Les changements dans les technologies de test et de mesure brouillent les frontières entre les plates-formes et offrent de nouvelles options aux ingénieurs.
Introduction
Pour des générations d'ingénieurs en radiofréquence, les règles étaient simples : si vous vouliez observer un signal dans le domaine fréquentiel, vous utilisiez un analyseur de spectre, et si vous vouliez étudier un signal dans le domaine temporel, vous utilisiez un oscilloscope. L'analyseur de spectre classique était essentiellement un mélangeur de fréquences qui utilisait un oscillateur local pour rechercher des signaux sur une plage de fréquences. L'oscilloscope était encore plus basique : il utilisait la tension d'un signal entrant pour faire rebondir le faisceau CRT de haut en bas sur l'écran pour montrer comment le signal changeait au fil du temps. Les mesures dans le domaine fréquentiel (fréquence de sortie, puissance de la bande, bande passante du signal, etc.) ont été effectuées avec un analyseur de spectre, tandis que les mesures dans le domaine temporel (largeur du signal et taux de répétition des impulsions, analyse temporelle du signal, etc.) un oscilloscope a été utilisé.
Alors que la révolution numérique rendait les techniques de traitement du signal plus faciles et plus répandues, les frontières entre les deux plateformes ont commencé à s'estomper. Les oscilloscopes ont commencé à incorporer des techniques de transformation rapide de Fourier (FFT) qui convertissaient les traces du domaine temporel en domaine fréquentiel. Les analyseurs de spectre ont commencé à capturer leurs données dans le domaine temporel et à utiliser le post-traitement pour les afficher à l'écran. Même ainsi, il y avait encore des différences majeures entre les deux plates-formes. Les oscilloscopes étaient limités par la fréquence d'échantillonnage. Ils ont vu des signaux CC, mais seulement quelques GHz. Les analyseurs de spectre pouvaient voir la gamme des micro-ondes, mais leur balayage n'a pas réussi à identifier les signaux transitoires.
Et si vous aviez besoin de voir un signal dans le domaine temporel ayant une fréquence porteuse de 40 GHz ? Et si vous deviez capturer une impulsion large bande dans la bande X ? Avec les progrès de la guerre électronique, des radars et des technologies de communication, les exigences imposées aux équipements de test augmentent.
Les technologies de traitement numérique se sont traduites par de nouvelles possibilités, non seulement pour tous les équipements RF et micro-ondes, mais également pour les équipements de test. Les analyseurs de spectre et les oscilloscopes peuvent faire beaucoup plus aujourd'hui qu'il y a quelques années à peine, et à mesure que leurs capacités se développent, les frontières entre eux s'estompent et, dans certains cas, disparaissent complètement.
Il convient de noter que la décision de visualiser le signal dans le domaine fréquentiel ou dans le domaine temporel n'est pas un facteur important lors du choix de la plate-forme à utiliser. Il existe plusieurs progiciels d'analyse de données (tels que le 89601B d'Agilent) qui affichent simultanément les données de temps et de fréquence, ainsi que de nombreux autres modes d'analyse. Avec ce type de logiciel pour traiter les données, il n'est plus logique de classer l'analyseur de spectre comme un appareil "domaine fréquentiel" et l'oscilloscope comme un appareil "domaine temporel".
changements dans la technologie
La révolution numérique a modifié les principes de fonctionnement des analyseurs de spectre et des oscilloscopes :
Analyseurs de spectre : la plupart des analyseurs de spectre d'aujourd'hui intègrent une section de traitement du signal entièrement numérique (DSP). Comme un analyseur de spectre classique, le signal entrant est converti en une fréquence intermédiaire (FI) beaucoup plus basse. Ce signal est échantillonné, numérisé à l'aide d'un convertisseur analogique-numérique (ADC) et traité à l'aide de techniques DSP. L'analyseur de spectre propose désormais deux modes de fonctionnement : balayage de l'oscillateur local, pour visualiser les signaux sur une large plage, ou "pause" de l'oscillateur local, pour visualiser simultanément tout ce qui se passe dans la bande passante d'analyse que permet l'analyseur de spectre.
Le principal avantage de cette technique est l'amélioration de la précision et de la fiabilité : le remplacement des composants analogiques par un traitement numérique réduit considérablement l'incertitude inhérente aux composants analogiques. Les composants des analyseurs de spectre classiques, tels que les filtres de résolution de bande passante (RBW) et les amplificateurs logarithmiques, sont désormais implémentés numériquement avec une précision et une répétabilité supérieures.
La "pause" de l'oscillateur local et la collecte de données autour d'une fréquence offrent deux avantages supplémentaires. Tout d'abord, ils vous permettent de visualiser un signal large bande dans le domaine temporel. Puisque le signal est maintenant échantillonné et numérisé, il peut être affiché dans le domaine temporel, tout comme le fait un oscilloscope. La principale différence est que les données de l'analyseur de spectre ont été converties à la baisse, de sorte que les données affichées sont présentées par rapport à la fréquence centrale de la mesure. Deuxièmement, ils vous permettent de voir les informations de phase du signal. En appliquant un simple DSP, des signaux tels que des signaux de communication et des chirps radar peuvent être démodulés et analysés en phase. Certains constructeurs appellent les analyseurs de spectre dotés de cette fonctionnalité « analyseurs de signaux » pour refléter cette nouvelle capacité à démoduler et analyser les signaux présents sur la porteuse.
Cependant, l'analyseur de signal a toujours une limitation majeure : le taux d'échantillonnage de l'ADC dans la section IF numérique. La bande passante d'analyse d'un analyseur de signal dépend directement du taux d'échantillonnage de son ADC, déterminé par la fréquence de Nyquist. Au moment de la rédaction, avec un taux d'échantillonnage IF allant jusqu'à 400 Mmu/s, des bandes passantes d'analyse allant jusqu'à 160 MHz peuvent être atteintes.
Oscilloscopes : Comme avec la section IF des analyseurs de signaux, les signaux incidents à l'entrée d'un oscilloscope sont échantillonnés et traités numériquement, mais à des taux beaucoup plus élevés. Alors qu'un analyseur de signal est limité à la "bande passante d'analyse" par son convertisseur abaisseur d'oscillateur local et son ADC plus lent, un oscilloscope peut afficher toute la gamme de fréquences allant du courant continu à plusieurs GHz à la fois. Il existe maintenant des oscilloscopes en temps réel qui peuvent échantillonner à des taux allant jusqu'à 160 Gmu/s. L'échantillonnage à ces taux élevés permet à l'oscilloscope de voir les signaux du courant continu jusqu'à 63 GHz tout en restant dans la limite de Nyquist de l'ADC.
Certains facteurs peuvent limiter l'utilité de cette architecture. L'un d'eux est l'avalanche de données qui est obtenue avec un échantillonnage aussi rapide. Des centaines de gigaoctets de données sont générées chaque seconde, et généralement seules des fractions de seconde peuvent être capturées et analysées simultanément si la bande passante complète est utilisée. Les techniques de traitement de données telles que la mémoire segmentée peuvent allonger le temps de capture, mais uniquement pour les signaux pulsés ou les signaux répétitifs. Une autre chose à retenir est que les CAN haute vitesse n'offrent généralement qu'une résolution de 8 bits, par opposition aux CAN 14 bits et 16 bits intégrés aux analyseurs de signaux. Cependant, dans de nombreuses applications, cette différence n'est pas un problème car les oscilloscopes à grande vitesse intègrent des méthodes de traitement qui tirent parti de leur échantillonnage plus rapide pour réduire le bruit et augmenter la plage dynamique dans le domaine fréquentiel. Lors de la recherche de signaux de bas niveau sur une large gamme de fréquences (par exemple, une recherche parasite), l'analyseur de spectre offre un avantage, mais dans la plupart des communications et des applications radar, les différences entre les deux équipements Ils auront peu d'effet sur les résultats.
Le bon instrument pour le travail : Si les deux instruments sont capables d'analyser les signaux RF et micro-ondes, quelles seraient les lignes directrices pour choisir l'un plutôt que l'autre ? Bien que les deux techniques se chevauchent, il existe quelques différences fondamentales.
Fréquence porteuse et bande passante du signal : le paramètre le plus important à prendre en compte est la bande passante du signal à analyser. Si la fréquence porteuse est supérieure à quelques GHz et que le signal est dans la bande passante de l'analyseur de signal, cet appareil est souvent le meilleur rapport qualité-prix. Le taux d'échantillonnage plus lent de l'analyseur de spectre vous permettra de capturer et d'analyser les données plus longtemps. De plus, les analyseurs de spectre sont souvent moins chers que les oscilloscopes équivalents à des fréquences de 10 GHz ou plus. Cependant, si vous souhaitez analyser des signaux large bande avec une bande passante de 160 MHz ou plus, ou si vous avez besoin de voir des temps de montée et de descente inférieurs à 20 ns, l'oscilloscope est le meilleur choix.
Résolution de la tension (puissance) et du niveau de bruit : la résolution des données peut également être un facteur important. En règle générale, les analyseurs de spectre échantillonnent les données sur 14 bits, tandis que les oscilloscopes les plus courants sont des appareils 8 bits. De plus, comme l'oscilloscope a une entrée large (sans filtrage comme un analyseur de spectre), plus de bruit à large bande peut pénétrer dans la mesure. Cela peut être un problème dans les environnements qui contiennent des niveaux élevés de bruit ou de signaux de fond. Cependant, comme mentionné ci-dessus, il existe de nombreuses applications où les techniques de traitement de données d'oscilloscope peuvent réduire ou éliminer cette différence.
Nombre de canaux de données : l'analyseur de spectre est un appareil à un canal. Les oscilloscopes sont généralement équipés de quatre voies. Bien que plusieurs analyseurs de spectre puissent être connectés de manière cohérente, ce n'est ni facile ni bon marché. Pour effectuer des mesures sur deux, trois ou quatre voies, les oscilloscopes ont un avantage naturel.
Exemples : pour illustrer les effets pratiques de ces différences, voici les avantages et les inconvénients des analyseurs de spectre et des oscilloscopes lorsqu'ils traitent des signaux communs :
Signaux radar (fréquence porteuse statique) : Les signaux radar typiques ont généralement une bande passante relativement faible (<100 MHz) mais une fréquence porteuse élevée. Si la bande passante se situe dans la bande passante d'analyse de l'analyseur de signal, la chose logique à faire est de choisir cet instrument. L'analyseur de signal offrira une résolution plus élevée et des temps de capture plus longs, généralement à un prix plus abordable. Cependant, pour les signaux radar avec une bande passante supérieure à 160 MHz, un oscilloscope peut être nécessaire pour visualiser l'intégralité du signal en une seule fois sans balayage. Une façon d'augmenter la bande passante d'analyse sans avoir à utiliser un oscilloscope à grande vitesse consiste à utiliser un analyseur de spectre comme convertisseur abaisseur réglable et à transmettre le signal IF à un oscilloscope externe de 1 GHz.Cette méthode vous permet d'analyser des signaux avec des bandes passantes de plusieurs centaines de MHz Des routines d'étalonnage existent pour corriger la réponse en fréquence du trajet FI et d'autres facteurs.
Signaux de saut de fréquence : si le signal saute dans la bande passante d'analyse de l'analyseur de signal, l'analyseur de signal permet une collecte de données ininterrompue pendant plusieurs secondes (dans certains cas, même des heures ou des minutes en utilisant une matrice RAID externe), tandis que l'oscilloscope haute vitesse ne capturera qu'un quelques millisecondes. Cependant, si la plage de fréquences du signal sauté est plus large, l'utilisateur devra soit utiliser un oscilloscope rapide, soit, avec un peu d'effort et de créativité, développer une gamme d'analyseurs de signal ou de convertisseurs abaisseurs et de numériseurs pour surveiller différentes parties du spectre. .
Signaux de communication à large bande : un oscilloscope à grande vitesse peut être un excellent outil pour démoduler et analyser les signaux de communication avec des débits de symboles supérieurs à 100 MHz. Vous pouvez généralement effectuer des mesures dans les bandes Ka et Ku de signaux avec des débits de symboles de plusieurs GHz.
Recherche de petits signaux : la clé pour trouver des signaux parasites et d'autres signaux de faible puissance est de limiter la quantité de bruit dans la mesure. La capacité des analyseurs de signaux à effectuer des balayages à bande étroite sur une large gamme de fréquences, éliminant ainsi la majeure partie du bruit à large bande, en fait un outil idéal pour les recherches de petits signaux.
Signaux multicanaux - Pour certaines applications, telles que les radars à réseau phasé, les systèmes de détection multi-antennes et les communications MIMO, il peut être préférable d'analyser et de comparer une douzaine de signaux ou plus en même temps. Dans ce cas, les oscilloscopes ont un avantage naturel, puisqu'il s'agit d'appareils à 4 voies avec cohérence temporelle. Des mesures relatives entre les canaux peuvent être effectuées avec un analyseur de spectre, mais plusieurs appareils et une certaine configuration sont nécessaires pour assurer la cohérence. Pour travailler avec plus de 4 canaux, le mieux serait de mettre de côté les deux technologies dont nous avons parlé et de miser sur une matrice de numériseurs. Sans le coût élevé des analyseurs de spectre et des oscilloscopes et sans avoir besoin de composants supplémentaires, les numériseurs peuvent s'avérer être une solution compacte et abordable pour l'analyse multicanal. L'inconvénient est souvent le travail supplémentaire requis pour configurer la baie et traiter les données.
Conclusions
Suite à l'intégration des techniques de traitement numérique du signal dans les analyseurs de spectre et les oscilloscopes, les frontières qui séparaient les deux techniques se sont estompées à tel point que, pour certaines applications, le meilleur analyseur de spectre peut être un oscilloscope et en même temps inverser . Dans les deux cas, les utilisateurs trouveront que les instruments d'aujourd'hui sont bien plus capables et puissants que ceux disponibles il y a à peine dix ans.
