La gamme d'analyseurs de spectre et signaux de Rohde & Schwarz

Un analyseur de spectre fait ce que son nom indique : il détecte les signaux présents au sein d'une étendue spectrale sélectionnée. Sa fonction de base est de représenter les signaux graphiquement en amplitude — ou en niveau de puissance — sur l'axe y, en fonction de la fréquence sur l'axe x; les amplitudes des signaux détectés sont représentés dans le domaine fréquentiel. Un analyseur de spectre RF couvre les fréquences radio et micro-ondes. La gamme de fréquence maximale, avec la pré-sélection actuellement disponible, s'étend de 2 Hz à 85 GHz; des fréquences supérieures sont possibles avec des mélangeurs externes. Généralement, l'échelle linéaire est utilisée pour la fréquence sur l'axe x, et c'est une échelle logarithmique ou décibel (également logarithmique) pour l'amplitude sur l'axe y, afin que les signaux à grandes amplitudes puissent être visualisées simultanément. Les analyseurs de spectre sont largement utilisés dans les tests RF afin d'afficher les propriétés des signaux recherchés, comme lorsqu'un signal occupe la bande passante désignée, mais également pour rechercher des signaux indésirables.

Pour le test RF, un analyseur de spectre pur dédié à la détection du niveau des signaux recherchés ou indésirables, affichant les composantes spectrales dans la gamme fréquentielle, n'existe plus beaucoup. La nature des nombreux signaux pulsés modernes, plus la nécessité de détecter et d'analyser les signaux transitoires, engendrent que l'analyseur de spectre classique utilisant le même super principe hétérodyne comme les récepteurs radio, ne peut pas détecter de manière fiable tous les signaux intermittents présents comme les transitoires, ni mesurer la phase d'un signal. Comme la gamme de fréquence d'intérêt (la fréquence balayée) excède la capacité de l'analyseur de spectre à traiter les données simultanément, la plage de fréquence est scannée (balayée) de la plus faible à la plus élevée. Si un signal transitoire n'est pas présent lorsque la fréquence est balayée, alors il n'est pas détecté.

Le traitement numérique utilisant la Transformée de Fourier rapide (FTT) du domaine temporel vers le domaine fréquentiel a largement contribué à améliorer les capacités de détection et d'analyse des signaux de l'analyseur de spectre super hétérodyne. La FFT propose une capture et une analyse beaucoup plus rapide de la plage de fréquence : l'utilisation de FFT en parallèle permet d'obtenir une bande passante instantanée plus large, de sorte que, avec des filtres adaptés, les signaux pulsés et transitoires soient également détectés. De nombreux analyseurs de spectre proposeront également le mode "zéro span" pour analyser la phase ainsi que l'amplitude d'un signal, puis démoduler le signal à la fréquence sélectionnée. Outre la représentation simple des signaux détectés à l'écran, les mesures de bruit, du gain, de la phase, de la bande passante occupée et de la puissance du canal adjacent, sont également possibles. Le signal numérique peut être exporté pour un post-traitement avec des outils logiciels fournissant une analyse supplémentaire.

Un analyseur de signaux, plus précisément un analyseur de signaux vectoriels (VSA), est utilisé pour démoduler et analyser des signaux à modulations numériques complexes. Un analyseur de signaux vectoriels capture des signaux à une fréquence centrale fixe, en utilisant des filtres permettant de régler la bande passante — ou le span — de l'affichage spectral; un analyseur de spectre balaye une gamme de fréquence plus large. Par rapport à un analyseur de spectre dédié, un analyseur de signaux vectoriels intègre les information relatives à la phase, plus des mesures avancées supplémentaires relatives aux propriétés du signal non atteignables avec l'analyse de spectre, et utilise le traitement numérique pour démoduler les signaux en fonction des composantes de modulation numérique en phase (I) et en quadrature (Q). Un analyseur de signaux vectoriels analyse les caractéristiques du signal telles que le rapport signal / bruit (ou le rapport porteuse / bruit), la magnitude de l'erreur vectorielle (EVM) et la puissance du domaine de code. Toutes les caractéristiques des signaux pulsés ou transitoires peuvent être mesurées, y compris toutes les valeurs de niveau, de fréquence, de phase, de bruit, de gain, de bande passante occupée et de puissance du canal adjacent.

Le niveau de bruit et la bande passante pour les instruments de mesure sont invariablement un compromis; comme un analyseur de signaux vectoriels est centré sur une fréquence fixe, une bande passante d'analyse plus étroite est suffisante pour qu'un analyseur de signaux vectoriels bien conçu dispose d'un faible niveau plancher et d'une excellente sensibilité pour la détection de signaux faibles niveaux.

La plupart des analyseurs de signaux vectoriels intégreront également un mode d'analyse de spectre plutôt adapté pour la détection de signaux (indésirables), augmentant le span du signal capturé, mais réduisant les possibilités de démodulation pour AM, FM, ou /фM.

La gamme de fréquence nécessaire pour un analyseur de spectre dépendra de l'application, à savoir les fréquences à étudier à la fois pour les signaux recherchés et indésirables, ainsi que l'objectif de la détection de signal. Pour la surveillance de spectre, par exemple, la gamme de fréquence doit juste inclure les fréquences à surveiller. Pour le développement d'appareils et des investigations EMI, de nombreuses normes exigent des mesures d'émissions parasites à la troisième harmonique de la fréquence fondamentale; pour un appareil fonctionnant dans la bande 2,4 GHz ISM, comme un appareil Wi-Fi ou Bluetooth®, une gamme de fréquence d'au moins 7,2 GHz est nécessaire. Pour la conformité aux normes, dans certains cas les émissions parasites à la cinquième harmonique sont nécessaires; pour un appareil 2,4 GHz une gamme de fréquence de 12 GHz est nécessaire. Pour des appareils 5G fonctionnant dans la bande n258 de 24,25 à 27,50 GHz, il y a très peu d'analyseurs de spectre disposant de la fréquence maximale nécessaire de 82,5 GHz. De nombreuses normes issues des organisations telles que ETSI, ANSI ou 3GPP spécifient les limites pour les émissions hors bandes, beaucoup plus proches de la fréquence fondamentale. Dans tous les cas, vérifiez les normes qui s'appliquent à l'appareil afin de tester, et en règle générale, cibler une fréquence maximale qui dépasse de 20% le maximum anticipé.

En général, la gamme dynamique décrit les valeurs maximale et minimale qu'un instrument peut mesurer; pour un analyseur de spectre conçu pour détecter plusieurs signaux simultanément, la définition est la capacité d'un analyseur à détecter un signal faible en présence d'un signal puissant. La gamme dynamique d'un analyseur de spectre est définie comme le rapport, en dB, d'un signal plus large à un signal plus petit auquel l'analyseur de spectre peut mesurer le plus petit avec une précision donnée en présence du plus grand.

L'utilisation classique d'un analyseur de spectre est de rechercher des émissions parasites en présence du signal recherché, la capacité de l'analyseur à détecter un signal faible en présence d'un signal puissant est un critère fondamental de performance. La gamme maximale du niveau de signal, le bruit plancher, le bruit de phase et la réponse parasite de l'instrument jouent tous un rôle dans la détermination de la gamme dynamique.

La gamme dynamique est limitée pour le signal plus faible par le bruit inhérent de l'analyseur et pour le signal plus puissant par les non linéarités.

Le bruit inhérent est spécifié par le niveau de bruit moyen affiché (DANL) donné en dBm et normalisé à une bande passante de résolution de 1 Hz. Un préamplificateur réduit la DANL, ce qui permet de détecter des signaux faibles tout en réduisant la gamme dynamique totale actuelle.

Les non linéarités sont indiquées par le point de compression 1 dB, la seconde distorsion harmonique, et la TOI (interception de troisième ordre).

Le bruit de phase d'une forme d'onde correspond à des fluctuations brèves et rapides de la fréquence, visibles sur l'écran d'un analyseur de spectre comme des brouillages de la forme d'onde sur l'écran. Le bruit de phase étend la puissance d'un signal aux fréquences adjacentes, engendrant des bandes de bruit latérales, affaiblissant la puissance du signal utilisable et réduisant la qualité du signal. Un signal faible peut disparaître au sein du bruit de phase d'un signal adjacent puissant.

Le bruit de phase dans le domaine fréquentiel correspond à la gigue dans le domaine temporel; une fluctuation en fréquence est également une déviation du front du signal dans le temps.

La cause du bruit de phase (et de la gigue) est l'irrégularité de la performance de l'oscillateur cadençant la forme d'onde.

Un oscillateur idéal générerait une onde sinusoïdale parfaite; toute la puissance du signal est alors à une seule fréquence. Cependant, tous les oscillateurs réels ont des instabilités engendrant des composantes de bruit modulées en phase. Les composantes du bruit de phase étendent la puissance d'un signal aux fréquences adjacentes. Le bruit de phase de l'oscillateur intègre souvent un bruit de flicker faible fréquence et peut contenir un bruit blanc. Le bruit de phase décrit la stabilité d'un oscillateur dans le domaine fréquentiel, alors que la gigue décrit la stabilité dans le domaine temporel.

Le bruit de phase peut être mesuré en utilisant un analyseur de spectre, tant que le bruit de phase du dispositif sous test est large par rapport au bruit de phase de l'oscillateur local de l'analyseur de spectre.

Le bruit de phase inhérent de l'analyseur de spectre limitera la capacité à réaliser des mesures de bruit de phase et impactera les mesures de magnitude d'erreur vectorielle (EVM) sur des signaux modulés numériquement, en particulier les signaux à bandes étroites.

Certains analyseurs de spectre proposeront des oscillateurs haute précision en options avec un coût supplémentaire, afin d'améliorer la sensibilité des mesures de bruit de phase.

Il n'y a pas de réponse “correcte” à cette question, le meilleur analyseur de spectre dépendra des circonstances individuelles. Les éléments clés à prendre en considération seront la fréquence des signaux à mesurer, les caractéristiques des signaux qui devront être mesurées, les mesures qui sont exactement nécessaires, où les signaux devront être mesurés, et le budget disponible. La gamme de fréquence de l'analyseur de spectre déterminera les fréquences minimale et maximale qui pourront être mesurées. La vitesse de mesure nécessaire, la bande passante d'analyse, le bruit de phase, la gamme dynamique et la sensibilité dépendent tous des signaux à mesurer et de la précision nécessaire. Les capacités d'analyse doivent correspondre aux exigences individuelles. Des critères additionnels comprennent les questions de la portabilité et du poids, l'évolutivité pour des ajouts relatifs à la performance ultérieurement à l'achat, la prise en charge de la maintenance et de la calibration, ainsi que la durabilité pour l'infrastructure de test existante; le nouvel analyseur peut-il remplacer l'équipement précédent ?

La gamme d'analyseurs de spectre de Rohde & Schwarz intègre des solutions à la fois pour des mesures d'ordre général et pour les normes industrielles spécifiques. Elle propose :

• Des analyseurs de spectre d'entrée de gamme tel que le R&S®FPC1500, avec une gamme de fréquence allant de 5 kHz à 1 GHz, évolutive jusqu'à 3 GHz, afin de s'adapter aux budgets allant de l'éducation à l'usage professionnel, incluant des possibilités complètes de mise à niveau.
• Des analyseurs de spectre portables fonctionnant sur batterie utilisés dans tous types d'opérations avec des fréquences jusqu'à 31 GHz, comme le R&S®FPH.
• Des instruments de banc à usage général, comme le R&S®FSV3000 ou le R&S®FPL1000. Ils fournissent une excellente performance RF et de nombreuses options d'analyse du signal y compris 5G NR, et proposent une interface utilisateur exceptionnelle ainsi qu'un contrôle automatisé.
• Des instruments compacts sans interface utilisateur intégrée dédiés à la production, aux applications système et de surveillance, comme l'analyseur de spectre et signaux R&S®FPS. Mesures ultra rapides, excellente performance, taille, poids et consommation énergétique minimum.
• Des instruments haute performance comme le R&S®FSW. Cette catégorie d'instrument fournit une performance RF sans équivalent, une fréquence unique maximale de 90 GHz et une bande passante d'analyse de 8,3 GHz.