es fácil
medir la señal de forma dinámica.
Noviembre 2014
PRÁCTICA 9
9 Aplicaciones en Líneas de Producción
Información relevante
Un analizador de espectro se puede utilizar en pruebas de Pasa/Falla de
productos de comunicación RF. Las pruebas se pueden realizar de forma manual
con un instrumento autónomo o por control remoto mediante un PC. Cuando se
utiliza el control remoto, los parámetros de ajuste del analizador de espectro y
los resultados de las pruebas pueden ser obtenidos de forma remota. Esto ahorra
mucho tiempo y puede mejorar la eficiencia de una línea de producción.
En esta práctica, vamos a imaginar que el entrenador se encuentra en un
entorno de línea de producción. Vamos a utilizar la función de línea límite para
llevar a cabo una simple prueba, ver si un producto ha pasado la prueba y leer
los resultados de las pruebas utilizando los comandos remotos.
Equipos y materiales
Analizador de Espectros
Entrenador de RF y Comunicación
Adaptador N-SMA
Cable RF 800 mm
9.1
Objetivos de la práctica
Aprender cómo editar las líneas límite y entender cómo realizar las pruebas
pasa/falla.
Utilizar los comandos remotos para leer los datos de las pruebas realizadas
por el espectro.
Noviembre 2014
9-15
Principios básicos de la práctica
9.2
1.
Edición de la línea límite y las pruebas Pasa/Falla.
Las líneas límite superior e inferior se aplican a lo largo de todo el span de la
frecuencia. Las líneas límite pueden utilizarse para detectar si la amplitud de
la señal está por encima o por debajo de un nivel establecido de amplitud.
El resultado de la prueba pasa/falla se muestra en la parte inferior de la
pantalla.
Para crear una línea límite, hay que editar los diez puntos en la tabla de
edición de línea límite inferior, como se muestra a continuación.
Figura 9.1.
Configura la amplitud y la frecuencia de cada punto. Usa las flechas para
mover el cursor a cada uno de los diferentes puntos. Usa el mismo método
para editar la línea límite superior e inferior. La prueba Pasa/Falla se puede
iniciar después de establecer las líneas límite.
2.
Utilice los comandos remotos para leer los resultados de la prueba.
La configuración manual del analizador de espectro para realizar el test
puede consumir mucho tiempo. Aquí vamos a utilizar los comandos remotos
para ajustar diversos parámetros en el analizador de espectro de forma
remota. Se explicará brevemente algunos de estos comandos a
continuación.
Comandos de frecuencia:
meas:freq:cen?
meas:freq:cen
meas:freq:st?
meas:freq:st
meas:freq:stp?
meas:freq:stp
9-16
Devuelve la frecuencia central en kHz.
Ajusta la frecuencia central, por ejemplo:
meas:freq:cen_100_mhz
Devuelve la frecuencia inicial en kHz.
Ajusta la frecuencia inicial, por ejemplo:
meas:freq:st_100_mhz
Devuelve la frecuencia final en kHz.
Ajusta la frecuencia final, por ejemplo:
meas:freq:stp_100_mhz
Noviembre 2014
Comandos Span:
meas:span?
meas:span
meas:span:full
Devuelve los ajustes del span de frecuencia.
Ajusta la configuración del span de frecuencia,
por ejemplo:
meas:span:10_mhz
Ajusta el span al modo de span completo.
Comandos Amplitud:
meas:refl:unit?
meas:refl:unit
meas:refl?
meas:refl
Devuelve la unidad del nivel de referencia.
Ajusta la unidad del nivel de referencia.
Parámetros: 1(dBm), 2(dBmV), 3(dBuV).
Devuelve el nivel de referencia en dBm.
Ajusta el nivel de referencia en dBm. Por
ejemplo: meas:refl:-30
Comandos de Líneas Límite:
meas:lmtline:on
meas:lmtline:off
meas:lmtline:
passfail_on
9.3
Activa las líneas límite. Parámetros: 0 (línea
límite inferior), 1 (línea límite superior).
Desactiva las líneas límite. Parámetros: 0
(línea límite inferior), 1 (línea límite superior).
Activa el test pasa/falla.
Enunciado de la práctica
Establecer las líneas límite superior e inferior para realizar una prueba
pasa/falla con una señal del entrenador.
Utilizar los comandos de control remoto para la configuración remota del
analizador de espectro.
9.4
Pasos de la práctica
Enciende el entrenador y analizador.
Establece el entrenador en el estado de encendido.
Conecta el cable RF desde el puerto de salida del módulo de banda base
al puerto de entrada FM en el módulo sintetizador de RF/FM.
Noviembre 2014
9-17
Figura 9.1
Configuración del analizador de espectro:
Frecuencia central: 880 MHz.
Span:
50 MHz.
Nivel de referencia:0 dBm.
RBW:
Auto.
Paso 1
Paso 2
Paso 3
Paso 4
Línea límite del test pasa/falla.
Paso 5
Paso 6
Debajo de la pantalla, se puede establecer la magnitud y la frecuencia de
cada punto. Mueve el cursor para seleccionar un punto y editarlo con el
teclado numérico y las teclas de unidades. Presiona F6 para volver al
anterior menú.
9-18
Noviembre 2014
Paso 7
De acuerdo a los procedimientos anteriores, configura las líneas límite.
Ajusta el control de amplitud en el entrenador. Observa los resultados de
las pruebas Pasa/No Pasa y anota los resultados en la tabla 9-1.
La misma funcionalidad se puede lograr mediante el envío de comandos
desde un PC utilizando HyperTerminal.
9.5
Resultados de la práctica
Resultados de desviación de frecuencia de 5 MHz.
Noviembre 2014
9-19
Resultados de desviación de frecuencia de 10 MHz.
Tabla 9.1. Resultados de ajustar la posición del control variable de amplitud.
9-20
Noviembre 2014
10 ESPECIFICACIONES
10.1
Especificaciones Generales
Parámetro
Valor
Banda Base
Formas de onda
Margen de Frecuencias
Amplitud
Distorsión de Harmónicos
Senoidal, Cuadrada y Triangular
0,1 ~ 3 MHz (Triangular -0,1 ~ 1 MHz) en pasos de 10 kHz
≥ 1,5 Vpp
≤ -30 dBc
Analisis FM/RF
Precisión de Frecuencia
Margen ajustable
Margen de Potencia
± 0,15MHz
≥ 45 MHz (870 M ~ 920 M) en pasos de 1 MHz
≥ -15 dBm
FM
Máxima Desviación en
Frecuencia
> 3 MHz
AM
≥ -18 dBm
Diferencia de pico
Accesorios incluidos
Cable de RF
Cable de RF
Antena
Cable de red
Adaptador
CD-ROM
2 x 100 mm
1 x 800 mm
1 de 800 MHz a 1000 MHz
100-240 V ~ 50-60 Hz
N-SMA
Manual de Prácticas del Alumno
Manual de Instrucciones del Profesor
RECOMENDACIONES ACERCA DEL EMBALAJE
Se recomienda guardar todo el material de embalaje de forma permanente por si fuera necesario
retornar el equipo al Servicio de Asistencia Técnica.
Noviembre 2014
21
11 MANTENIMIENTO
11.1
Recomendaciones de Limpieza
El equipo está compuesto por una carcasa de plástico y una pantalla TFT. Cada
elemento tiene su tratamiento específico de limpieza.
Limpieza de la Pantalla TFT
La superficie de la pantalla TFT es MUY DELICADA. Se ha de limpiar con una
paño de tejido suave (algodón o seda), realizando siempre el mismo
movimiento de izquierda a derecha y de arriba a abajo, sin ejercer presión
sobre la pantalla.
Se ha de limpiar en seco o con un producto especialmente destinado para
pantallas TFT humedeciendo ligeramente el paño. No usar NUNCA agua del
grifo o mineral, alcohol ni productos de limpieza convencionales, contienen
componentes que pueden dañar la pantalla.
Apagar el equipo para localizar la suciedad de la pantalla. Después de
limpiar, esperar unos instantes antes de encender.
Limpieza de la carcasa de plástico
El equipo se ha de desconectar antes de limpiar la carcasa.
La carcasa se ha de limpiar con una solución de jabón neutro y agua,
mediante un paño suave humedecido en esta solución.
Antes de volver a usar el equipo, éste ha de estar completamente seco.
No usar nunca para la limpieza jabones con componentes abrasivos,
disolventes clorados o hidrocarburos aromáticos. Estos productos pueden
degradar la carcasa.
22
Noviembre 2014
ANEXO
Se han incluido alguna de las tablas de conversión más comunes para usar
con las prácticas.
Tabla de conversión dBm
dBm, dBuV y dBmV son unidades absolutas. Es decir, representan cantidades
físicas. Las tablas de conversión se presentan a continuación:
dBm
mW
μV
dBμV
dBmV
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
0.001
0.003
0.010
0.032
0.100
0.316
1.000
3.162
10.000
31.623
100.000
316.228
1000.000
7071.07
12574.33
22360.68
39763.54
70710.68
125743.34
223606.80
397635.36
707106.78
1257433.43
2236067.98
3976353.64
7071067.81
76.9897
81.9897
86.9897
91.9897
96.9897
101.9897
106.9897
111.9897
116.9897
121.9897
126.9897
131.9897
136.9897
16.9897
21.9897
26.9897
31.9897
36.9897
41.9897
46.9897
51.9897
56.9897
61.9897
66.9897
71.9897
76.9897
Noviembre 2014
23
La relación entre dB y dBc
En las cifras de la tabla anterior se considera una carga de 50 Ω. Como ejemplo,
si -30 dBm es igual a 0.001 mW o 10-6W, por tanto, con una carga de 50 Ω es
7071.07 μv o 0.007071mV. Las fórmulas y derivaciones de la tabla anterior son:
por tanto
En cuanto a dB y dBc, son unidades relativas. En términos de potencia, una
diferencia de 20 dB equivale a una diferencia de 100 veces.
Pregunta:
¿Cuál es la diferencia entre 0 dBm y -50 dBm? ¿Es 50 dB o
50 dBm?
Respuesta: 50 dB
Explicación: 0dBm = 1mW, -50dBm = 10-5mW, por tanto la diferencia de
ambos es 105 veces, que equivale a 50dB o a una diferencia de
0,99999mW.
Y 0,99999 mW es igual a -0.0000434dBm ≈ 0dBm.
50dBm = 105mW = 100W. Obviamente, 50 dBm es una respuesta
errónea.
24
Noviembre 2014
Valores de resistor en atenuadores de resistencia tipo
π
R2
50Ω
dB
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
25
30
35
40
Noviembre 2014
R1 R3
R1
869.55
436.21
292.40
220.97
178.49
150.48
130.73
116.14
104.99
96.25
89.24
83.54
78.84
74.93
71.63
68.83
66.45
64.40
62.64
61.11
55.96
53.27
51.81
51.01
50Ω
R2
5.77
11.61
17.61
23.85
30.40
37.35
44.80
52.84
61.59
71.15
81.66
93.25
106.07
120.31
136.14
153.78
173.46
195.43
220.01
247.50
443.16
789.78
1405.41
2499.75
R3
869.55
436.21
292.40
220.97
178.49
150.48
130.73
116.14
104.99
96.25
89.24
83.54
78.84
74.93
71.63
68.83
66.45
64.40
62.64
61.11
55.96
53.27
51.81
51.01
25
Valores de resistor en atenuadores de resistencia tipo T
R1
50Ω
50Ω
dB
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
25
30
35
40
26
R3
R2
R1
2.88
5.73
8.55
11.31
14.01
16.61
19.12
21.53
23.81
25.97
28.01
29.92
31.71
33.37
34.90
36.32
37.62
38.82
39.91
40.91
44.68
46.93
48.25
49.01
R2
433.34
215.24
141.93
104.83
82.24
66.93
55.80
47.31
40.59
35.14
30.62
26.81
23.57
20.78
18.36
16.26
14.41
12.79
11.36
10.10
5.64
3.17
1.78
1.00
R3
2.88
5.73
8.55
11.31
14.01
16.61
19.12
21.53
23.81
25.97
28.01
29.92
31.71
33.37
34.90
36.32
37.62
38.82
39.91
40.91
44.68
46.93
48.25
49.01
Noviembre 2014
Tabla de comparación de índice de modulación y amplitud de
banda lateral
Índice de
modulación
0,00
0,25
0,5
1,0
1,5
2,0
2,41
2,5
3,0
4,0
5,0
5,53
6,0
7,0
8,0
8,65
9,0
10,0
12,0
Banda lateral
Portadora
1
2
3
1,00
0,98
0,94
0,77
0,12
0,24
0,44
0,03
0,11
0,02
0,51
0,22
0
-0,05
-0,26
-0,40
-0,18
0
0,56
0,58
0,52
0,50
0,34
-0,07
-0,33
-0,34
0,23
0,35
0,43
0,45
0,49
0,36
0,05
-0,13
0,15
0,30
0,17
0
-0,09
-0,25
0,05
-0,28
0,00
0,23
0,27
0,25
0,04
-0,22
-0,24
-0,30
-0,11
0,06
0,14
0,25
-0.08
Noviembre 2014
4
5
6
7
8
9
0,06
0,13
0,20
0,22
0,31
0,43
0,36
0,25
0,01
0.03
0,06
0,07
0,13
0,28
0,39
0,40
0,02
0,02
0,04
0,13
0,26
0,32
0,01
0,01
0,05
0,13
0,19
0,02
0,05
0,09
0,02
0,03
0,01
0,11
-0,17
-0,29
-0,24
-0,18
0,06
0,20
0,36
0,16
-0,10
-0,23
-0,27
-0,22
0,18
0,36
0,35
0,19
0,03
-0,06
-0,23
-0,07
0,25
0,34
0,34
0,26
0,20
-0,01
-0,24
0,13
0,23
0,32
0,34
0,33
0,22
-0,17
0,06
0,13
0,22
0,28
0,31
0,32
0,05
0,02
0,06
0,13
0,18
0,21
0,29
0,23
10
11
12
13
14
15
16
0,02
0,06
0,10
0,12
0,21
0,30
0,03
0,05
0,06
0,12
0,27
0,02
0,03
0,06
0,20
0,01
0,03
0,12
0,01
0,07
0,03
0,01
27
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