Exatidão de um analisador de espectro para medidas de nível
Analisadores de espectro são instrumentos essenciais para análise de sinais no domínio da frequência. O artigo apresenta alguns dos principais componentes de incerteza presentes nas medidas de nível ao utilizar um analisador de espectro do tipo super-heteródino.
Fabrício Gonçalves Torres e Tiago Lopes Santos, metrologistas do IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo
Um analisador de espectro permite a medição de sinais no domínio da frequência, com diversas aplicações na área de telecomunicações. Como exemplo, pode-se citar o uso de um analisador de espectro para medida de potência absoluta em alta frequência ou para avaliar a qualidade do sinal gerado por um transmissor de RF – radiofrequência por meio de medidas relativas, tais como nas de distorção harmônica.
Idealmente, em CW – continuous wave, o sinal gerado deve ser puramente senoidal, porém, na prática, isto não ocorre, já que o sinal transmitido é distorcido por conta das suas harmônicas. Com um analisador de espectro, a distorção harmônica de um gerador pode ser medida e avaliada, permitindo assegurar que seus valores estejam dentro dos limites especificados de acordo com a aplicação do transmissor. Níveis altos de distorção harmônica podem, além de prejudicar na recepção, interferir com outros dispositivos que utilizam outras faixas de frequência, por exemplo.
Para garantir a confiabilidade metrológica destas medidas, deve-se estimar a incerteza de medição para leituras absolutas e relativas dos níveis de potência e da frequência.
Características de um analisador de espectro
A figura 1 a seguir exemplifica a parte frontal de um analisador de espectro em que é possível visualizar a tela de medição no domínio da frequência e diversas funções do equipamento por meio de suas teclas.
Algumas das principais funções do analisador de espectro são:
- Nível: onde, geralmente, configura-se o tamanho da escala vertical, unidade (logarítmica ou linear), atenuador interno, nível de referência e tipo de acoplamento (AC ou DC);
- Frequência: permite configurar a frequência central na tela do equipamento;
- Span: utilizada para configurar o tamanho do eixo horizontal;
- Resolution bandwidth (RBW): configura-se o valor do filtro passa-faixa em que o sinal medido será submetido;
- Sweep: utilizado para configurar o tempo de varredura que, usualmente, é dependente do span e RBW.
Além das principais funções mencionadas, pode-se destacar a função Average, que permite reduzir o nível de ruído e o Marker, utilizado para medidas absolutas ou relativas diretamente pelo cursor presente na tela.
Embora os Analisadores de Espectro mais recentes sejam mais complexos e com diversos módulos digitalizados, muitos deles se baseiam no tipo super-heteródino, inventado no início do século XX. O diagrama de blocos deste circuito é apresentado na figura 2 a seguir.
Ao misturar dois sinais que entram no misturador (Mixer) (a frequência do oscilador local (fol) e a frequência do sinal de entrada (f0)), o circuito super-heteródino obtém na saída sinais resultantes da soma (fsoma) e subtração (fsub) entre estes dois sinais da sua entrada (equações 1 e 2).
fsoma = fol + f0 Equação 1
fsub = fol – f0 Equação 2
Em um receptor de rádio analógico com circuito super-heteródino, onde esta técnica foi inicialmente aplicada, a frequência do oscilador local é fixa e varia-se a frequência do filtro de entrada para obter a frequência f0 desejada. Na saída do misturador, o produto passa através de um filtro passa-faixa, que possui uma frequência já pré-determinada (frequência intermediária, ou FI).
Já no analisador de espectro, a diferença em relação ao receptor de rádio é que a frequência do oscilador local é variada por meio de um gerador de varredura. O comprimento desta varredura representa o eixo horizontal apresentado na tela do equipamento e pode ser configurado por meio da função span, enquanto o tempo de varredura pode ser configurado na função sweep do analisador. Na etapa de FI, a abertura do filtro passa-faixa é ajustada por meio da função RBW do analisador. Quanto menor o RBW mais estreito é o filtro, permitindo observar separadamente sinais de entrada a serem medidos que estejam próximos um do outro.
Componentes de incerteza presentes nas medidas de nível
Atualmente, há diversos modelos de analisadores de espectro, muitos deles com módulos digitalizados, permitindo o tratamento de sinais bastante personalizado. Além disso, encontra-se no mercado analisadores vetoriais que permitem demodular sinais de diversas tecnologias para análises.
Entretanto, entre uma grande parcela destes instrumentos, é possível identificar algumas similaridades, inclusive nas possíveis fontes de erros presentes nas medidas de nível absoluto ou relativo, embora estes erros possam variar significativamente entre diferentes modelos. Algumas dessas fontes de erros são apresentadas a seguir.
- Descasamento de impedância: nominalmente, a impedância interna de um Analisador de Espectro pode ser de 50 Ω ou 75 Ω, porém, esta impedância não é perfeita, acarretando reflexões do sinal. A incerteza devido ao descasamento pode ser estimada conhecendo-se o valor do coeficiente de reflexão do equipamento ao longo da faixa de frequência de operação.
- Fidelidade de escala: especificação usada para avaliação de sinais que estejam presentes na mesma tela, ou seja, um sinal com relação ao outro.
- Resposta em frequência (flatness): dentre as parcelas usadas para determinação da incerteza absoluta, o flatness é um dos seus maiores fatores. Essa característica pode ser apresentada delimitada por bandas (faixas de frequência) na forma absoluta ou relativa. A especificação de incerteza relativa de resposta em frequência é obtida pelo valor da média (soma dos valores absolutos) dos extremos de variação de amplitude encontrados em uma dada faixa de frequência.
- Mudança do atenuador de entrada: normalmente a especificação de amplitude se restringe ao uso de uma dada configuração de atenuador de entrada (10dB). A inclusão do valor de incerteza referente a esta característica ocorre, no momento que existirem medições que utilizem valores de atenuação de entrada diferentes.
- Mudança do RBW: devido às imperfeições dos filtros passa-faixa, a alteração em sua configuração inicial pode acarretar variações de nível.
- Calibrador interno: normalmente, os Analisadores de Espectro possuem uma saída de referência utilizada para assegurar as medidas de potência absoluta. Usualmente, esta referência possui 0 dBm e frequência de 50 MHz, porém, ela não é exata e, portanto, sua incerteza deve ser considerada nas medidas absolutas de nível.
- Ruído: o nível de ruído interno do Analisador de Espectro pode afetar, principalmente, medidas de baixa potência e, portanto, devem ser consideradas nestas condições.
É importante ressaltar que muitas das fontes de incerteza podem ser reduzidas a partir de algumas precauções. Geralmente, as medidas relativas possuem melhor exatidão, já que algumas fontes de incerteza podem ser eliminadas, tais como do calibrador interno, por exemplo.
Nas medidas relativas, recomenda-se que, no processo de medição, evite modificar as configurações iniciais desnecessariamente, tais como atenuador interno, filtros de RBW, span, entre outros. Nos casos em que as alterações sejam necessárias, é possível estimar a incerteza decorrente das variações por meio de calibrações ou testes de performance do equipamento.
