Les instruments présentés dans ce guide d'achat méritent plutôt le nom d'analyseurs de signaux RF. Sous cette appellation, nous retrouvons le classique analyseur de spectre dont le but est de donner à l'utilisateur une vision du signal dans le domaine fréquentiel. En faisant appel à des techniques de détection à bande étroite, il affiche un spectre, avec la puissance absolue ou relative en fonction de la fréquence.

Cette notion de représentation en fréquence est sous-tendue par la théorie de la transformation de Fourier. Au-delà de ces notions mathématiques, l'analyseur de spectre est au domaine fréquentiel ce que l'oscilloscope est au domaine temporel. Si l'oscilloscopie a grandement profité des techniques numériques, l'analyse spectrale a évolué de la même manière, tirant parti des technologies de traitement du signal numérique (DSP).Ainsi, des instruments de type vectoriel ou Vectorial signal analyzer ou VSA sont apparus, dotés de capacités de traitement du signal afin de restituer, en plus de l'amplitude, les composantes en phase et en quadrature de chaque fréquence contenue dans le signal.

La série MXA d'analyseurs de signaux d'Agilent Technologies couvre unegammedefréquences de 10 Hz à 26,5 GHz, permet plus de 25 types de mesures (CEM, bruit de phase, facteur de bruit, démodulation de formats cellulaires…) et assure la fonction RTSA (Real Time Spectrum Analyzer) qui permet de voir tous signaux connus et inconnus dans la bande d'analyse en temps réel.

Aujourd'hui ces appareils de mesure référencés à juste titre comme analyseur de signaux réunissent les fonctions d'un analyseur de spectre et d'un analyseur de signaux vectoriel.

L'omniprésence des ondes radiofréquences, stimulée par la multiplicité des systèmes de communications sans fil, génère de sérieux problèmes d'interférences, ayant parfois des effets directs sur notre vie quotidienne. L'analyseur de spectre est l'outil idéal pour le diagnostic et la résolution de ces problèmes. Pour concevoir, développer et tester une application en ce domaine, il est impératif de pouvoir accéder aux caractéristiques précises des signaux transmis afin de vérifier leur conformité à des normes de plus en plus complexes. Les architectures ont évolué en conséquence mais également l'ergonomie de ces instruments pour répondre aux diverses exigences des utilisateurs. Qu'il s'agisse des appareils portables pour les tests en production et la maintenance ou des analyseurs haut de gamme pour les laboratoires de recherche et développement, ils ont tous gagné en performance de mesures mais aussi en qualité d'affichage comme en facilité d'utilisation et en compacité. L'offreenso-lutions modulaires, avec la domination du PXI, a littéralement explosé alliant souplesse et performances. Modernes jusqu'au «bout des doigts», les analyseurs de signaux ont adopté des écrans plats couleurs, de plus en plus souvent tactiles.

L'analyseur de signaux vectoriel modulaire PXIe-5665 de National Instruments est présenté dans un châssis avec affichage des courbes sur un écran LCD. Il dispose de nombreux outils d'analyse et de démodulation numérique.

Analyser des signaux toujours plus complexes

Le tableau qui accompagne cet article ne comprend qu'un aperçu des principales familles d'analyseurs de signaux ainsi que certaines de leurs caractéristiques. Il est donc loin d'être exhaustif, tant en termes de sociétés que de produits, et chaque appareil nécessiterait plusieurs colonnes de spécifications pour être décrit à sa juste valeur. L'offre en ce domaine est très riche aussi bien en quantité qu'en qualité. Ce tableau n'a d'autres prétentions que de suggérer la richesse de cette offre.

Un analyseur de spectre sert avant tout à vérifier qu'un émetteur génère le spectre de puissance désiré. Il peut également mesurer la présence éventuelle d'harmoniques ou de signaux transitoires qui sont responsables d'une distorsion du signal. Lorsqu'il s'agit de tester un émetteur ou un amplificateur transmettant des signaux modulés numériquement, un modèle de type vectoriel s'impose car il a notamment la capacité de démoduler le signal. Il en découle la possibilité de mesurer la distorsion produite par les équipements sous test sur le signal modulé.

Il y a encore quelques années, les analyseurs de spectre étaient face à la mesure de signaux répétitifs et stables dans le temps. Les bandes de transmission étaient peu encombrées, donc avec peu d'interférences et sans risques de chevauchement. Les contrôles portaient essentiellement sur des mesures de bruit, de puissance et de largeur spectrale d'émission. Aujourd'hui, les signaux de radiocommunications sont de plus en plus complexes et les standards de télécommunications imposent des spécifications de mesure très contraignantes. La puissance transmise est répartie sur toute la largeur du canal qui se trouve occupé à 100% du temps.Avec les standards telsWi-Fi, GSM, 3G,WiMax et autres LTE, les bandes de fréquences sont extrêmement encombrées jusqu'à 6GHz. En tout premier lieu, un critère essentiel est la bande de fréquence couverte par l'appareil. Les modèles assurant 3 GHz, 6GHz et jusqu'à 10 GHz sont nombreux car ils visent les applications de télécommunication filaires et sans fil.Audessus des 10GHz, les appareils ciblent des systèmes hyperfréquences et sont indispensables pour les applications de type satellite ou radar.

L'analyseur de signaux FSW de Rohde & Schwarz, 2 Hz à 67 GHz, propose une bande passante de démodulation numérique atteignant 500 MHz, ainsi que de nombreux outils haut de gamme pour l'analyse et la démodulation.

En outre, la «cerise sur le gâteau» est que la valeur de certaines fréquences porteuses évolue en fonction du temps. Les risques d'interférences et de collisions entre les données sont donc majeurs. Résultat: les analyseurs doivent impérativement être capables d'enregistrer un spectre en fonction du temps pour permettre de traiter des signaux aussi complexes ainsi que la masse d'informations transportées. De nombreuses autres caractéristiques, comme la phase entre autres, doivent être prises en compte pour vérifier la qualité de la transmission.

Du balayage classique…

Le principe d'un analyseur de spectre repose sur un détecteur placé derrière un filtre passe-bande à fréquence centrale glissante. Avoir plusieurs filtres suffisamment sélectifs et accordables sur toute la gamme de fréquence désirée est impossible. La solution réaliste consiste à utiliser un filtre à fréquence centrale fixe; celle-ci étant obtenue par interaction du signal d'entrée avec un oscillateur local est appelée fréquence intermédiaire (FI). En faisant varier la valeur de FI, via la base de temps de l'analyseur, il est possible d'effectuer un balayage de la bande de fréquence. Cette architecture de l'analyseur de spectre à balayage classique relève du principe du récepteur hétérodyne. La finesse d'analyse est déterminée par la largeur de bande du filtre FI et par le traitement qui est effectué. Pour la transposition, le signal subits de multiples opérations de préamplification, amplification, décalage, multiplication, filtrage… Pour obtenir un bon niveau de plancher de bruit, chaque élément de cette chaîne doit être le moins perturbateur possible; avec un soin particulier porté aux circuits d'entrée et aux composants de transformation du signal.

Un des nombreux défis auxquels doit répondre un analyseur de spectre est de pouvoir capter aussi bien un signal fort qu'un signal faible.

Tous les analyseurs de signaux restent fidèles à ce principe d'origine, mais de nombreuses améliorations ont permis de gagner en performances pour répondre aux besoins des industriels confrontés à la complexité des applications actuelles. Un premier acquis concerne la précision et la stabilité accrues des oscillateurs grâce à la synthèse de fré-quence.L'autre phénomène qui a bouleversé ce domaine est l'avènement du traitement numérique intervenant souvent directement au niveau du signal en fréquence intermé-diaire.Ainsi, il devient possible de réaliser en numérique les opérations de filtrage (les filtres analogiques sont limités en sélectivité et en largeur) et d'effectuer ensuite le stockage des points acquis et tous les traitements numériques de type DSP comme la transformée de Fourier.

Dans sa version classique l'analyseur de spectre extrait les différentes fréquences contenues dans un signal et affiche leurs amplitudes respectives. Avec les instruments actuels, il est possible de visualiser les signaux simultanément dans plusieurs domaines ; tout dépend des détecteurs placés derrière la mémoire d'acquisition. De plus, en bénéficiant des technologies de processeurs, mémoires, FPGA et autresAsic, les informations en temps, fréquence et phase sont accessibles. Chaque pixel d'un affichage renferme en fait plusieurs caractéristiques de l'échantillon traité.

…à l'analyse en «temps réel »

Tous ces atouts en acquisition, conversion et traitement conduisent à l'analyse en «temps réel». Il devient possible d'acquérir toute la bande passante en une fois, évitant ainsi de balayer chaque fréquence pour le traitement des données. Plus précisément, avec un analyseur classique, l'affichage d'un spectre complet représente la compilation de nombreuses acquisitions étroites effectuées séquentiellement. La durée requise est d'autant plus longue que les filtres sont sélectifs. Deux conséquences: une mesure avec une résolution élevée dans le domaine des fréquences prendra beaucoup de temps et la capture d'événements sporadiques est quasi impossible. L'analyse dite «temps réel» pallie ces inconvénients. Conceptuellement, elle fait appel à une multitude de filtres sélectifs adjacents suivis de détecteurs connectés en parallèle, et réalisant chacun l'analyse à une fréquence déterminée. Concrètement, le filtrage en parallèle est exécuté par calcul numérique au moyen d'une transformée de Fourier rapide (FFT) ou discrète (DFT). Pour capter des signaux sporadiques, certains analyseurs affichent le spectre des fréquences à partir des données capturées dans le domaine temporel et peuvent ainsi réaliser un déclenchement temporel pour une fréquence d'entrée définie.Tous les grands acteurs du domaine proposent des solutions faisant appel aux avancées numériques et logicielles pour réaliser de véritables joyaux technologiques. Ainsi,Tektronix présente la série RSA5100B qui, entre autres qualités de filtrage de présélection et de possibilités de déclenchement, offre la possibilité d'afficher un balayage fréquentiel sur le spectre de persistance (Swept DPX) pour une meilleure détection des signaux parasites. Rohde & Schwarz réunit dans son FSVR un analyseur traditionnel de spectre et des signaux et un analyseur de spectre temps réel. Son modèle FSW se distingue par l'excellence de ses performances. Leader de l'instrumentation modulaire PXI, National Instruments propose un catalogue d'analyseurs de signal temps réel, remarquables par leurs performances et leur souplesse d'adaptation aux besoins évolutifs de l'utilisateur, une qualité intrinsèquement liée à l'architecture modulaire et à l'emploi de FPGA (FlexRIO). Anritsu renforce sa gamme de modèles portables avec des appareils (MS2720T) atteignant 43GHz de bande passante, utilisables à partir de 0 Hz et pouvant tirer parti de l'application logicielle Burst Detect pour localiser les signaux étroits. AgilentTechnologies se distingue par un riche catalogue de modèles couvrant toutes les gammes de performances, en version instruments de table aussi bien que portables (la série FieldFox). Cette société propose également le logiciel VSA 89600 possédant de puissantes possibilités d'analyse en temps réel pour des affichages hautement personnalisables en persistance numérique et sous forme cumulative. Enfin, l'offre d'Aeroflex est remarquable par la fiabilité de ses performances aussi bien pour ses appareils de table (notamment le SVA) que pour ses solutions modulaires qu'ils ont particulièrement enrichies ces dernières années.

Le module PXI 3070A (analyseur de signaux) d'Aeroflex couvre une large bande de fréquence jusqu'à 13 GHz et affiche un faible bruit de phase et un niveau de précision de 0,5 dB typique. Il assure l'analyse spectrale et l'analyse de signaux vectorielle.

Les boîtiers radio logicielle USRP de National Instruments sont de plus en plus souvent utilisés comme analyseurs RF très économiques possédant les performances suffisantes pour le prototypage des systèmes de communications de nouvelle génération.

Etudier la dynamique de mesure

La dynamique de mesure d'un analyseur est conditionnée par deux limites : d'une part, les diverses sources de bruit propres à l'appareil ; d'autre part, les niveaux les plus élevés applicables au mélangeur avant saturation (la limite haute sera le point de compression à 1 dB).

La première source d'erreurs est le bruit de phase des oscillateurs. Celui-ci est indiqué en dBc/Hz à un certain intervalle de fréquence de la porteuse. Les instruments actuels témoignent d'une maîtrise des oscillateurs qui leur permet de spécifier leur valeur de bruit de phase à 10kHz seulement de la porteuse, distance à laquelle la courbe caractéristique de cette grandeur atteint un plateau. Concernant le niveau de bruit moyen (ou DANL pour Displayed Average Noise Level ), la valeur affichée est fournie dans le cas le plus favorable, soit pour le filtre d'analyse le plus étroit. Signalons que les valeurs de bruit de phase et de niveau de bruit moyen, comme la plupart des autres spécifications, varient avec la fréquence.

La série d'analyseurs de signaux MS2720T d'Anritsu propose des modèles compacts, portables, de hautes performances et autonomes en énergie (9 kHz à 43 GHz). Outre de multiples fonctions comme l'analyse d'interférences et triangulation, wattmètre, localisation sur cartographie, ils sont dotés de la fonction Burst Detect pour l'analyse de signaux aléatoires de type impulsion.

Par ailleurs, les distorsions sont inévitables puisque l'analyseur de signaux comporte de nombreux éléments de circuits non linéaires.La distorsion harmonique du deuxième ordre n'est pas souvent gênante dans la pratique, car elle intervient loin des fréquences porteuses et ne perturbe donc que des mesures à très large bande. En revanche, l'intermodu-lation du troisième ordre est beaucoup plus perturbatrice, car elle est capable de troubler une mesure effectuée au voisinage des raies, qui l'a provoquée.Au lieu de chiffrer la distorsion d'intermodulation du troisième ordrepar le niveau des raies d'intermodulation (en dBc), associé au niveau des raies et qui l'a générée (en dBm), il est préférable d'utiliser une évaluation qui permet des comparaisons directes entre appareils et fabricants: le point d'interception du troisième ordre Third Order Intercept ou TOI. Il s'agit de la valeur (en dBm) du niveau des porteuses, à l'entrée du mélangeur, qui provoqueraient des raies d'intermodulation du troisième ordre de niveau identique (0dBc). Ce niveau, susceptible d'atteindre +20dBm, est en réalité une valeur fictive à laquelle il n'est pas question de fonctionner réellement, le point de compression à 1 dB sur le mélangeur étant largement dépassé.

L'analyseur de signaux RSA5100B de Tektronix (bande passante d'analyse temps réel de 165 MHz) permet l'analyse des signaux WLAN 802.11. La corrélation des affichages dans plusieurs domaines (temps, fréquence, phase, démodulation…) est possible sans compromis dans la bande d'analyse temps réel.

En plus de leurs ressources traditionnelles de démodulation analogique, les appareils actuels sont souvent dotés de deux voies de traitement en quadrature, et sont donc capables d'analyser les modulations vectorielles propres aux systèmes de télécommunications numériques modernes. Parmi les paramètres à considérer, considérons la bande passante de démodulation numérique (significative du débits en symboles/s que l'appareil est apte à démoduler).

Des données à vérifier sont également la fréquence d'échantillonnage du traitement numérique et la résolution (en bits) de la numérisation. Une caractéristique importante tant pour les possibilités de traitements numériques que pour le confort d'utilisation, est la quantité de mémoire embarquée. Cette considération rappelle que tous ces appareils tirent le meilleur parti des avancées des composants de type processeurs à un ou plusieurs cœurs, des DSP, de l'accroissement de la taille des mémoires embarquées et des circuits intégrés spécifiques ou programmables tels les Asic et FPGA.Autant d'atouts pour perfectionner leurs possibilités de traitement des signaux.