Cuando hablamos de instrumentos de medición, una duda muy recurrente es ¿qué es un analizador de espectro?, pero la definición de un analizador de espectro no es tan sencilla ya que ésta requiere de algunos conocimientos previos para poder entender qué hace y para qué sirve el analizador de espectro.

De manera rápida, podemos decir que un analizador de espectro es un voltímetro de frecuencias específicas calibrado para mostrar el valor RMS de ondas senoidales. Pero la verdad, esta definición llega a ser confusa, así que en esta nota desarrollaremos y trataremos de explicar los conceptos necesarios para comprender lo que es un Analizador de espectro.

Lo primero que debemos de saber es que existen dos formas de ver cualquier señal, una es en el dominio del tiempo con un osciloscopio y la otra es en el dominio de la frecuencia con un analizador de espectro o transformada de Fourier (FFT).

 

Sabías que… La mayoría de los analizadores de espectro se utilizan para realizar análisis espectral o mediciones de radiofrecuencia (RF)

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Dominio del Tiempo

Empecemos con lo primero, el dominio del tiempo. Para ello compartimos la siguiente infografía:

Las mediciones en el dominio del tiempo pueden ser muy útiles para entender el mundo físico. Normalmente estamos acostumbrados a realizar este tipo de mediciones, porque vivimos en el tiempo y nos interesa el presente, pasado y futuro.

Conocer el momento en el que suceden los eventos puede ser de vital importancia para que un diseño en electrónica funcione, sin embargo, los humanos no podemos ver muchas de estas variables y por eso hacemos uso de herramientas de apoyo como el osciloscopio. El osciloscopio nos da información del valor instantáneo de una señal en determinado tiempo, con ello podemos conocer el tiempo que tarda en subir (tiempo de subida) y bajar (tiempo de bajada) una señal, así como el tiempo que tarda en repetirse una señal.

Por ejemplo, si nosotros medimos con un osciloscopio el enchufe de la pared en México, vamos a ver que la onda senoidal tendrá una amplitud RMS de 127V aproximadamente y esta se repetirá de forma constante cada 16.667ms. Es decir, el periodo (T) de esta señal será de 16.667ms.

Esto es importante para aclarar que la frecuencia de esta señal se calcula como el inverso del periodo. Es decir, en la señal eléctrica de los enchufes en México tenemos una frecuencia de 60Hz, debido a la siguiente fórmula.

f = 1/T = 1/16.667ms = 60Hz

Es decir, esta señal se repetirá 60 veces en un segundo. Como podemos ver, podemos describir esta señal con una amplitud de 127Vrms y 60Hz. ¡Esta sería la forma de describir esta señal en el dominio de la frecuencia!

Dominio de la frecuencia

Con el ejemplo anterior, pudimos ver la relación que existe entre el dominio del tiempo y el dominio de la frecuencia, pero ahora explicaremos más a fondo en qué consiste el dominio de la frecuencia y  ¿por qué los analizadores de espectro muestran la información en este dominio?

Vayamos a una referencia de uno de los mayores genios que han existido y es Jean-Baptiste Joseph Fourier, físico y matemático francés que descubrió uno de los mayores secretos del universo.

Todas las formas de onda, son en realidad una suma de señales senoidales con diferentes frecuencias, amplitudes y fases.

Tomando en cuenta este principio, existe la transformada de Fourier, un proceso por el cuál las señales en el dominio del tiempo son descompuestas en sus componentes senoidales. Existe la transformada rápida de Fourier o FFT que de igual forma nos muestra los componentes espectrales de una señal.

Cualquier forma de onda en el dominio del tiempo puede ser transformada y representada en el dominio de la frecuencia. Cuando nosotros vemos los componentes senoidales de una señal, podemos ver las señales que conforman esta señal.

Ahora bien, para entender mejor este concepto, veamos el ejemplo donde tenemos 2 señales senoidales, una es de 10MHz y la otra es de 20MHz, como podemos observar:

¿Qué pasa si sumamos estas dos señales senoidales? El resultado será una señal con una frecuencia fundamental de 10MHz y un armónico de 20MHz. La forma de onda resultante de la suma de ambas señales se vería como la azul de abajo:

Como podemos ver, cambia bastante la forma de la señal, esto se conoce como el principio de superposición, podemos seguir agregando formas de onda senoidales y las formas de onda resultantes serán muy distintas, con esto podemos ver que en efecto, cualquier forma de onda se puede hacer sumando ondas senoidales. La frecuencia más baja es conocida como la frecuencia fundamental y la forma de onda de 20MHz se conoce como armónico. Podemos seguir sumando armónicos para formar distintas formas de onda.

Un ejemplo de esto son las ondas cuadradas, estas son resultado de la suma de armónicos nones (1, 3, 5, 7), es decir, tenemos una frecuencia fundamental de 10MHz y el siguiente armónico non es el 3, así que su frecuencia sería de 30MHz, de igual forma, el armónico 5 sería 50MHz y el resultado de la suma de estas señales senoidales lo podemos ver en la siguiente imagen:

La forma de onda cada vez se ve más «cuadrada», si sumáramos armónicos de manera infinita lograríamos una forma de onda cuadrada perfecta.

Pero, ¿qué pasa si vemos estas señales en un analizador de espectro? Hasta ahora hemos estado viendo las formas de onda en el dominio del tiempo, pero lo que queremos saber es cómo se verían estas señales en el dominio de la frecuencia. Si conectáramos la señal senoidal de 10MHz veríamos en la pantalla algo como lo siguiente:

Podemos observar que la pantalla grafica voltaje en el eje vertical, y en el horizontal muestra la frecuencia, así que podemos ver el valor de voltaje que tiene la onda senoidal en su frecuencia de 10MHz. Ahora bien, ¿qué pasa si colocamos la señal cuadrada anterior en el analizador de espectro?

Podemos darnos cuenta que aparecen tres «picos» que nos indican que esa forma de onda esta formada por 3 señales senoidales a distintas frecuencias y en cada frecuencia podemos ver el nivel de voltaje de cada armónico.

Al ver estas señales en el dominio de la frecuencia es fácil ver los componentes de una señal, así como la distribución de potencia de estas señales. El análisis donde sólo se analizan la amplitud y la frecuencia de los componentes senoidales sin tomar en cuenta la fase se conoce como análisis espectral.

Espectro electromagnético

Algo importante es definir ¿qué es un espectro?, aquí, hacemos referencia a un conjunto de ondas senoidales de distintas frecuencias que combinadas producen una forma de onda en el dominio del tiempo. Sin embargo, también podemos tomar en cuenta como espectro de frecuencias a un rango de frecuencias determinado.

Debido a que la mayoría de las aplicaciones donde se usa un analizador de espectro son las ondas de radiofrecuencia, es importante explicar brevemente un poco ¿qué es el espectro electromagnético?

La radiación electromagnética es un tipo de energía que se caracteriza por campos oscilatorios eléctricos y magnéticos sincronizados entre sí. Estas ondas son especiales debido a que pueden viajar en el vacío a la velocidad de la luz.

Dependiendo de su frecuencia, características físicas y aplicaciones, las ondas del espectro electromagnético son clasificadas. La luz visible tiene una frecuencia de 50THz a 500THz aproximadamente. Mientras que las señales de radio, la radiofrecuencia RF tienen unas frecuencias que van desde los 8.3KHz hasta los 300GHz.

En la siguiente imagen podemos ver todo el espectro magnético.

Dentro de la banda RF, existen otras subdivisiones dedicadas a aplicaciones específicas, como la banda ISM (industrial, science and medical band) que es usada para aplicaciones como Wi-Fi. Tambien existen bandas con regulaciones como la que utiliza la radio FM o en la que transmite la televisión y celulares.

En México el organismo encargado de regular el espectro electromagnético y las telecomunicaciones se llama IFT, Instituto Federal de Telecomunicaciones. En Estados Unidos el organismo encargado es el FCC, Federal Communications Commission.

Otro aspecto importante de la RF es la interferencia electromagnética o EMI. Los dispositivos que están diseñados para transmitir y recibir señales RF son «radiadores intencionales», como los celulares, los módems, los audífonos inalámbricos, etc. Sin embargo, hay otros dispositivos que no están diseñados para emitir ondas de RF pero emiten ondas que causan ruido.

Analizador de espectro

Ya que hemos visto los principios básicos necesarios para entender el instrumento, respondamos a la pregunta: ¿qué es un analizador de espectro?

El analizador de espectro es un equipo de medición que nos permite ver las señales en el dominio de la frecuencia, realizando un análisis de espectro en los componentes sinusoidales de la señal original. El análisis de espectro o análisis espectral, es el estudio de la amplitud o potencia de cada frecuencia que compone una señal sin considerar su fase.

En la siguiente infografía, te platicamos de manera breve sobre el analizador de espectro:

Escrito por Edgar Gastellou ingeniero de aplicaciones de AcMax de México. Última revisión 27 de febrero 2023.

Infografía por Salomón del Real CM de AcMax de México.

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