ANALISADOR DE ESPECTROS

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1 Sistemas de Medida em Radiofrequência ANALISADOR DE ESPECTROS Prof. Francisco Alegria Outubro de 2003 Analisador de Espectros Visualização e análise de um sinal no domínio da frequência. Determinação do peso das harmónicas. Determinação da distorção dum sinal. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 2

2 Conteúdo Harmónico 1,5 Amplitude (V) 1 0,5 0-0,5 fundamental 2ª harmónica 3ª harmónica Tempo -1-1,5 a) Amplitude (V) Tempo f 2f 3f b) c) Frequência 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 3 Osciloscópios Digitais Osciloscópios digitais capazes de calcular a FFT. Solução de baixo custo. Quantificação no tempo e em amplitude após s a conversão analógico gico-digital: Pequena exactidão Pouca sensibilidade Pequena largura de banda Pouca resolução em frequência Espalhamento espectral: Aparecimento de riscas no espectro em frequências adjacentes às s do sinal em análise. Devido ao número n de amostras recolhidas não ser exactamente um múltiplo m inteiro do período do sinal em análise. Vantagem em relação aos superheterodinos: Poderem medir o espectro de fases. Análise de transitórios. rios. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 4

3 Multifiltro Filtro Passa banda 45-55Hz Detector de pico Filtro Passa banda 56-70Hz Detector de pico Entrada Pré amplificador Filtro Passa banda 71-89Hz Filtro Passa banda Hz Detector de pico Detector de pico Comutador electrónico N para 1 CRT Base de tempo Filtro Passa banda 9,0-11,1kHz Detector de pico 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 5 Multifiltro Bastante mais caros que os correspondentes superheterodinos. Vantagem de serem de tempo real,, o que lhes permite apresentar o espectro de ondas não periódicas. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 6

4 Frequência Central Variável Único filtro passa banda com frequência central variável. vel. Reduz extraordinariamente o número n de componentes para fabricar o aparelho. Difícil ter um filtro passa banda de elevado factor de qualidade com frequência central ajustável, que apresente a mesma característica ao longo da gama de frequências que se pretende analisar. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 7 Superheterodino Técnica mais utilizada. Heterodinagem significa mistura. Super refere-se a frequências superiores às s de audio. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 8

5 Superheterodino Diagrama de Blocos Entrada Atenuador Filtro Passa Baixo f c Misturador Filtro Passa Banda e Amplificador f IF Detector de envolvente / conversor rms f IF a f IF +f c Tubo de Raios Catódicos VCO Gerador de rampa 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 9 Mistura A gama de frequências do sinal a analisar não pode estar sobreposta à gama de frequências do oscilador local. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 10

6 Vários Andares de Mistura É difícil ter filtros passa-banda com pequenas larguras e frequências centrais muito altas. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 11 Filtro Passa-banda Se a única preocupação fosse a resolução então utilizava-se o filtro com a menor largura possível. No entanto a resolução afecta o tempo de varrimento pois o filtro requer tempo para carregar e descarregar. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 12

7 Filtro Passa-banda Analógico Tempo na banda do filtro: TPB. Largura do filtro: RBW. Tempo de varrimento: ST. Largura do varrimento: Span. Tempo de crescimento do filtro: RT. Constante de crescimento: k (2 a 3). RBW TPB ST Span k RT RBW Span ST k RBW 2 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 13 Filtro Passa-banda Digital Utilizado para resoluções baixas para melhorar a rapidez. É feito em incrementos de 600 Hz (por exemplo). 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 14

8 Filtro Passa-banda Digital RBW Improvement 100 Hz Hz Hz Hz Hz RES BW100 Hz ANALOGFILTER DIGITAL FILTER SPAN3 khz 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 15 Filtro Passa-Banda Em geral especifica-se se a largura a 3dB. Exemplo de duas sinusóides ides de frequência próxima e mesma amplitude. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 16

9 Filtro Passa-Banda Exemplo de duas sinusóides ides de frequência próxima e amplitudes diferentes. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 17 Filtro Passa-Banda Para especificar a selectividade usa-se se a relação entre as larguras de banda a 60dB e a 3dB. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 18

10 Detector Deve acompanhar as flutuações da envolvente mas não da portadora (IF). 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 19 Filtragem de VídeoV Filtro passa-baixo baixo. Minimiza os efeitos do ruído interno. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 20

11 Média de Varrimentos A diminuição do ruído pode ser feito digitalmente nos aparelhos mais modernos. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 21 Média de Varrimentos Cuidado quando o espectro varia de varrimento para varrimento. Exemplo de modulação FM. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 22

12 Modulação FM Residual do Oscilador Local Instabilidade do oscilador local é transferida para o resultado da mistura. Visível para baixas resoluções (largura do filtro passa banda). Analisadores de baixo custo: LB do oscilador de 1kHz. Analisadores de custo intermédio: LB do oscilador de 10Hz (estabilização e filtragem). Analisadores de custo elevado: LB do oscilador de 1Hz (esquemas de síntese s elaborados). 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 23 Ruído de Fase Oscilador local modulado em frequência ou fase por ruído. Visível quando o nível n do sinal é suficientemente alto quando comparado com o nível n de ruído do sistema. Quanto menor a resolução menor o ruído de fase (relação linear). 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 24

13 Ruído de Fase Expresso em db em relação à portadora (dbc). Às s vezes especificado a uma determinada distância, em frequência, da portadora. Limita a observação de sinais com amplitude desigual. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 25 Exactidão da Amplitude Relativa Resposta em frequência: Depende da largura de banda. Fidelidade de representação: Amplificador logarítmico. Linearidade do detector. Circuito digitalizador. Atenuador IF mais preciso do que o de RF pois trabalha a uma sós frequência. Diferentes filtros têm diferentes perdas de inserção. Desadaptação de impedâncias. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 26

14 Exactidão da Amplitude Absoluta Tipicamente 0,2 a 1 db. Calibração utilizando um calibrador. Alguns analisadores incluem a possibilidade de auto-calibra calibração e correcção dos erros. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 27 Sensibilidade É a capacidade de visualizar sinais de pequena amplitude. O ruído interno gerado pelo próprio prio analisador limita os sinais que se podem observar. O ruído gerado é amplificado nas várias v etapas de amplificação. A primeira etapa é a mais importante. O atenuador de entrada, ao diminuir o sinal, reduz a relação sinal/ruído e portanto diminui a sensibilidade. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 28

15 Sensibilidade Determinação Pode ser determinado observando-se o nível de ruído sem sinal aplicado. Quanto menor a atenuação de entrada maior a sensibilidade. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 29 Sensibilidade Atenuação de Entrada Em analisadores mais antigos uma redução na atenuação de entrada (RF) diminui a amplitude do sinal representado mas mantém m o nível n de ruído. É efectuada uma mudança a do valor do nível de referência indicado. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 30

16 Sensibilidade Atenuação de Entrada Em analisadores mais modernos uma redução na atenuação de entrada (RF) é acompanhada de um aumento do ganho de IF. A amplitude do sinal representado mantém-se. O valor do ruído representado aumenta. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 31 A resolução escolhida também m afecta o nível n de ruído. Quanto maior a largura de banda do filtro maior o ruído que acaba por ser representado (10x corresponde a 10dB). Lembre-se que a primeira etapa de ganho encontra- se antes do filtro passa banda. Sensibilidade Resolução 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 32

17 Diminuindo a largura de banda de vídeo v permite distinguir sinais de pequena amplitude: Sensibilidade Filtragem de VídeoV O ruído é aleatório e portanto o desvio padrão diminui conforme se efectua a média. m O sinal é determinístico e portanto a sua média m mantém-se a mesma. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 33 Sensibilidade Melhores Condições Para obter melhor sensibilidade deve-se: Diminuir a atenuação de entrada. Diminuir a largura de banda de RF. Diminuir a largura de banda de vídeo. v Diminuir a largura de banda torna o ensaio mais demorado. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 34

18 Sensibilidade Factor de Ruído Outra forma de especificar a sensibilidade. Relaciona a relação sinal/ruído de entrada e a representada (saída). S F S i o N N NF 10log( F ) i o N N NF 10log( N ) 10log( N ) o o i i 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 35 Sensibilidade Medida do Factor de Ruído Coloca-se à entrada uma carga de 50. Calcula-se o ruído de entrada (ruído térmico). t Mede-se o nível n de ruído representado. Calcula-se esse valor reduzido a uma largura de banda de 1Hz. É independente da resolução escolhida. N i ktb T 25º C N i 174 dbm B 1Hz Exemplo : Medido N 110 dbm a 10kHz o Calculado N 150 dbm a 1Hz o Resultado NF dB 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 36

19 Medindo um sinal de Ruído Ruído aleatório é,, em geral, um sinal com uma distribuição de amplitude Gaussiana (ruído térmico). Em cada instante a tensão pode assumir qualquer valor. Uma medida da quantidade de ruído é o seu valor eficaz ou a sua potência ( ( ou 2 ). 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 37 Filtragem Passa-Banda A filtragem passa-banda do sinal à saído do misturador altera a distribuição de probabilidade da sua amplitude. Uma distribuição Gaussiana transforma-se se numa distribuição de Rayleigh. O seu valor MÉDIO é proporcional ao desvio padrão do ruído Gaussiano (1,253 ) ). 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 38

20 Escala Vertical Linear Escala preparada para indicar o valor eficaz de uma sinusoide. O valor apresentado no visor é calculado a a partir do valor de pico da sinusoide (detector de pico) multiplicando-o o por 0,707 (-3dB).( O valor médio m do ruído representado no visor é 0,886 (0,707 1,253 1,253 ). Corresponde a 1,05 abaixo de. É um erro constante que pode ser corrigido. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 39 Escala Vertical Logarítmica O ganho do amplificador logarítmico é função da amplitude do sinal. Deforma a distribuição de Rayleigh. O valor médio m diminui mais 1,45dB. No total o valor médio m do ruído representado é 2,5dB inferior ao valor real. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 40

21 Largura e Forma do Filtro Passa-Banda Banda. Também m afecta o sinal de ruído à entrada. Largura de banda do filtro. Forma da resposta em frequência. Define-se a Largura de Ruído Equivalente como a largura de um filtro rectangular que dád origem à mesma potência de ruído. Em geral 1,05 a 1,13 vezes a largura a -3dB (forma Gaussiana). Exemplo: 1,13 corresponde a uma largura 0,53dB maior. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 41 Resumo dos Erros O valor representado é aproximadamente 2dB inferior ao real: Distribuição de Rayleigh: -1,05dB. Amplificador logarítmico: -1,45dB. Largura de Banda Equivalente: +0,5dB. Alguns analisador permitem medir especificamente o nível n de ruído. Fazem a média m de várias v aquisições. Efectuam a correcção de 2dB referida. Representam o resultado referido a uma largura de banda de 1Hz. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 42

22 Gama Dinâmica Distorção do misturador de 2ª 2 e 3ª 3 ordem. Nível de ruído aditivo (sensibilidade). Ruído de fase (oscilador local). 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 43 Comparação entre as Técnicas T de Varrimento e FFT Compromisso entre: Exactidão. Velocidade. Gama dinâmica. Maior largura do filtro passa banda: Maior rapidez. Mais ruído. Menor gama dinâmica. Velocidades de varrimento mais rápidas: r Maior rapidez. Menor exactidão. Gama dinâmica pode ser aumentada à custa da rapidez: Filtros passa banda mais estreitos. 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 44

23 Comparação da Exactidão de Amplitude Maior na técnica t de varrimento: Todos os filtros estão centrados na mesma frequência. Menor na técnica t da FFT: Filtro passa banda muito largo leva a que o ganho não seja constante ( ( 0,25dB depois de correcção ão). 26 de julho de 2005 Analisador de Espectros 45