Principes et principales évolutions des analyseurs de spectre et de signaux RF

L’oscilloscope et le multimètre sont deux outils indispensables à tous tests électroniques. Avec l’a multiplication des technologies sans fil, l’analyseur de spectre devient tout aussi incontournable. Poussé par la complexité grandissante des systèmes de transmission radio, il a beaucoup évolué avec le temps. Les instruments traditionnels à balayage sont complétés par des appareils dotés de capacités de traitement numérique qui offrent de nouvelles possibilités d’analyse de signaux radiofréquences (RF). Ils donnent en effet accès, outre au domaine fréquentiel, à l’espace temporel et délivrent l’information sur la phase qui manquait.

  • Les analyseurs de spectre traditionnels affichent les différentes fréquences contenues dans un signal ainsi que leurs amplitudes respectives
  • Aujourd’hui les instruments numérisent les signaux qui peuvent ensuite être visualisés dans plusieurs domaines simultanément : temps, fréquences et phase.
  • Les procédés numériques offrent des capacités de traitement bien plus importantes mais la technologie à balayage, bien que plus lente, conserve encore une meilleure précision et une dynamique plus importante.

 

Ils sont partout. Invisibles mais omniprésents, ils ont envahi notre environnement. Les signaux radiofréquences nous entourent de toutes parts. Ils se sont multipliés avec l’avènement des technologies sans fil dans de nombreux secteurs grand public ou industriel : télécommunication, radiodiffusion, internet des objets (IoT), réseaux, communication Machine-to-Machine, informatique mobile… sans oublier les dispositifs de transmission satellite, les communications militaires, les applications radars…

Mesures dans le domaine fréquentiel
Tous ces signaux doivent être créés mais aussi contrôlés, mesurés, analysés… C’est le rôle des analyseurs de spectre, instruments qui, dans leur version traditionnelle, sont entièrement consacrés à la mesure dans le domaine fréquentiel. Selon le type d’applications visées, ces appareils couvrent une plus ou moins large bande de fréquences. L’essentiel des applications réclament des bandes de fréquences allant jusqu’à 3 à 10 GHz (télécoms, produits grand public, etc.). Mais on peut avoir besoin de monter à 26,5 GHz voire davantage pour capturer les harmoniques. Le plus gros marché se situe autour des bandes de fréquences radiocoms soit 3 et 6 GHz voire 9 GHz. Au-delà, ce sont des applications spécifiques comme par exemple de tests des liaisons point à point, de radar ou encore de systèmes de communication satellite ou de télécommunication sans fil (notamment les futures évolutions du Wi-Fi et la 5G) ou de surveillance électronique qui exigent des fréquences bien supérieures. Ainsi les instruments les plus performants couvrent des bandes de fréquences atteignant quelques dizaines jusqu’à une centaine de GHz.

Principe de la conversion hétérodyne
Quelle que soit la bande de fréquences couverte par l’appareil, les analyseurs de spectres reposent sur le même principe hétérodyne avec plus ou moins de sophistications selon les caractéristiques et les performances de l’appareil. Le signal d’entrée, après mise à niveau (atténuation ou préamplification), interagit avec un oscillateur local qui le transpose dans une fréquence dite fréquence intermédiaire (FI). En choisissant une valeur FI fixe (définie par le centre d’un filtre passe bande) et en faisant varier la fréquence de l’oscillateur local, l’instrument balaie l’ensemble de la plage de fréquences spécifiées par l’utilisateur (et par les limites de l’appareil). La finesse d’analyse est déterminée par la largeur de bande du filtre FI et par le traitement qui est effectué. Le principe théorique est simple. Mais dans la pratique la transposition s’effectue en plusieurs passes en fonction de la gamme de fréquences et de certains autres paramètres dont il faut tenir compte. Le signal subit une multitude d’opérations de préamplification, amplification, décalage, multiplication, filtrage… Lorsque l’on mélange le signal on crée des raies images, il faut savoir où elles se situent pour les éliminer par filtrage.

Qualité des mesures et niveau de bruit
Mais tout cela est invisible pour l’utilisateur qui n’a pas à se poser de question. Le traitement initial est automatiquement choisi en fonction des spécificités du signal d’entrée. Pour obtenir un bon niveau de plancher de bruit, chaque élément de la chaîne doit être le moins perturbateur possible. Un soin particulier doit être porté aux circuits d’entrée et aux composants de la chaîne de transformation du signal. Les décibels sont durs à gagner. La qualité des mesures et le niveau de bruit dépend en grande partie des caractéristiques de l’étage d’entrée radiofréquences (présélecteur, préamplificateur, oscillateur local, etc.). Un des nombreux défis d’un analyseur de spectre est de pouvoir capter et analyser aussi bien un signal fort qu’un signal faible. Il faut donc se méfier de certains appareils d’entrée de gamme qui pourraient être perturbés par un signal fort au point de ne plus avoir la capacité de mesurer le signal faible.

Balayage d’une plage de fréquence
Pour relever le spectre du signal mesuré, un analyseur traditionnel balaie une plage de fréquence spécifié par l’utilisateur via un filtre de résolution qui se déplace entre une fréquence F1 et F2. Ce qui prend un certain temps qui dépend de la largeur du filtre et la largeur de la bande de fréquence balayée. Plus la largeur du filtre est étroite et la largeur de la bande de fréquences est importante plus l’opération sera longue. Cela peut se compter en dizaines de secondes mais cela peut descendre à 1 ms avec les filtres les plus larges. Le processus classique consiste à opter pour un large filtre pour un premier balayage et d’affiner le réglage en optimisant la taille du filtre à la plage de fréquences pour la recherche d’interférences ou l’analyse détaillée du signal. Avec le filtre le plus large, il est possible de balayer une plage de plusieurs dizaines de GHz en quelques secondes. La largeur du filtre et la plage de balayage sont couplés automatiquement mais ils peuvent être découplés pour ajuster l’appareil en fonction de la raie spectrale ou des détails que l’on cherche à visualiser.

Les signaux radiocom et radar toujours plus complexes
Les analyseurs de spectre traditionnels se prêtent bien à la mesure de signaux répétitifs et stables dans le temps. Mais les signaux de radiocommunications sont de plus en plus complexes et les nouveaux standards télécoms sont de plus en plus exigeants en termes de spécifications de mesures. Les bandes de fréquences s’élargissent. La puissance transmise est répartie sur toute la largeur du canal de communication qui est occupé 100% du temps. En ce qui concerne la télédiffusion, les distorsions d’images qui étaient tolérées autrefois ne le sont plus. Aujourd’hui une erreur de phase peut entrainer un écran noir alors qu’auparavant cela altérait simplement l’affichage de l’image à l’écran.

L’exemple de la télévision est vrai partout. Dans le domaine des radars, les solutions n’ont rien à voir avec ce qui se faisait il y a trente ans. Dans le secteur des télécommunications mobiles, les technologies GSM sont bien moins complexes que la 3G, 4G et la future 5G dont les premiers déploiement sont prévus pour 2020. Il y a un monde entre les signaux GSM et la 5G. Les bandes des fréquences sont bien plus encombrées et les interférences plus nombreuses. Les utilisateurs ont donc besoin de voir bien plus loin et de comprendre bien plus en détail ce qu’il y a dans le signal. La bande de fréquences jusqu’à 6 GHz est très occupés par de nombreux standard de communication (Wi-Fi, GSM, 3G, WiMax… ). Ces derniers mettent en œuvre des signaux vivants dont les fréquences porteuses peuvent pour certains changer en fonction du temps. Les risques d’interférences et de collisions entre les données sont donc plus importants.

Analyse de spectre en fonction du temps
Auparavant on cherchait à visualiser des signaux figés dans le temps. Il y avait de la place sur la bande de transmission, pas de chevauchement et peu d’interférences. L’essentiel des contrôles consistait à des simples mesures de bruit, de puissance ou encore de largeur spectrale d’émission. Les procédés de modulation autorisant la transmission de signaux numériques sur une porteuse sont aujourd’hui abondamment utilisés dans le domaine des faisceaux hertziens et téléphonie cellulaire. Il faut donc disposer d’instruments capables d’enregistrer un spectre en fonction du temps pour capturer et traiter de tels signaux de communication. Pour faire face à la complexité croissante des signaux et à la masse des informations transportées, d’autres facteurs doivent être pris en compte pour vérifier la qualité de transmission.

Analyseurs de signaux vectoriels
Ce sont donc les applications qui poussent à l’amélioration des performances des appareils. Les signaux étant plus complexes, l’analyseur de spectre traditionnel ne suffit plus à répondre aux besoins des industriels et il a donc dû évoluer en conséquence. Au côté de ces instruments ont donc vu le jour des appareils aux fonctionnalités plus appropriées. Ce sont les analyseurs de signaux vectoriels appelés aussi VSA (pour Vector Signal Analyser). Comme leurs homologues traditionnels, ils sont à même de fournir le spectre d’un signal mais par un procédé de numérisation des signaux. Du coup, il est possible d’enregistrer les points acquis, d’effectuer outre la transformée de Fourier rapide (FFT pour Fast Fourier Transform) toutes sortes de traitements numériques. Ce type d’analyseurs capte et numérise le signal d’entrée. S’il s’agit d’un signal modulé numériquement, il est ensuite possible de le démoduler ce qui n’était pas possible avec un analyseur de spectre classique. On pouvait se rendre compte qu’un tel signal était bruité et vérifier à l’aide de masques si ses caractéristiques RF étaient conformes mais on ne pouvait pas le démoduler pour contrôler la qualité de la modulation.

Analyse multidomaines : temps, fréquence, phase
Les analyseurs de signaux vectoriels (VSA pour Vector Signal Analyzer) sont des outils bien plus complets et plus évolués. Alors que les analyseurs de spectre traditionnels affichent les différentes fréquences contenues dans un signal ainsi que leurs amplitudes respectives, les VSA donnent accès à l’espace temporel et délivrent l’information sur la phase qui manquait. Les signaux peuvent en effet être visualisés simultanément dans plusieurs domaines : temps, fréquences et phase. De plus, le positionnement d’un marqueur sur le signal dans l’un de ces domaines sera corrélé dans tous les autres domaines.
Lors du lancement des analyseurs de type VSA, les utilisateurs étaient sceptiques quant à leur intérêt. Il a fallu leur en expliquer le fonctionnement, gagner leur confiance et leur prouver que cette technologie était aussi précise que les analyseurs à balayage traditionnel. Les plus circonspects étant bien sûr ceux qui avaient depuis longtemps l’habitude de travailler avec des analyseurs de spectre classiques.

Analyseur de spectre temps réel
Les instruments combinant les fonctionnalités d’un analyseur de spectre à celle d’analyseur doté de capacité de numérisation et de traitement dit « temps réel » sont aujourd’hui proposés par tous les constructeurs majeur du domaine. Ils offrent également bien souvent une fonction d’affichage du spectre qui par un codage de couleurs à l’écran renseigne sur la récurrence des signaux ainsi que des capacités d’acquisition dites « temps réel ». Mais comme dans la réalité il existera toujours un laps de temps entre la capture d’un signal, son traitement et l’affichage de son spectre à l’écran, qu’entendent-ils par l’analyse « temps réel » ? Par temps réel, on suppose que l’on est dans une application où le spectre évolue rapidement dans le temps comme c’est par exemple le cas pour les communication employant des techniques par sauts de fréquences et qu’il se passe quelques nanosecondes entre deux phénomènes.

Analyseurs numériques de signaux
Les évolutions technologiques et les nouvelles exigences des utilisateurs en termes de traitement ont donc fait naître une nouvelle classe d’appareils qui associent dans un même boîtier un analyseur de spectre traditionnel et un analyseur numérique de signaux. Les performances accrues des processeurs et des composants électroniques programmables de type FPGA ont rendu possible la conception d’instruments mixant deux modes d’analyse. Ce qui était impossible à réaliser il y a encore quelques années du fait des capacités de numérisation et de traitement important qu’exige du point de vue technique ce type d’appareil. Le plus souvent, l’utilisateur peut opter pour le mode de travail le plus approprié au signal qu’il souhaite étudier. Ce choix peut cependant tout aussi bien être transparent pour l’opérateur. Il sera effectué automatiquement par l’instrument selon la nature du signal et les paramètres de mesures choisis tels que la bande de fréquences et le filtre de résolution. La numérisation du signal étant réalisée après l’opération de transposition en fréquence traditionnelle, peu de gens décèle la différence entre les deux procédés. Mais les deux modes de fonctionnement sont en fait complémentaires.

Vitesse et dynamique
Un signal furtif ou transitoire ne sera pas forcément saisi par un analyseur de spectre à balayage. L’utilisateur peut démarrer par le mode FFT et passer au mode balayage pour visualiser plus en détail un signal transitoire en choisissant le filtre de résolution approprié. Le premier offre d’ailleurs un plus grand choix de filtre de résolution numérique alors que le second propose une banque de filtre matériel plus limitée. La technologie à balayage offre une meilleure précision et une dynamique plus importante mais la mesure est plus lente. Concernant la dynamique, la différence entre les deux types d’analyseurs s’amenuise car au fil des ans la résolution des convertisseurs analogiques/numériques augmente. Elle est passé de 10 à 12 bits et atteint aujourd’hui 16 bits sur certains appareils. La part et les possibilités de traitements numériques vont en effet en grandissant. Une fois le signal numérisé, la qualité de la mesure est donc aussi liée à la performance du traitement. Toutefois si le signal n’est pas correctement traité par l’étage d’entrée, ce n’est pas le logiciel qui va le corriger et le rendre conforme à la réalité.

Bande d’analyse instantanée
Les analyseurs de signaux à technologies numériques autorisent des mesures impossibles à réaliser avec leurs homologues à balayage traditionnels. Mais en plus d’être capables de capter les signaux de plusieurs à quelques dizaines de gigahertz, ils doivent disposer d’une bande de fréquence d’analyse appropriée à l’application considérée. C’est là l’une des limitations des analyseurs de spectres exploitant les technologies numériques. La largeur de cette bande dépend essentiellement de la fréquence d’échantillonnage de l’étage de numérisation. Cette caractéristique qui est appelée tout aussi bien bande d’analyse, de démodulation ou encore bande instantanée est essentielle. Avec une bande instantanée de 30 MHz, l’analyseur peut en une seule capture saisir tout ce qui se passe sur toute la largeur de cette bande. Pour pouvoir réaliser la démodulation d’un signal, il faut que sa largeur soit aussi importante que la bande de fréquences sur laquelle opère le signal à traiter. Les différents standards de communication radiofréquences exigent différentes largeurs de bande : 270 kHz pour le GSM, 1 MHz pour le Bluetooth, 5 MHz pour le ZigBee, 20 à 40 MHz pour le Wi-Fi de, 1,25 à 28 MHz pour le WiMax, 5 MHz pour la 3G, 10 à 20 MHz pour le LTE (jusqu’à 100 MHz à l’avenir). Il existe sur le marché une large panoplie d’analyseurs qui répondent à ces exigences. Selon les modèles, la largeur de bande d’analyse s’étend de plusieurs à quelques dizaines de MHz. Les largeurs de bandes les plus importantes sont la plupart du temps proposées en option sur les appareils les plus haut de gamme.

Vitesse d’échantillonnage et résolution
Outre la largeur de la bande de démodulation, la vitesse d’échantillonnage et la résolution des convertisseurs employés, la profondeur mémoire de l’appareil revêt une importance capitale lorsque l’on souhaite procéder à l’enregistrement des signaux pour un traitement ultérieur. De nombreux analyseurs sont d’ailleurs non seulement aptes à récupérer et à enregistrer les signaux I et Q (mis en œuvre dans les modulations numériques telles que n-PSK, n-QAM ou encore OFDM) pour les démoduler ou réaliser n’importe quel traitement numérique, mais ils sont aussi dotés de sorties I et Q.  Il est également possible d’importer ses données dans un générateur I/Q externe afin de rejouer ces signaux.

Outils de démodulations de signaux
En compléments des fonctionnalités traditionnelles d’analyse spectrale, les constructeurs proposent par ailleurs de nombreuses options pour le traitement des signaux. La palette des outils de démodulations de signaux (selon les standards ou les spécifications définies par l’utilisateur) est extrêmement large ainsi que les possibilités de mesures automatisées selon les prescriptions des normes de radiocommunication les plus courantes. Tous ces traitements sont embarqués à l’instrument. Mais les analyseurs reposant sur une plate-forme PC sous Windows offrent aussi la possibilité d’exporter les signaux acquis vers tous autres logiciels applicatifs tournant sur le PC intégré à l’appareil. Ils sont alors dotés d’un disque dur qui peut être extractible afin de préserver la confidentialité des données et pour favoriser leur transfert vers un ordinateur externe. Les analyseurs se transforment ainsi en véritable centre de calcul et de traitement.

 

Les analyseurs de spectre portables
Le marché des analyseurs de spectre portables est devenu très convoité. Aux traditionnelles opérations de maintenance et d’installation des stations de base de téléphonie mobile s’ajoute la vérification sur le terrain des transmissions sans fil qui se développent partout et le contrôle des éventuelles perturbations. Au coeur du marché se trouve des appareils de quelques GHz mais on trouve des insruments couvant des bandes de fréquences atteignant de 40 à 50 GHz. Ces instruments présentent des outils de traitements moins évolués que leurs homologues de table mais ils proposent des fonctions appropriées aux interventions sur site : l’enregistrement et la réalisation de séquences de test automatique, des mesures automatisées, la reconnaissance des transmissions radio et leur classification selon les standards connus, la localisation GPS, la cartographie d’émetteurs, etc.

 

Des solutions PXI aussi
L’offre en instrumentation modulaire radiofréquences s’est considérablement étoffé ces dernières années visant principalement les applications de test automatique. Elle comprend bien entendu des analyseurs de signaux au format PXI. Bien que ceux-ci soient composés de plusieurs modules indépendants de différente largeur, ils sont souvent présentés comme un dispositif homogène. L’oscillateur local est toujours au cœur du système. Il sera associé à un translateur de fréquence (downconverter) et à un numériseur pour réaliser un dispositif d’analyse. Tous les éléments ainsi que le logiciel associé sont conçus pour fonctionner ensemble. Ils sont vus et pilotés par le logiciel comme s’il s’agissait d’une seul cartes. L’application logicielle est en effet indissociable de la partie matérielle. Le plus souvent, le fabricant la fournit avec ses produits pour réaliser des mesures classiques (analyse de spectre ou de puissance par exemple) mais les outils de tests de standards spécifiques sont disponibles en option. Par exemple des boîtes à outils propres aux standards Wi-Fi, GSM, Edge, LTE, 4G, 5G, WiMAX ou encore GPS sont proposées. Ceux qui franchissent le pas bénéficient dans le domaine RF des atouts de toutes solutions modulaires standards : flexibilité, évolutivité et compacité.
Toutefois le choix d’un système PXI ne se justifie pas forcément si l’analyseur de signaux doit être employé seul car au prix des modules RF il faut ajouter celui du contrôleur et du châssis PXI.