Le document offre un aperçu détaillé des analyseurs de spectre en temps réel (RTSA), en discutant de leur développement, de leurs fonctionnalités et de leurs diverses applications. Il commence par une perspective historique de la technologie des signaux RF et de son évolution, menant à la complexité des radars et des réseaux de communication modernes. L'accent est mis sur l'architecture et les capacités techniques pour l’analyse de spectre, en particulier leur capacité à analyser efficacement les signaux RF dynamiques. Il aborde les défis contemporains de l'analyse du spectre et décrit l'utilisation des RTSA dans différents scénarios, ce qui en fait une ressource utile pour les professionnels de la technologie RF.
Table des matières
Chapitre 1 : Introduction et aperçu
- L'évolution des signaux RF
- Les défis de la mesure RF moderne
- Brève étude des architectures d'instruments
Chapitre 2 : Comment fonctionne un analyseur de spectre en temps réel ?
- Architecture d'un analyseur de spectre en temps réel
- Conditionnement du signal RF/IF
- Section de commutation et de routage des entrées
- Sections RF et micro-ondes
- Section de conversion de fréquence/IF
- Concepts de traitement numérique du signal (DSP)
- Transformation des formes d'onde du domaine temporel en domaine fréquentiel
- Filtrage numérique
- Analyse de modulation
- Mesures de puissance et statistiques
Chapitre 3 : Corrélation entre les mesures des domaines temporel et fréquentiel
- Intégration des mesures des domaines temporel et fréquentiel
- Spectrogrammes
- Analyse FFT balayée
- Contrôle du temps d'acquisition et d'analyse
- Mesures dans le domaine temporel
- Mesures des impulsions
Chapitre 4 : Applications des analyseurs de spectre en temps réel
- Types d'analyseurs en temps réel : du laboratoire au terrain
- Transmission de données : WLAN
- Transmission de données : WPAN
- Transmissions vocales et de données : radio cellulaire
- Radiocommunications
- Applications vidéo
- Gestion des spectres et recherche d'interférences
- Tests d'appareils
- Radar
Chapitre 5 : Terminologie
- Glossaire des principaux termes relatifs à l'analyse de spectre en temps réel
- Référence d'acronyme
Chapitre 1 : Introduction et aperçu
L'évolution des signaux RF
Les ingénieurs et les scientifiques explorent des utilisations innovantes de la technologie RF depuis les années 1860, en suivant la prédiction mathématique de James Clerk Maxwell concernant les ondes électromagnétiques capables de transporter de l'énergie dans l'espace vide. La démonstration physique des ondes radio par Heinrich Hertz en 1886 a jeté les bases de pionniers tels que Nikola Tesla et Guglielmo Marconi, qui ont développé des méthodes de communication à longue distance. Au début du siècle, la radio est apparue comme la première application pratique des signaux RF.
Au cours des trois décennies suivantes, la recherche s'est concentrée sur la transmission et la réception de signaux pour la détection et la localisation d'objets. Au cours de la Seconde Guerre mondiale, le radar (détection et télémétrie radio) est devenu une application importante de la technologie RF. La croissance continue des secteurs de l'armée et des communications a entraîné des avancées technologiques rapides dans le domaine des RF tout au long du XXe siècle. Les systèmes radar et les réseaux de communication modernes utilisent désormais des techniques RF complexes, notamment la modulation adaptative et les sauts de fréquence, pour améliorer l'efficacité et éviter la détection. La prévalence des signaux RF a augmenté de manière significative, ce qui complique la tâche d'éviter les interférences entre les appareils. Les téléphones portables et autres appareils fonctionnant dans un spectre sous licence doivent éviter de transmettre de l'énergie RF dans des canaux de fréquences adjacents. Le développement des technologies RF numériques, telles que les réseaux locaux sans fil, les téléphones portables et la télévision numérique, a conduit à des méthodologies d'attribution du spectre plus efficaces.
Les ingénieurs et les scientifiques d'aujourd'hui sont confrontés au défi de détecter et de caractériser les signaux RF qui changent au fil du temps. Les outils de mesure traditionnels ne sont souvent pas adaptés à cette tâche. L'analyseur de spectre en temps réel (RSA) de Tektronix est conçu pour découvrir les effets insaisissables des signaux RF, déclencher ces effets, les enregistrer en mémoire et les analyser dans différents domaines. Ce document explique le fonctionnement du RSA et ses applications dans l'analyse de spectre moderne des signaux RF.
Les défis de la mesure RF moderne
Pour caractériser le comportement des appareils RF contemporains, il faut comprendre comment les paramètres de fréquence, d'amplitude et de modulation se comportent dans le temps. Les outils traditionnels tels que les analyseurs de spectre balayé (SA) et les analyseurs de signaux vectoriels (VSA) offrent des instantanés des signaux, insuffisants pour analyser la nature dynamique des signaux RF modernes. Les principaux défis incluent la découverte d'événements rares et de courte durée, l'observation de signaux masqués par le bruit, la capture de transmissions en rafale et la caractérisation de schémas de modulation variant dans le temps. Pour relever ces défis, l'analyseur de spectre en temps réel (RTSA) a été développé, utilisant le traitement numérique du signal (DSP) en temps réel pour analyser plus efficacement les signaux RF transitoires et dynamiques. L'architecture de la RTSA lui permet de découvrir les événements manqués par les analyseurs traditionnels, de les déclencher et de les capturer pour une analyse de spectre approfondie.
Brève étude des architectures d'instruments
Pour comprendre les capacités du RTSA, il est utile de le comparer aux analyseurs de signaux RF traditionnels : l'analyseur de spectre balayé (SA) et l'analyseur de signaux vectoriels (VSA). Le SA, avec son architecture superhétérodyne à réglage rapide, est bien adapté aux signaux statiques, mais peut passer à côté d'événements transitoires. Le VSA, capable d'effectuer des mesures vectorielles, peut stocker des formes d'onde en mémoire mais est limité dans l'analyse des événements transitoires. Le RSA, avec son moteur de traitement en temps réel, surmonte ces limites. Il traite les échantillons en continu, ce qui permet de corriger en temps réel les imperfections du chemin du signal, de mettre en place des mécanismes de déclenchement avancés et d'effectuer des analyses simultanées dans plusieurs domaines. Cette architecture permet une analyse de spectre plus efficace.
Chapitre 2 : Comment fonctionne un analyseur de spectre en temps réel ?
Architecture d'un analyseur de spectre en temps réel
L'analyseur de spectre en temps réel (RSA) de Tektronix utilise un convertisseur RF descendant suivi d'une section de fréquence intermédiaire (IF) à large bande. Les principales caractéristiques de son architecture sont les suivantes :
- Chemin IF à large bande passante et plage dynamique élevée pour le conditionnement des signaux RF.
- Filtres passe-bande pour une conversion de fréquence sans image sur toute la plage de fréquences d'entrée.
- Un système ADC capable de numériser la totalité de la bande passante en temps réel.
- Moteur de traitement numérique du signal (DSP) en temps réel pour un traitement sans interruption.
- Mémoire de capture et puissance DSP suffisantes pour une acquisition continue en temps réel.
Conditionnement du signal RF/IF
Le schéma fonctionnel RF/IF du RSA illustre son processus de conditionnement du signal, qui comprend une atténuation variable, une conversion de fréquence en plusieurs étapes et un filtrage analogique. Le dernier IF est numérisé et le traitement ultérieur est effectué à l'aide de techniques DSP. Les modes de bande de base optionnels de certains modèles RSA permettent de numériser directement le signal d'entrée.
Section de commutation et de routage des entrées
Cette section du RSA traite de la distribution des formes d'onde d'entrée vers les différents chemins de signal au sein de l'instrument. Il comprend des fonctionnalités telles qu'un chemin de bande de base couplé en courant continu pour analyser les signaux basse fréquence et des sources d'alignement internes pour l'auto-étalonnage.
Sections RF et micro-ondes
Ces sections contiennent des circuits à large bande pour conditionner les signaux d'entrée afin d'optimiser le traitement en aval. Cela inclut des éléments tels que des atténuateurs progressifs, des filtres de rejet d'image et des préamplificateurs en option.
Section de conversion de fréquence/IF
Le RSA peut analyser une large bande de fréquences en convertissant la bande d'intérêt en un IF fixe à des fins de numérisation et d'analyse de spectre. Cela implique une conversion de fréquence en plusieurs étapes et fait partie intégrante des performances du RSA.
Concepts de traitement numérique du signal (DSP)
Le RSA utilise une combinaison de traitements de signaux analogiques et numériques pour convertir les signaux RF en mesures multi-domaines étalonnées. Le chemin DSP inclut le filtrage passe-bande, la numérisation et la correction de la planéité de l'amplitude et de la linéarité de phase. Des techniques telles que la conversion numérique descendante (DDC) et la décimation sont utilisées pour une représentation et un traitement efficaces des signaux.
Transformation des formes d'onde du domaine temporel en domaine fréquentiel
L'analyse du spectre dans le RSA est réalisée au moyen de transformées de Fourier discrètes (DFT) répétitives, garantissant que le traitement du signal suit le signal d'entrée. Cela permet de découvrir et d'analyser des événements transitoires dans le domaine des fréquences.
Filtrage numérique
Le RSA utilise des filtres à réponse impulsionnelle finie (FIR) pour sélectionner la fréquence et ajuster les imperfections du chemin du signal analogique. La convolution numérique est utilisée pour filtrer les signaux mathématiquement.
Analyse de modulation
Le RSA est capable d'analyser différents formats de modulation, notamment l'amplitude, la fréquence, la modulation de phase et des schémas complexes tels que QAM et OFDM. Cela implique de reconstruire des signaux idéaux, de les comparer avec des signaux réels et d'effectuer une analyse de modulation détaillée.
Mesures de puissance et statistiques
Les RSA peuvent effectuer des mesures de puissance dans les domaines fréquentiels et temporels. Ils sont également équipés pour calculer des mesures statistiques, telles que la fonction de distribution cumulée complémentaire (CCDF), afin de caractériser le comportement statistique des signaux modulés.Chapitre 3 : Corrélation entre les mesures des domaines temporel et fréquentiel
Intégration des mesures des domaines temporel et fréquentiel
Les analyseurs de spectre en temps réel (RTSA) tels que le Tektronix RSA intègrent efficacement les mesures des domaines temporels et fréquentiels. Ils acquièrent des données dans le domaine temporel et les convertissent dans le domaine fréquentiel à l'aide de la transformée de Fourier discrète. Cela permet de localiser précisément les événements dans les deux domaines.
Spectrogrammes
Les spectrogrammes sont utiles pour observer les caractéristiques spectrales en fonction du temps, en affichant des spectres complets sur une chronologie continuellement mise à jour. Deux méthodes d'affichage courantes sont le diagramme en cascade et la représentation par code couleur. La résolution temporelle du spectrogramme est influencée par la fréquence d'échantillonnage de l'ADC et la longueur de la DFT utilisée.
Analyse FFT balayée
Pour les bandes passantes dépassant la bande passante en temps réel de l'analyseur de spectre, plusieurs spectres en temps réel peuvent être assemblés. Bien que ce processus soit plus lent que l'analyse de spectre en temps réel, il permet tout de même de gagner un temps considérable par rapport aux analyseurs de spectre à balayage traditionnels. La technique FFT balayée peut également être appliquée à l'analyse DPX, bien que la capture des événements pendant le balayage soit limitée.
Contrôle du temps d'acquisition et d'analyse
Les RTSA utilisent une fenêtre « Time Overview » pour contrôler le calendrier d'acquisition et d'analyse. Cette fonctionnalité est cruciale pour analyser des signaux tels que les signaux à sauts de fréquence, où les informations sur l'amplitude par rapport au temps sont essentielles. La fenêtre peut être réglée pour inclure plusieurs impulsions ou se concentrer sur des segments spécifiques du signal.
Mesures dans le domaine temporel
Les RTSA Tektronix sont équipés pour effectuer diverses mesures temporelles sur les signaux RF, notamment la fréquence par rapport au temps, l'amplitude ou la puissance par rapport au temps, I et Q par rapport au temps, la phase par rapport au temps et divers autres paramètres de modulation. Ces mesures sont utiles pour diagnostiquer les problèmes de transmetteur et examiner l'évolution de la modulation dans le temps.
Mesures des impulsions
Les RTSA sont particulièrement bien adaptés aux mesures des impulsions, car ils proposent un logiciel de mesure automatique de l'impulsion et de nombreuses options d'analyse. Ils sont spécifiés pour le temps de montée/descente du système, la durée d'impulsion minimale et les largeurs de bande de modulation. Pour des temps de montée plus rapides et des bandes passantes plus étendues, le logiciel SignalVu-PC peut être utilisé avec les oscilloscopes de la série Tektronix DPO70000.
En résumé, le chapitre 3 met en évidence la capacité des RTSA à corréler efficacement les mesures des domaines temporel et fréquentiel, offrant des fonctionnalités avancées pour une analyse de spectre complète.
Chapitre 4 : Applications des analyseurs de spectre en temps réel
Types d'analyseurs en temps réel : du laboratoire au terrain
Les analyseurs de spectre en temps réel (RTSA) sont essentiels dans de nombreux domaines d'application. Les analyseurs de laboratoire ont évolué au cours des deux dernières décennies et offrent une bande passante en temps réel et des performances RF supérieures. En revanche, les RTSA portables offrent une portabilité au détriment de certaines performances RF, adaptées aux applications de terrain.
Transmission de données : WLAN
Les réseaux locaux sans fil (WLAN), en particulier le Wi-Fi, ont connu des avancées importantes. Les normes telles que les normes 802.11g, 802.11n et 802.11ac ont évolué et offrent des largeurs de canaux, des flux spatiaux et des débits de données variés. Pour tester la transmission WLAN avec ces normes, il faut des analyseurs de spectre dotés d'une bande passante et d'une linéarité en temps réel adéquates.
Transmission de données : WPAN
Les réseaux personnels sans fil (WPAN), tels que le Bluetooth et Zigbee, sont conçus pour les connexions à courte portée. Le Bluetooth, par exemple, fonctionne dans la bande ISM 2,4 GHz, avec différentes versions prenant en charge différents débits de données et schémas de modulation. Les analyseurs de spectre utilisés pour tester les appareils Bluetooth doivent présenter un faible niveau de bruit et une grande stabilité.
Transmissions vocales et de données : radio cellulaire
La radio cellulaire, en particulier la technologie LTE, exige des tests de transmission RF rigoureux. Le LTE fonctionne sur différentes fréquences et offre des largeurs de spectre et des débits de données différents. Le test des émetteurs LTE implique de vérifier les niveaux de puissance et de garantir l'absence d'émissions indésirables en dehors de la bande utilisée.
Radiocommunications
Les radios modernes, de plus en plus contrôlées par des logiciels, modifient la modulation, la puissance et la fréquence de manière dynamique. Les RTSA Tektronix offrent des fonctionnalités telles que le spectre DPX et le déclencheur de masque de fréquence, idéales pour le débogage et l'analyse des communications radio.
Applications vidéo
La RF numérique dans la diffusion vidéo, comme les formats DVB-S et DVB-T, nécessite des tests spécifiques pour les types de modulation et les débits de données. Les RTSA, tel que le Tektronix RSA306, peuvent surveiller efficacement la transmission vidéo.
Gestion des spectres et recherche d'interférences
Les RTSA jouent un rôle crucial dans l'identification des interférences dans la gestion du spectre. La capacité de détecter les interférences intermittentes et de faible intensité est essentielle, et les RTSA dotés de fonctionnalités telles que le déclenchement du masque de fréquence et l'affichage DPX sont très efficaces.
Tests d'appareils
Dans le domaine des communications mobiles, des défis tels que la repousse spectrale et l'efficacité énergétique des amplificateurs nécessitent des outils de test avancés. Les RTSA fournissent des informations essentielles sur la conception des amplificateurs, en permettant d'analyser la qualité de la modulation et la puissance des canaux adjacents.
Radar
Les RTSA simplifient les tests radar en intégrant des mesures d'impulsion pour l'analyse des domaines temporels et fréquentiels. Ils remplacent de nombreux outils traditionnels et peuvent révéler les composantes d'interférence et les non-linéarités des signaux radar.
Chapitre 5 : Terminologie
Glossaire des principaux termes relatifs à l'analyse de spectre en temps réel
- Acquisition : série d'échantillons contigus dans le temps.
- Durée d'acquisition : durée représentée par une acquisition.
- Amplitude : amplitude d'un signal électrique.
- Modulation d'amplitude (AM) : variation de l'amplitude d'une onde sinusoïdale en fonction d'un autre signal.
- Durée de l'analyse : sous-ensemble d'échantillons d'un bloc à analyser.
- Vue d'analyse : fenêtre permettant d'afficher les résultats de mesure en temps réel.
- Transporteur : modulation porteuse de signal RF.
- Fréquence porteuse : fréquence de la composante CW du signal porteur.
- Fréquence centrale : fréquence médiane dans la plage de fréquences d'un analyseur de spectre.
- CZT (Chirp-Z Transform) : méthode pour un calcul DFT efficace.
- Signal CW : signal à onde continue ; onde sinusoïdale.
- dBFS : décibels par rapport à la pleine échelle.
- dBm : décibels par rapport à 1 milliwatt.
- dBmV : décibels par rapport à 1 millivolt.
- Décibel (dB) : unité logarithmique pour les rapports de puissance.
- DFT (transformée de Fourier discrète) : processus de calcul du spectre de fréquences d'un signal.
- Ligne d'affichage : ligne de référence sur un affichage de forme d'onde.
- Distorsion : dégradation du signal, souvent due à des opérations non linéaires.
- DPX (analyse numérique du phosphore) : méthodologie d'analyse des signaux qui changent dans le temps.
- Plage dynamique : rapport entre les signaux mesurables maximaux et la précision spécifiée.
- FFT (Fast Fourier Transform) : méthode de calcul DFT efficace.
- Fréquence : taux d'oscillation du signal.
- Vue du domaine fréquentiel : représentation de la puissance des composants du signal en fonction de la fréquence.
- Dérive de fréquence : changement de fréquence progressif au fil du temps.
- Déclencheur de masque de fréquence : déclenchement en temps réel basé sur des événements du domaine fréquentiel.
- Modulation de fréquence (FM) : variation de fréquence d'un signal porteur.
- Gamme de fréquences : plage de fréquence opérationnelle d'un appareil.
- Plage de fréquences : plage de fréquences comprise entre deux limites.
- Marqueur : point sur une forme d'onde pour l'extraction des données.
- Moduler : pour faire varier une caractéristique du signal pour la transmission d'informations.
- Bruit : perturbations indésirables d'un signal.
- Niveau de bruit : niveau de signal minimum observable dans un système.
- Bande passante de bruit (NBW) : bande passante utilisée pour calculer la puissance du bruit.
- Probabilité d'interception : certitude de détection du signal dans les limites des paramètres.
- Bande passante en temps réel : plage de fréquences pour une capture en temps réel fluide.
- Capture fluide en temps réel : acquisition ininterrompue d'échantillons dans le domaine temporel.
- Analyse spectrale en temps réel : analyse à l'aide de la technologie DFT pour une analyse continue de la bande passante.
- Analyseur de spectre en temps réel : instrument pour mesurer les signaux RF dans plusieurs domaines.
- Niveau de référence : niveau de la ligne d'affichage le plus haut d'un analyseur.
- Bande passante de résolution (RBW) : bande de fréquences mesurable la plus étroite d'un analyseur de spectre.
- Sensibilité : possibilité d'afficher des signaux de niveau minimum.
- Spectrogramme : affichage fréquence-temps-amplitude.
- Spectre : représentation d'un signal dans le domaine fréquentiel.
- Analyse du spectre : technique permettant de déterminer le contenu fréquentiel d'un signal.
- Analyse du signal vectoriel : analyse de modulation tenant compte de l'amplitude et de la phase.
Référence d'acronyme
- ACP : alimentation par canal adjacent
- ADC : convertisseur analogique-numérique
- AM : modulation d'amplitude
- BW : bande passante
- CCDF : fonction de distribution cumulée complémentaire
- CDMA : accès multiple par division de code
- CW : onde continue
- dB : décibel
- dBFS : pleine échelle dB
- DDC : convertisseur abaisseur numérique
- DFT : transformée de Fourier discrète
- DPX : affichage numérique au phosphore, spectre, etc.
- DSP : traitement numérique du signal
- EVM : amplitude du vecteur d'erreur
- FFT : transformée de Fourier rapide
- FM : modulation de fréquence
- FSK : insertion par décalage de fréquence
- IF : fréquence intermédiaire
- QI : quadrature en phase
- LO : oscillateur local
- NBW : bande passante de bruit
- OFDM : multiplexage par répartition orthogonale des fréquences
- PAR : ratio crête-moyenne
- PM : modulation de phase
- POI : probabilité d'interception
- PRBS : séquence binaire pseudo-aléatoire
- PSK : saisie par décalage de phase
- QAM : modulation d'amplitude en quadrature
- QPSK : insertion par décalage de phase en quadrature
- RBW : bande passante de résolution
- RF : radiofréquence
- RMS : moyenne quadratique
- RTSA : analyseur de spectre en temps réel
- SA : analyseur de spectre
- VSA : analyseur de signaux vectoriels