Comprender las especificaciones clave del analizador de espectro: DANL, ruido de fase, TOI y RBW

1. La especificación que costó dos semanas de depuración

Un equipo de diseño de RF pasó dos semanas tratando de medir la tercera armónica de un transmisor de 2.4 GHz a un nivel que su presupuesto de enlace predijo que debería ser aproximadamente -55 dBm. Su analizador de espectro no mostró nada más que ruido en la frecuencia esperada. El problema no era el transmisor. La especificación del nivel de ruido promedio mostrado por el analizador era de -145 dBm/Hz, lo que el equipo asumió que significaba que podían ver cualquier señal por encima de aproximadamente -145 dBm. No habían tenido en cuenta la atenuación de 10 dB del pad de entrada, la figura de ruido de 3 dB del preamplificador interno y el hecho de que la armónica caía más de 2 GHz por encima del rango de frecuencia óptimo del analizador donde la sensibilidad se degradaba en 6 dB adicionales. El piso de ruido real en la frecuencia de medición era aproximadamente -126 dBm, y la armónica de -55 dBm estaba 71 dB por encima de él y era perfectamente medible una vez que el equipo configuró correctamente el instrumento.

Las hojas de datos de los analizadores de espectro están repletas de especificaciones que interactúan de formas que no siempre son obvias. Entender lo que significa cada parámetro, cómo se relacionan entre sí y cómo la configuración de la medición afecta el rendimiento en el mundo real convierte una hoja de datos confusa en un predictor confiable de lo que el instrumento puede y no puede medir. Este artículo explica las cuatro especificaciones más importantes de los analizadores de espectro: DANL, ruido de fase, TOI y RBW.

2. Nivel de ruido promedio mostrado: El umbral de sensibilidad

El DANL, o nivel de ruido promedio mostrado, es el umbral de ruido interno del analizador de espectro expresado como potencia por unidad de ancho de banda, típicamente dBm/Hz. Define la señal más débil que el analizador puede detectar cuando no se aplica atenuación externa y el preamplificador está encendido si está disponible. Un analizador de espectro de gama media típico podría especificar un DANL de aproximadamente -155 dBm/Hz a 1 GHz, mientras que un instrumento de alto rendimiento alcanza -165 dBm/Hz o mejor.

La idea clave sobre el DANL es que se escala con el ancho de banda de resolución. La potencia de ruido que muestra el analizador es el ruido integrado a través del filtro RBW. Un RBW de 10 Hz integra 10 Hz de ancho de banda de ruido, mientras que un RBW de 1 kHz integra 1,000 Hz. La potencia de ruido aumenta en 10 dB por cada aumento de 10 veces en el RBW. Un analizador con un DANL de -155 dBm/Hz muestra un umbral de ruido de aproximadamente -145 dBm con un RBW de 10 Hz, -135 dBm con un RBW de 100 Hz y -125 dBm con un RBW de 1 kHz.

Esta dependencia del RBW significa que el DANL por sí solo no te dice qué señales puedes ver. También debes considerar el RBW que utilizarás para la medición. Un RBW estrecho reduce el umbral de ruido pero aumenta el tiempo de barrido. Un RBW ancho acelera el barrido pero aumenta el umbral de ruido. La compensación entre sensibilidad y velocidad es fundamental para el funcionamiento del analizador de espectro y no es algo que ningún algoritmo de DSP pueda eliminar.

3. Factores externos que elevan el nivel de ruido

Varios factores más allá del DANL interno del analizador determinan el nivel de ruido en el mundo real. La atenuación de entrada es la más común. Cada 1 dB de atenuación de entrada eleva el nivel de ruido en 1 dB porque el atenuador reduce la señal antes del primer amplificador, mientras que el propio ruido del amplificador permanece constante. Un analizador con DANL de -155 dBm/Hz y 20 dB de atenuación de entrada tiene un nivel de ruido efectivo de -135 dBm/Hz. Muchos ingenieros dejan la atenuación predeterminada de 10 dB o 20 dB sin darse cuenta de la penalización en sensibilidad.

El preamplificador, cuando está disponible, mejora el DANL al reducir la figura de ruido del sistema. Un preamplificador con 20 dB de ganancia y una figura de ruido de 5 dB puede mejorar el DANL del sistema en aproximadamente 10 a 15 dB, dependiendo de la figura de ruido nativa del analizador. La compensación es una reducción del rango dinámico porque el preamplificador también amplifica las señales fuertes que pueden comprimir el mezclador o generar respuestas espurias. La mayoría de los analizadores de espectro cambian automáticamente el preamplificador encendido y apagado en función de la configuración del nivel de referencia, pero el ingeniero debe entender lo que está haciendo el instrumento y cuándo anular la selección automática.

La frecuencia también afecta al DANL. Cada analizador de espectro tiene un rango de frecuencia en el que se especifica su sensibilidad y, por lo general, un rango más amplio en el que opera con sensibilidad degradada. El DANL a 6 GHz puede ser de 3 a 6 dB peor que a 1 GHz. Por encima de aproximadamente 7 GHz a 10 GHz, muchos analizadores cambian a la mezcla armónica, lo que degrade aún más la sensibilidad en 10 a 15 dB. Si las frecuencias de medición abarcan diferentes bandas, compruebe la especificación del DANL en cada banda, no solo el número principal.

4. Ruido de fase: Por qué importa un oscilador local limpio

El ruido de fase es la inestabilidad de frecuencia a corto plazo del oscilador local interno del analizador de espectro. Aparece como bandas laterales de ruido alrededor de cualquier señal mostrada y limita la capacidad del analizador para medir una señal débil cerca de una fuerte. La especificación se suele dar como dBc/Hz a un desplazamiento especificado del portador, siendo los desplazamientos comunes 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz y 1 MHz.

La tabla siguiente muestra las especificaciones típicas de ruido de fase en los diferentes niveles de instrumentos con un portador de 1 GHz y un desplazamiento de 10 kHz.

El ruido de fase es importante siempre que necesites medir una señal pequeña cerca de una grande. En una prueba de receptor, el propio ruido de fase del analizador puede enmascarar la figura de ruido del receptor si las bandas laterales de ruido de fase LO de la señal de prueba de entrada son mayores que el nivel real de ruido del receptor. En una medición de potencia del canal adyacente para una estación base celular, el ruido de fase del analizador debe ser al menos 10 dB mejor que la especificación de ACPR que se está midiendo. De lo contrario, el analizador contribuye con más ruido que el dispositivo bajo prueba, y la medición informa la limitación del analizador en lugar del rendimiento del transmisor.

5. Punto de intercepción de tercer orden: El techo de distorsión

TOI, o punto de intercepción de tercer orden, cuantifica la linealidad del analizador. Cuando dos tonos cercanos entran en un dispositivo no lineal, generan productos de intermodulación de tercer orden a frecuencias de 2f1 menos f2 y 2f2 menos f1. En un analizador de espectro, estos productos IM3 provienen del mezclador y del amplificador de entrada. TOI es el nivel de potencia extrapolado en el que los productos de tercer orden serían iguales a los tonos fundamentales, aunque los instrumentos reales se comprimen mucho antes de alcanzar ese punto.

Para un analizador de espectro típico, TOI se especifica en aproximadamente +10 dBm a +20 dBm para el mezclador de entrada. Esto significa que con dos tonos a -20 dBm cada uno, los productos IM3 aparecen aproximadamente 60 dB por debajo de los tonos para un instrumento TOI de +10 dBm. Aumente los tonos a -10 dBm, y los productos IM3 se elevan a solo 40 dB por debajo.

El efecto práctico de TOI es un límite superior de rango dinámico. DANL define el límite inferior de lo que el analizador puede medir, y TOI define el límite superior antes de que el analizador genere sus propias señales que pueden confundirse con señales reales. El rango dinámico entre DANL y TOI, cuando ambos se normalizan a la misma anchura de banda, es típicamente de aproximadamente 80 a 95 dB para un analizador de calidad. Cuando ve señales inesperadas en la pantalla que no cambian cuando desconecta la entrada, es probable que esté viendo productos de intermodulación generados internamente por señales que sobrecargan el mezclador.

6. Ancho de banda de resolución: El filtro de selectividad

El RBW es el ancho de banda del filtro de frecuencia intermedia final en un analizador de barrido o el ancho de banda de ruido equivalente del bin de la FFT en un analizador de tiempo real. Determina la capacidad del analizador para separar dos señales muy cercanas. Dos tonos CW separados por 10 kHz se resuelven como dos picos distintos solo si el RBW es sustancialmente más estrecho que 10 kHz, típicamente 3 kHz o menos para una separación clara.

La selectividad, o factor de forma, del filtro RBW determina qué tan bruscamente se atenúa. Se especifica como la relación entre el ancho de banda de 60 dB del filtro y su ancho de banda de 3 dB. Un factor de forma de 5:1 significa que el filtro es cinco veces más ancho a 60 dB de atenuación que a 3 dB de atenuación. Los filtros digitales de frecuencia intermedia logran factores de forma de aproximadamente 4:1 a 5:1, mientras que los filtros analógicos de instrumentos más antiguos estaban más cerca de 15:1. Un mejor factor de forma significa que el analizador puede separar señales que están más cerca tanto en frecuencia como en amplitud.

La relación entre el RBW, el tiempo de barrido y el rango está gobernada por la ecuación de barrido. Para un rango y un RBW dados, el tiempo de barrido mínimo es proporcional al rango dividido por el cuadrado del RBW. Reducir el RBW por un factor de 10 aumenta el tiempo de barrido requerido por un factor de 100. Esta es la razón por la cual los analizadores de tiempo real con un ancho de banda instantáneo amplio y procesamiento de FFT pueden ser significativamente más rápidos para mediciones de rango amplio: procesan todo el rango en paralelo en lugar de barrerlo secuencialmente.

7. Cómo interactúan las especificaciones en la práctica

Ninguna especificación individual determina la idoneidad de un analizador para una medición. Los cuatro parámetros descritos aquí interactúan, y el factor limitante depende de la medición específica. La siguiente tabla ilustra esta interacción para tres escenarios de medición comunes.

Hace un tiempo, un ingeniero de pruebas RF de una fábrica de contratación en Vietnam estaba evaluando analizadores de espectro para la prueba de una línea de producción de módulos de la banda ISM de 5.8 GHz. Su especificación del producto requiriera medir las emisiones espurias a -50 dBm mientras estaba presente una portadora de +20 dBm en el canal adyacente. Dongguan Chenyi Electronics guió al ingeniero a través del cálculo: el analizador necesitaba un ruido de fase mejor que -110 dBc/Hz en el espaciamiento de canal para mantener las bandas laterales de ruido de la LO de la portadora de +20 dBm por debajo del umbral de medición de -50 dBm. Varios analizadores con DANL adecuado no cumplieron con este requisito porque su ruido de fase era insuficiente. El instrumento recomendado cumplió con ambas especificaciones, y la línea de producción logró una mejora en el rendimiento de primer paso de aproximadamente el 4% porque las mediciones ahora estaban limitadas por el producto en lugar de por el equipo de prueba.

8. Leer una hoja de datos con ojo crítico

Los fabricantes presentan las especificaciones de manera que favorezcan a sus instrumentos. El DANL se cita a menudo a 1 GHz con una atenuación de 0 dB y el preamplificador encendido, las condiciones más favorables. El ruido de fase puede citarse a una portadora de 1 GHz donde el rendimiento es óptimo, no a 6 GHz o 20 GHz donde se degrade. El TOI se cita típicamente en la entrada del mezclador con la atenuación mínima, no en todo el camino del señal incluyendo el preamplificador.

Al comparar instrumentos, normalice las especificaciones a un conjunto común de condiciones. ¿Cuál es el DANL a su frecuencia de medición con 10 dB de atenuación de entrada? ¿Cuál es el ruido de fase a un desplazamiento de 100 kHz en lugar de 10 kHz si la separación de canales adyacentes es de 200 kHz? ¿Cuál es el TOI con el preamplificador activado si sus mediciones requieren el preamplificador para la sensibilidad? Las respuestas a estas preguntas, no los números destacados en la primera página de la hoja de datos, determinan si el instrumento funcionará para su aplicación.

En Dongguan Chenyi Electronics, mantenemos una base de datos de comparación que normaliza las especificaciones de los instrumentos que comercializamos, para que los clientes puedan ver un rendimiento comparable en sus condiciones de medición específicas. Este enfoque ha evitado que los compradores compren instrumentos que parecían buenos en la hoja de datos pero que no podían realizar la medición requerida en la práctica.

Otro ejemplo proviene de una escuela de ingeniería que compró analizadores de espectro para un laboratorio de diseño de RF de último año. Los instrumentos se seleccionaron en función del rango de frecuencia y la DANL, pero el ruido de fase con un desplazamiento de 10 kHz era aproximadamente -88 dBc/Hz. Cuando los estudiantes intentaron medir el ruido de fase de sus diseños de PLL, que tenían especificaciones objetivo de aproximadamente -95 dBc/Hz con un desplazamiento de 10 kHz, el propio ruido de fase del analizador dominó la medición. El laboratorio reemplazó dos de los instrumentos por unidades que ofrecían un ruido de fase de aproximadamente -105 dBc/Hz, adquiridas a través de Chenyi Electronics, y las unidades más antiguas restantes se reasignaron a los laboratorios de medición de armónicos y potencia donde el ruido de fase no era crítico.

9. Preguntas Frecuentes

9.1 ¿Cómo sé si el nivel de ruido de mi analizador está limitando mi medición?

Desconecte la señal de entrada y observe el nivel de ruido mostrado con la configuración de medición planeada. Si el nivel de ruido está dentro de 10 dB del nivel de señal que necesita medir, el analizador está contribuyendo con una incertidumbre significativa. Para una medición confiable, la señal debe estar al menos 10 dB por encima del nivel de ruido, e idealmente 20 dB o más. Si el margen es insuficiente, reduzca la RBW en un factor de 10 para una mejora de aproximadamente 10 dB en el nivel de ruido, utilice el preamplificador si está disponible y minimice la atenuación de entrada.

9.2 ¿Qué especificación es la más importante para las pruebas previas de cumplimiento de EMI?

El DANL es la especificación crítica para las pruebas de EMI porque se buscan emisiones de bajo nivel en amplios rangos de frecuencia. Un DANL de aproximadamente -155 dBm/Hz o mejor a 1 GHz, combinado con la capacidad de operar con RBWs estrechas de hasta 10 Hz o menos, proporciona la sensibilidad necesaria para detectar emisiones en los límites regulatorios típicos. El ruido de fase es importante para la medición precisa de la amplitud de emisiones de banda estrecha, y el ancho de banda en tiempo real determina su capacidad para capturar emisiones intermitentes.

9.3 ¿Puedo mejorar el ruido de fase de mi analizador con filtrado externo?

No se puede mejorar el ruido de fase del LO propio del analizador, pero se puede filtrar la señal de entrada para reducir la amplitud de la portadora fuerte que genera las bandas laterales de ruido de fase que se están combatendo. Un filtro notch en la frecuencia de la portadora, colocado antes de la entrada del analizador, reduce la potencia de la portadora de 20 a 40 dB y reduce en la misma cantidad las bandas laterales de ruido de fase. Esta técnica es estándar para mediciones de dos tonos y canales adyacentes donde una señal es mucho más fuerte que la otra.

9.4 ¿Por qué los analizadores en tiempo real tienen un DANL más alto que los analizadores de barrido?

El ADC de ancho de banda ancho en un analizador en tiempo real digitaliza todo el ancho de banda en tiempo real simultáneamente, por lo que el ruido de cuantización se distribuye en todo ese ancho de banda completo. Un analizador de barrido digitaliza solo el estrecho ancho de banda RBW después del filtrado, por lo que el ruido por unidad de ancho de banda es menor. Esta es la compensación fundamental entre el procesamiento sin brechas en tiempo real y la sensibilidad en banda estrecha de barrido. Para la mayoría de las aplicaciones, el DANL del RTSA sigue siendo adecuado, y la capacidad de ver señales transitorias compensa la diferencia en el nivel de ruido.