Les analyseurs de spectre et de signal

Le 10/11/2017 à 13:30

Avec les annonces autour de la 5 e génération (5G) des standards pour la téléphonie mobile, des objets connectés – les fameux Internet of Things (IoT) pour le grand public et pour l'industrie –, ou encore la conception des véhicules autonomes, le développement de nouveaux composants et la connaissance du spectre électromagnétique concernent un plus grand nombre d'acteurs. Que ce soit toujours les militaires, les fabricants de semi-conducteurs, de radars et de stations de base, les opérateurs de télécommunication, les organismes de régulation, les services de la sureté nationale, mais aussi désormais des start-up concevant des objets connectés.

Parmi les outils à disposition de tous ces utilisateurs, les analyseurs de spectre et de signal occupent une place de choix. « Ce sont un peu les oscilloscopes numériques de l'électronicien », résume Cyril Noger, responsable produits sans fil chez Anritsu France. « Les analyseurs de spectre et de signal sont utilisés dans un large éventail d'industries, à savoir toutes les applications dans lesquelles transmetteur et récepteur ne sont pas connectés en filaire. Cela va des systèmes d'ouverture de porte de garage aux satellites, en passant par les téléphones sans fil, les clés de véhicule et les radars automobiles, les souris de PC et les réseauxWLAN », renchérit Giovanni D'Amore,EMEAI Marketing Brand Manager chez Keysight Technologies. « Sans oublier la vérification de la diffusion (télévision numérique),la production de composants et de systèmes RF ou encore les tests de conformité électromagnétique », ajoute Michael Zeng, EU sales chez SiglentTechnologies.

Xavier Cheng, ingénieur support produits chez Rohde & Schwarz France, rappelle que « les ventes sont avant tout tirées par l'aéronautique et la défense,que ce soit les satellites, l'électronique liée à l'armement (radar,communication sécurisée) et les industries liées aux composants (en particulier les amplificateurs), puis par la recherche et l'automobile qui en est aux prémices avec, par exemple, la simulation électronique de cibles radar. » Mais il s'agit souvent de marchés cycliques: les succès à l'exportation du Rafale et de projets de satellites ont évidemment eu des répercussions posi-tives sur l'industrie française. « Et cela est encore plus visible en radiocommunications, avec l'arrivée prochaine de la 5G. Les ventes sont sur des pentes positives,au moins en R&D, car la production se fera en Asie », poursuit Xavier Cheng.

« La croissance du marché des analyseurs de spectre, ou mieux de celui des analyseurs de signal, s'explique par l'explosion du sans-fil. Plus il y aura de périphériques sans fil connectés autour de nous, plus il y aura besoin de tests. Et les analyseurs de spectre et de signal sont des outils prépondérants dans la conception et le dépannage des applications millimétriques, de la 5G, des objets connectés, en Europe et dans le monde »,affirme Giovanni D'Amore (Keysight Technologies EMEAI). Pour Dean Miles, EMEA Technical Marketing Manager chez Tektronix, « ce qui tire le marché est l'occupation de la bande passante.Pour que le spectre électromagnétique ne soit pas plus encombré, des technologies toujours plus complexes sont développées pour travailler avec des largeurs de bande plus importantes (des 5 MHz du GSM et 25/30 MHz duWi-Fi au 1 GHz au moins annoncé pour la 5G) ».

Les analyseurs de spectre et de signal doivent aujourd'hui disposer de grandes largeurs d'analyse, mais aussi être capables d'intercepter des signaux fugitifs que l'on rencontre en recherche d'interférences, en compatibilité électromagnétique (CEM) et, de plus en plus souvent, en surveillance du spectre. « Les clients sont évidemment les organismes étatiques civils et les opérateurs de télécommunications, mais aussi les aéroports, les prisons et les agences liées à la sécurité du territoire. Pour ne pas laisser passer un seul phénomène, les analyseurs de spectre utilisés en surveillance doivent être hyper rapides,en ne travaillant que dans certaines bandes de fréquence », ajoute Cyril Noger (Anritsu France).

Considérés comme le pendant des oscilloscopes numériques pour les ingénieurs et concepteurs travaillant dans les hautes fréquences, les analyseurs de spectre et/ou de signal sont utilisés dans une grande variété d'applications : l'aéronautique et la défense, la maintenance, les télécommunications, la surveillance du spectre et, plus récemment, les objets connectés.

Tektronix

Un marché en forte croissance

Mais revenons, un instant, aux objets connectés. « Tous ces périphériques sans fil, dont la demande augmente très vite, s'accom-pagnent de besoins accrus en équipements de test pour vérifier les performances de ces produits d'une manière rapide et rentable », ajoute Michael Zeng (Siglent Technologies Europe). Les industriels recherchent donc des analyseurs de spectre travaillant à des fréquences comprises entre 9kHz et 3,2GHz et capables de capturer des signaux aux fréquences et aux modulations les plus populaires (bandes cellulaires et Wi-Fi, modulations AM et FM). Mais tous les acteurs ne sont pas aussi confiants dans le potentiel du marché de l'Internet des objets, arguant, à juste titre, que ces industriels ne vont pas forcément (beaucoup) investir dans des instruments de mesure pour tester des pots de fleurs thermostats, des pommeaux de douche ou des montres connectés. Mais il n'empêche que, au fur et à mesure de la diffusion du sans-fil dans la vie quotidienne, l'analyse de spectre n'est désormais plus réservée à des experts et intéresse des utilisateurs non spécialisés qui recherchent des appareils de mesure simples à mettre en œuvre.

Les quelques chiffres sur les marchés français et mondial traduisent effectivement l'importance du marché des analyseurs de spectre. Selon l'étude annuelle du marché de l'électronique français de l'AcsielAlliance électronique ( voir Mesures n° 897 ), le segment des analyseurs de spectre a affiché une croissance de 21% entre 2015 et 2016, pour un montant en chiffres d'affaires de 17,7 millions d'euros. « La part la plus importante de la croissance se fait au niveau des appareils fonctionnant à des fréquences au-delà de 13 GHz – la croissance n'est qu'une progression à un chiffre en deçà –, ce qui correspond à la montée en fréquence constatée avec la technologie 5G en télécommunications, les radars militaires et automobiles », constate Éric Fauxpoint, directeur du développement des nouvelles activi-tés EMEA d'Anritsu, qui est également responsable du club Études et marchés, ainsi que membre du comité Test et mesure d'Acsiel.

Offre en analyseurs de spectre et de signal de table

(1)Valeur spécifiée, sans pré-amplification (sauf mention contraire). (2)Valeur spécifiée à 10 kHz d'une porteuse de 1GHz (sauf mention contraire). (3) À partir de 1 kHz en option. (4) Avec pré-amplification. (5) Jusqu'à 31,25 MHz avec span 0. FI : Fréquence intermédiaire. Les fabricants Advantest et CobhamWIreless (ex-Aeroflex) ne proposent plus d'analyseurs de spectre et de signal de table.

Offre en analyseurs de spectre et de signal de table

(1)Valeur spécifiée, sans pré-amplification (sauf mention contraire). (2)Valeur spécifiée à 10 kHz d'une porteuse de 1 GHz (sauf mention contraire). (3) À partir de 1 kHz en option. (4) Avec pré-amplification. (6) Keysight Technologies va arrêter le 1 er décembre 2017 la série PSA (six modèles : E4440A, E4443A, E4445A, E4446A, E4447A et E4448A). EMI : interférences électromagnétiques. FI : fréquence intermédiaire.

Offre en analyseurs de spectre et de signal de table

(1)Valeur spécifiée, sans pré-amplification (sauf mention contraire). (2)Valeur spécifiée à 10 kHz d'une porteuse de 1GHz (sauf mention contraire). (6) Keysight Technologies va arrêter le 1 er décembre 2017 la série PSA (six modèles : E4440A, E4443A, E4445A, E4446A, E4447A et E4448A). EMI : interférences électromagnétiques. FI : fréquence intermédiaire.

Offre en analyseurs de spectre et de signal de table

(1)Valeur spécifiée, sans pré-amplification (sauf mention contraire). (2)Valeur spécifiée à 10 kHz d'une porteuse de 1 GHz (sauf mention contraire).

Offre en analyseurs de spectre et de signal de table

(1)Valeur spécifiée, sans pré-amplification (sauf mention contraire). (2)Valeur spécifiée à 10 kHz d'une porteuse de 1GHz (sauf mention contraire). (6) Keysight Technologies va arrêter le 1 er décembre 2017 la série PSA (six modèles E4440A, E4443A, E4445A, E4446A, E4447A et E4448A). EMI : interférences électromagnétiques. FI : fréquence intermédiaire.

Offre en analyseurs de spectre et de signal modulaires

(1)Valeur spécifiée, sans pré-amplification (sauf mention contraire). (2)Valeur spécifiée à 10 kHz d'une porteuse de 1 GHz (sauf mention contraire). (3) À partir de 1 kHz en option. (4) Avec pré-amplification. (5) Avec un niveau de référence de - 10 dBm.VST : Vector Signal Transceiver.

Offre en analyseurs de spectre et de signal modulaires

(1)Valeur spécifiée, sans pré-amplification (sauf mention contraire). (2)Valeur spécifiée à 10 kHz d'une porteuse de 1GHz (sauf mention contraire). (3) À partir de 1 kHz en option. (4) Avec pré-amplification. (5) Avec un niveau de référence de - 10 dBm.VST : Vector Signal Transceiver.

Française d'instrumentation PeakTech

Quelle que soit la catégorie de l'analyseur de spectre et/ou de signal, le bruit de phase est l'un des paramètres qui coûte le plus cher et qui fait donc la différence entre deux modèles. Mais d'autres paramètres sont à prendre en compte : la largeur de résolution dans le filtre, le plancher de bruit, la dynamique de mesure, la largeur de bande pour les analyseurs de signal.

GW Instek Rigol

Au niveau mondial, le cabinet d'études irlandais Research & Markets prévoit un taux de croissance annuel moyenné (CAGR) de 8,82 % pour le marché mondial global des analyseurs de spectre, qui passerait ainsi de 1,284 milliard de dollars à 1,96 milliard entre 2017 et 2022. Selon l'indienne Markets & Markets, autre société d'analyses, le CAGR serait de 8,48% entre 2016 et 2022, avec un marché passant de 999,2 millions de dollars à 1,75 milliard de dollars sur la période en question. Au vu de ces prévisions de croissance, il n'est pas étonnant que les fabricants ne cessent de développer de nouveaux analyseurs de spectre et de signal et d'améliorer les modèles existants.

Ces derniers mois seulement ont vu l'arrivée sur le marché de la série MS2710xA dédiée à la surveillance du spectre ( voir Mesures n° 882 ) et du modèle haut de gamme MS2850A du japonais Anritsu, de l'analyseur de signal très haut de gamme UXA N9041B de l'américain Keysight Technologies ( voir Mesures n° 892 ), du modèle sans écran RSA7100A de l'américain Tektronix ou encore celle des modèles d'entrée de gamme FPC1000 et FPL1000 ( voir Mesures n° 898 ) de l'allemand Rohde & Schwarz. A contrario, certaines gammes d'analyseurs de spectre et de signal, parfois de fabricants historiques, ne sont plus commercialisées: les U3771 et U3772 du japonais Advantest, le modèle 3250 du britannique Cobham Wireless (ex-Aeroflex). Dans cet article, nous aborderons les analyseurs de spectre et de signal de table ( voir tableaux de la page 48 à 52 ) et modulaires ( voir tableaux des pages 54 et 55 ), mais pas les modèles portables.

Analyseur de spectre ou de signal ?

Avant de regarder les critères à prendre en compte dans l'acquisition d'un analyseur de spectre ou de signal, intéressons-nous à leur principe de fonctionnement. Pour permettre de visualiser directement le spectre fréquentiel d'un signal, le signal d'entrée, après être passé dans un filtre passe-bas –son rôle est d'éliminer les composantes du signal d'entrée qui pourraient intervenir dans le mélange–, est mélangé à un signal de fréquence variable fourni par un oscillateur local (OL), lui-même commandé par une rampe. Il existe d'ailleurs des mélangeurs externes qui permettent d'atteindre un plancher de bruit et un facteur de bruit plus bas, pour un coût moindre qu'avec des mélangeurs internes.

En sortie du mélangeur, les premières fréquences sont fOL +fSignal et |fOL - fSignal |, et l'on choisit généralement la fréquence intermédiaire (FI). Pour travailler dans les fréquences (très) élevées, telles que les micro-ondes, les modèles associent, en amont, des abaisseurs de fréquence à l'analyseur en bande de base.

« C'est notamment cette transposition à une fréquence intermédiaire qui définit la qualité et la gamme de l'appareil. Et en particulier la qualité des mélangeurs ( mixers ), souvent à plusieurs étages,et de l'oscillateur libre,car les fréquences images qui vont apparaître, en plus de la FI, peuvent gêner et compliquer l'acquisition du signal utile », explique Xavier Cheng (Rohde & Schwarz France). C'est donc après les mélangeurs que se trouve le filtre de fréquence intermédiaire, en fait un filtre passe-bande de largeur 2 f. En sortie de ce filtre, la fréquence dans la bande fFI ± fcorrespond aux composantes du signal d'entrée situées dans la bande f OL - fFI ± f. Il s'agit donc d'une fenêtre, de largeur f, que l'on balaye sur le spectre du signal à analyser, et ce filtre définit ainsi la résolution spectrale de la mesure ( Resolution Bandwidth ou RBW).Le balayage en fréquence s'obtient par une variation de la fréquence de l'oscillateur local.

Keysight Technologies

L'analyse de spectre est l'un des segments de marché du test et de la mesure les plus porteurs ces dernières années, une croissance soutenue en particulier par la montée en fréquence constatée avec la technologie 5G en télécommunications, les radars militaires et automobiles.

Siglent Technologies

Après ces étapes de transposition et de filtrage, les analyseurs de spectre à balayage de fréquence (système hétérodyne), aujourd'hui plutôt des modèles d'entrée de gamme, mettent en œuvre un détecteur de crête, pour mesurer la valeur crête du signal, ou un dispositif de mesure de valeur efficace ( Root Mean Square ou RMS) thermique ou analogique, pour mesurer la valeur efficace du signal. Dans les analyseurs de spectre en temps réel, le signal issu du filtre de FI est converti en numérique, puis on lui applique divers traitements de signal, d'où une plateforme matérielle intégrant FPGA et circuits spécifiques.

D'aucuns doivent se demander pourquoi l'on parle à la fois d'analyse de spectre et d'analyseur de signal. Michael Zeng (Siglent Technologies Europe) décrit « un analyseur de spectre comme un instrument de mesure d'usage général, conçu pour capturer et afficher l'amplitude de signaux RF en fonction de la fréquence. On l'utilise pour la surveillance de diffusion, l'identification de sources d'interférences, la caractérisation de composants, les dépannages, le test électromagnétique, etc. » Pour Giovanni D'Amore (Keysight Technologies EMEAI), « un analyseur de signal regroupe les fonctions d'un analyseur de spectre et d'un analyseur de signal vectoriel. Ce dernier mesure l'amplitude et la phase du signal d'entrée,à une fréquence donnée et dans la largeur de la FI. L'utilisation première d'un analyseur de signal vectoriel est de réaliser des mesures dans le canal,telles que l'EVM [Error Vector Magnitude ou amplitude du vecteur d'erreur, NDLR], la Code Domain Power , la planéité spectrale, sur des signaux connus ».

« Lorsque la complexité du signal à analyser est plus importante,on bascule vers l'analyseur de signal.Mais il s'agit pour nous de la même machine, dans laquelle deux fonctions totalement dé-corrélées cohabitent dans le même châssis, d'où un encombrement réduit », indique toutefois Cyril Noger (Anritsu France). Et Xavier Cheng (Rohde & Schwarz France) de renchérir: « il ya des années, la séparation entre analyseur de spectre (sans démodulation) et analyseur de signal (avec démodulation) était forte, car les matériels étaient différents. Aujourd'hui, ce n'est pas le cas, l'expression est devenue démodée ».

Un paramètre clé, le bruit de phase

Une fois la bande de fréquences de l'application (surtout la fréquence maximale) définie, les critères d'achat d'un analyseur de spectre ou de signal concernent des performances plus intrinsèques. Comme l'a sous-entendu Xavier Cheng (Rohde & Schwarz France) en évoquant la qualité des mélangeurs et de l'oscillateur libre, l'un des tout premiers paramètres à regarder est le bruit de phase. « C'est d'ailleurs l'un des paramètres qui coûte le plus cher et qui fait donc la différence entre deux modèles, voire deux mondes. Sachant que le bruit de phase a fait un bond énorme en une dizaine d'années (plus de 20 dB, soit une multiplication par au moins 100) », poursuit-il. Un analyseur de spectre FSC, un modèle d'entrée de gamme dans l'offre de l'allemand, affiche un bruit de phase de - 95dBc/Hz à 30kHz d'une porteuse de 500MHz; un analyseur de signal haut de gamme FSW se distingue par un bruit de phase de - 134dBc/Hz à 10kHz d'une porteuse de 1GHz.

Lorsque la complexité du signal à analyser est plus importante, les utilisateurs basculent vers les analyseurs de signal, qui regroupent en fait les fonctions d'un analyseur de spectre et d'un analyseur de signal vectoriel pour les mesures dans le canal.

Anritsu Keysight Technologies Tektronix Rohde & Schwarz

Un tel niveau de performance est obligatoire, par exemple, avec les radars pour pointer des cibles assez lointaines avec le moins de gigue possible, ou en modulation pour détecter finement les changements d'orientation de la phase. « Après le bruit de phase et le facteur de bruit [la dégradation du rapport signal à bruit (SNR), NDLR], les autres paramètres à prendre en compte sont la largeur de résolution dans le filtre, qui joue sur la vitesse de balayage, pour un analyseur de spectre, ou le CAN,le DANL [Displayed Average Noise Level ou plancher de bruit, NDLR ], la dynamique de mesure et la largeur de bande pour les analyseurs de signal », énumère Cyril Noger (Anritsu France).

Pour le DANL, les valeurs sont indiquées dans deux configurations différentes, à savoir avec ou sans pré-amplification, ce qui amène à des différences importantes. Par exemple, le plancher de bruit du nouvel analyseur de signal MS2850A d'Anritsu est de - 141 dBm/Hz à une fréquence de 1GHz sans pré-amplification et de - 160dBm/Hz avec pré-amplification. Et il faut également faire attention au petit astérisque de bas de page, qui précise s'il s'agit d'une puissance d'une bande de 1 Hz ou d'une puissance d'une bande de 10 Hz normalisée ensuite à 1 Hz. « La Spurious Free Dynamic Range (SFDR),à savoir la dyna-mique de mesure, correspond à la possibilité de mesurer un signal faible à proximité d'un signal fort. C'est donc un paramètre critique pour les utilisateurs qui veulent savoir si les parasites visualisés font réellement partie de leur signal, ou non », explique Dean Miles (Tektronix EMEA).

Les paramètres caractérisant un analyseur de spectre ou de signal ne s'arrêtent pas là. On peut notamment mentionner la sensibilité, la largeur d'analyse et la vitesse de l'appareil – un critère important notamment en production, par exemple la conversion d'un script pour enchaîner les mesures. « La sensibilité correspond à l'amplitude minimale d'un signal pouvant être détectée par un analyseur de spectre. Ce paramètre devient important lorsqu'il s'agit de signaux reçus en direct. Le plancher de bruit de l'analyseur de spectre définit alors sa sensibilité, mais,plus l'atténuation est faible et plus le filtre RBW est étroit, plus le plancher de bruit est faible », précise Dean Miles (Tektronix EMEA).

En ce qui concerne la largeur d'analyse ou bande de capture de paires I/Q, il y a une poussée de croissance : si la majorité des analyseurs de signal propose une largeur d'analyse de plusieurs dizaines de mégahertz, le développement de la 5G, par exemple, impose désormais des largeurs d'analyse de quelques centaines de mégahertz, voire 1GHz (UXA N9040B de Keysight Technologies ; et même 5GHz via un oscilloscope numérique) ou 2GHz (FSW de Rohde & Schwarz). Une bande de capture de paires I/Q plus grande s'accompagne d'une fréquence d'échantillonnage plus élevée au niveau du CAN.

À cette liste, Giovanni D'Amore (Keysight Technologies EMEAI) ajoute encore « la possibilité de mettre à jour la fréquence maximale,la largeur d'analyse ou les applicatifs de mesure de l'appareil, car un analyseur de spectre ou de signal peut très bien être utilisé pendant plus de dix années et donc s'adapter aux besoins évoluant dans le temps de l'utilisateur. Sans oublier non plus les aspects liés à l'étalonnage, comme la proximité d'un prestataire, voire idéalement du service du fabricant luimême ».

Simplifier l'interface utilisateur

Les performances métrologiques ne sont toutefois plus les seuls critères entrant dans le choix d'un analyseur de spectre ou de signal. Comme évoqué au début de cet article, l'analyse de spectre se démocratisant de plus en plus ces dernières années, des non-spécialistes sont amenés à utiliser ces appareils. C'est ainsi que les fabricants ont notamment fait des efforts particuliers sur l'interface utilisateur de leurs modèles, que ce soit des analyseurs de signal haut de gamme ou des analyseurs de spectre plus économiques. « En termes d'interface homme-machine, nous avons changé d'univers : une personne n'ayant jamais utilisé un analyseur de spectre ou de signal ne doit pas se plonger dans le manuel pour réaliser ses premières mesures », affirme Xavier Cheng (Rohde & Schwarz France).

Aa ron ia

Avec la demande croissante de sécurité civile et militaire, la surveillance du spectre devient un marché intéressant pour les fabricants d'analyseurs de spectre. Mais il ne s'agit pas d'appareils de table traditionnels, mais des versions rackables ou déportées.

Anritsu Bird Technologies Rohde & Schwarz

Des écrans plus grands, voire des écrans tactiles, ont donc fait leur apparition, sachant que les jeunes générations d'utilisateurs privilégient l'écran tactile. On ne demande pas à un écran tactile de remplacer une interface basée sur les boutons, mais de faciliter la vie des ingénieurs (zoom en écartant deux doigts, par exemple). « Pour notre première génération d'analyseurs de spectre économiques SSA3000X,nous avons opté,en plus de bonnes performances, pour une interface utilisateur plus intuitive,avec la présence d'un écranTFT 10,1 poucesWSVGA, des mesures automatisées plus conviviales et davantage de capacités de démodulation », rappelle Michael Zeng (Siglent Technologies Europe).

L'amélioration des interfaces a également permis aux utilisateurs de ne pas être déboussolés en passant d'un modèle à un autre, ou encore ensurveil-lance du spectre où les analyseurs de spectre sont déportés sur le terrain. Une autre tendance est apparue ces dernières années. En plus des logiciels (89600 de KeysightTechnologies,VSE de Rohde & Schwarz, SigView de SignalLab) et des analyseurs de spectre modulaires –il existe sur le marché des ressources aux formats AXIe, PXI et PXI Express– sont en effet apparus des appareils se présentant sous la forme d'un boîtier USB et même, désormais, des oscilloscopes numériques.

« Depuis quelques années, la tendance est de disposer de plusieurs instruments dans les oscilloscopes, et notamment un analyseur de spectre avec une très bonne dynamique de mesure et une largeur d'analyse importante. C'est le cas de nos modèles MDO3000 et MDO4000C », constate Dean Miles (Tektronix EMEA). « Pour rendre les analyseurs de spectre abordables pour d'autres utilisateurs, il faut tendre vers le haut de gamme en termes de spécifications, et vers le milieu de gamme en ce qui concerne le coût. Et il y a aussi la notion de time-to-market . Nous avons développé un vrai savoir-faire dans ce domaine, avec la technologie ShockLine », affirme Éric Fauxpoint (Anritsu EMEA).