8563A. SPECTRUM ANALYZER 9 khz GHz ANALYSEUR DE SPECTRE

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1 8563A SPECTRUM ANALYZER 9 khz GHz ANALYSEUR DE SPECTRE

2 Agenda Vue d ensemble: Qu est ce que l analyse spectrale? Que fait-on comme mesures? Theorie de l Operation: Le hardware de l analyseur de spectre Caractéristiques: Quelles sont les plus importantes et pourquoi? Dispositifs Rendant l analyseur plus performants Résumé Spectrum Analysis Basics CMB 12/96

3 Agenda Vue d ensemble Theorie de l opération Caractéristiques Dispositifs Résumé

4 SPECTRUM ANALYZER 9 khz GHz Vue d ensemble Qu est ce que l analyseur de spectres? 8563A

5 Vue d ensemble Qu est ce que l analyseur de spectres? Un Analyseur de spectre est un dispositif utilisé pour examiner la composition spectrale des signaux électriques, acoustiques ou optique. La plus part du temps Il trouve ses application dans la mesure des spectres de puissance.

6 Vue d ensemble Types detests Effectués Modulation Bruit Distortion

7 Vue d ensemble Frequence versus Domaine Temporel Amplitude (puissance) frequence temps Mesures dans le domaine temporel Mesures dans le domaine fréquentiel

8 Vue d ensemble Frequence versus Domaine Temporel Le spectre :Un spectre dans le sens pratique est une collection de sinusoïdes, une fois combiné correctement produit le signal exigé dans le domaine temporel Le domaine fréquentiel a également ses propres mesures. Le domaine fréquentiel est meilleur pour déterminer le contenu harmonique d'un signal.

9 Vue d ensemble Differents Types d Analyseurs Un analyseur de spectre analogue emploie ou bien un filtre passe-bande variable dont la fréquence médiane est automatiquement accordée (décalé, balayé) pour la gamme des fréquences pour laquelles le spectre doit être mesuré ou un récepteur de superheterodyne dont l'oscillateur local est balayé par une gamme des fréquences Un analyseur de spectre numérique calcule la transformée de Fourier rapide (FFT), un processus mathématique qui transforme un signal en composants de son spectre de fréquence

10 Vue d ensemble Differents Types d Analyseurs: Analyse Spectrale Dans divers domaines impliquant des signaux il y a besoin de s'assurer la nature du signal en plusieurs points. Les caractéristiques du signal affectent les paramètres de l'opération d'un système. L'analyse du spectre implique la plupart du temps l'étude d'un signal entrant dans un système ou produit par lui-même Les analyseurs de spectre montrent habituellement l'information crue et non-traitée du signal telle que la tension, la puissance, la période, la forme d'onde, les bandes latérales, et la fréquence. Ils peuvent nous fournir une fenêtre claire et précise dans le spectre de fréquence.

11 Vue d ensemble Differents Types d Analyseurs: Analyse Spectrale Dépendant de l'application, un signal peut avoir plusieurs caractéristiques différentes. Par exemple, dans les communications, afin d'envoyer l'information telle que la voix ou des données, il doit être modulé sur une porteuse de fréquence plus élevée. Un signal modulé aura des caractéristiques spécifiques selon le type de modulation utilisé. En examinant les dispositifs non linéaires tels que les amplificateurs ou les mélangeurs, il est important de comprendre comment ceux-la créent des distorsions et à ils ressemblent. Comprendre les caractéristiques du bruit et à quoi ressemble un signal bruit comparé à d'autres types de signaux peuvent également aider à l analyse du système

12 Vue d ensemble Differents Types d Analyseurs: Analyse Spectrale Quand la précision parle Comprendre les aspects importants d un analyseur de spectre pour mesurer tous ces types de signaux vont aider à faire des mesures plus précis et interpréter les résultats correctement en toute confiance. Il y a une différence entre la rapidité de la mis à jour de l'affichage et la résolution de la fréquence, qui est par exemple approprié pour la distinction des composants de la fréquence qui sont proches

13 Vue d ensemble Differents Types d Analyseurs Fondamentalement, l analyseur de Fourier prend un signal dans le domaine temps, le digitalise en utilisant l échantillonage et après performe les calculs mathématiques nécessaires pour le convertir dans le domaine fréquentiel et afficher le spectre résultant. A Analyseur de Fourier Filtres Parallels mesuré simultanement f 1 f 2 le spectre sur écran f

14 Vue d ensemble Differents Types d Analyseurs Analyseur à balayage Le type d analyseur de spectre le plus commun est le récepteur à balayage C est le plus largement accepté, un outil d utilité générale pour la mesure dans le domaine fréquentiel. La technique la plus utiliséest la technique superhétérodyne. A Filtre effectue le balayage' sur l intervalle interessant f 1 f 2 le spectre sur écran f

15 Vue d ensemble Differents Types d Analyseurs: Analyseur de spectre FFT LE SYSTEME DE MESURE L'analyseur regarde la gamme de fréquence entière en même temps à l'aide des filtres parallèles mesurant simultanément. Il capte l'information du domaine de temps qui contient toute l'information fréquentiel. Avec ses possibilités d'analyse du signal en temps réel, l'analyseur de Fourier peut capturer des événements périodique ainsi qu aléatoires et passagers. Il peut aussi améliorer la vitesse par rapport au plus traditionnel analyseur à balayage, il peut mesurer la phase aussi bien que l amplitude

16 Vue d ensemble Differents Types d Analyseurs: Analyseur de spectre FFT Un paramètre important de l analyseur FFT, c est le taux des points de l échantillonneur. Afin de représenter correctement un signal analogique avec des valeurs discrètes, il doit être échantillonner à un taux suffisamment élevé. Selon le théorème d'échantillonnage, un signal doit être échantillonné à un taux égal deux fois la fréquence la plus élevée (le taux de Nyquist). Tout composant dont la fréquence est plus élevée que le taux de Nyquist apparaîtra dans la mesure comme composant de plus basse fréquence.ce phénomène s'appelle "aliasing". Pour éviter "aliasing ", un filtre passe-bas analogique est placé à l'entrée avant l'échantillonneur. Le filtre passe bas détermine la fréquence la plus haute de l analyseur FFT

17 Vue d ensemble Differents Types d Analyseurs: Analyseur de spectre FFT Rôle du filtre passe bas Le taux auquel les signaux peuvent être représentés sans erreur est la moitié du taux maximum d'échantillonnage Les signaux sont souvent coupés à une plus basse fréquence pour fournir des taux d'échantillonnage plus grands que le double des composants maximum de fréquence. Typiquement la coupure du filtre passe-bas est 2.5 fois moins que le taux maximum d'échantillonnage de l'analyseur. Ceci détermine le composant maximum de fréquence.

18 Vue d ensemble Differents Types d Analyseurs: Analyseur de spectre FFT Operation Si le nombre d échantillons reste fixe avec l augmentation de la gamme de fréquence, l espace des fenêtres de fréquences augmentent, aisi la résolution en fréquence décroît. Une alternative c est l augmentation du nombre d échantillons acquis. Ceci va augmenter le taux d échantillonnage. Si le temps de calcul de la FFT était plus rapide que le taux auquel les données ont été échantillonnées alors la FFT pourrait être effectuée en tout point. Un courtcircuit c est de prendre un certain nombre d échantillons et les transférer dans un buffer intermédiaire(circuit bloquant). La FFT prend les données de ce buffer pour effectuer ses opérations Si la FFT est calculée avant que l enregistrement du prochain temps ne soit placé dans le buffer, alors l analyseur fonctionne en temps réel.

19 Vue d ensemble Differents Types d Analyseurs : Analyseur de spectre FFT Observations Le nombre d échantillons dans temps d enregistrement est inversement proportionnel à la fenêtre de fréquence. Il prend moins de temps de calculer la FFT pour des fenêtres de fréquences plus large. Le point auquel le temps d enregistrement de la fenêtre de fréquence est égal au temps de calcul de la FFT est appelé largeur de bande en temps réel.

20 Vue d ensemble Differents Types d Analyseurs: Analyseur de spectre à balayage Fondamentalement, ces analyseurs «balaye" la gamme de fréquence d'intérêt, montrant tous les composants de fréquence présents. L'analyseur à balayage fonctionne juste comme une radio AM à la maison sauf que sur la radio, le cadran commande l'accord et au lieu d'un affichage, votre radio a un haut-parleur. La technique du récepteur à balayage permet de faire des mesures de domaine des fréquences sur une gamme dynamique étendue et un grand choix de fréquence. Elle a des contributions significatives à l'analyse du signal dans le domaine fréquentiel dans de nombreuses applications, y compris la fabrication et l'entretien des liaisons de micro-onde, du radar, des télécommunications équipement, des systèmes du câble TV, et de l'équipement d'émission ;systèmes de communication mobiles

21 Vue d ensemble Differents Types d Analyseurs: Analyseur de spectre à balayage Opération Un Oscillateur contrôlé par la tension (VCO) balaye une gamme de fréquences qui sont mélangées avec le signal entrant. Le signal d entrée et le signal du VCO passent à travers un mélangeur Un mélangeur est un dispositif non linéaire qui produit la somme et la différence entre le signal original et le signal du VCO, tout comme les signaux originaux et leurs harmoniques. Un filtre de fréquence intermédiaire (FI) va extraire la somme ou la différence désirée des signaux originaux. Le détecteur produit un niveau de tension relative à la quantité de puissance reçue du signal d entrée. Pendant que le VCO balaye différentes fréquences, le détecteur produit une tension correspondante ou une mesure de puissance

22 Vue d ensemble Differents Types d Analyseurs: Analyseur de spectre à balayage OBSERVATIONS Un paramètre important de l'analyseur à balayage est la résolution.de largeur de bande Il est déterminé par la partie de filtre FI au-dessous du point minimum de perte d'insertion Souvent la section du filtre FI est composé d un nombre de filtres qui ensemble détermine la résolution de la largeur de bande. La résolution de bande est affecté par la vitesse avec laquelle l instrument balaye la gamme de fréquence Le filtre FI demande un certain temps pour répondre aux signaux qui sont à l entrée, alors l analyseur ne peut pas balayer la gamme de fréquence très vite. Deux ereurs peuvent être dues à un balayge très rapide de la gamme de fréquence. Premièrement, l amplitude est à un niveau plus bas que si le balayage était moins rapide. Deuxièment, le signal est décalé en fréquence.

23 Vue d ensemble Differents Types d Analyseurs Balayage FFT Un des avantages principaux qu a l analyseur è balayage sur l analyseur FFT c est la gamme de fréquence.car l analyseur FFT a besoin d acquérir un signal digital dans le domaine temps, la gamme de fréquence de l analyseur FFT dépend du taux d échantillonnage du CAN. Le taux d'échantillonnage de l'analyseur détermine la fréquence la plus élevée qui peut être analysée avec la FFT. La technologie des CAN permet d'obtenir des taux d'échantillonnage de l'ordre des mégahertz.les analyseurs de spectre à balayage peuvent, d'autre part, mesurer des fréquences de l'ordre des gigahertz. Un avantage principal de l'analyseur de FFT sur l'analyseur de spectre à balayage est sa vitesse.puisque le taux de balayage est proportionnel au carré de la résolution de bande, le taux de balayage diminue pour de faibles résolution de bande. Ceci augmente tout le temps de mesure. L'analyseur de FFT est seulement limité en temps, combien de temps il prend pour acquérir les données et pour calculer le FFT.

24 Vue d ensemble Differents Types d Analyseurs CONSEIL Il est important de prendre en considération les effets des propriétés de chaque instrument sur les mesures quand on fait le choix d un instrument pour l analyse spectral en haute fréquence. Faire des mesures en hautes fréquences demande un instrument qui a une gamme de fréquence approprié. Les analyseurs FFT ont une gamme de fréquence plus basse que celle des analyseurs à balayage. On déduit que ces derniers sont le meilleur choix pour les gammes de fréquences hautes. Si la durée du temps de mesure est critique, tel une analyse passagère alors l analyseur FFT est lz meilleur choix à cause de sa vitesse. Car l analyseur à balayage ne donne pas d information sur la phase, l analyseur FFT doit être sélectionné si cette information est désirée.

25 Agenda Vue d ensemble Theorie de l operation Caractéristiques Dispositifs Résumé

26 Theorie de l opération Schéma synoptique de l analyseur de spectre RF input attenuator mixer IF gain IF filter detector Input signal Pre-Selector Or Low Pass Filter local oscillator Log Amp video filter sweep generator Crystal Reference CRT display

27 Theorie de l opération Schéma synoptique de l analyseur de spectre Les composants principaux d un analyseur de spectre sont: Atténuateur d entrée RF, Mélangeur Gain FI (Fréquence Intermédiaire), Filtre FI, Détecteur Filtre Vidéo Oscillateur local Générateur de rampe Affichage (tube cathodique)

28 Theorie de l opération Mixer MIXER input f sig RF IF LO f sig f - f LO sig f LO f + LO f sig f LO

29 Theorie de l opération Mixer (Mélangeur) Un mixer est un dispositif qui convertit un signal d une fréquence à une autre. Un mixer est un dispositif non linéaire ( les fréquences à la sortie n ont pas été présente à l entrée) La sortie d un Mixer est composée des deux signaux originaux (f sig and f LO ) ainsi que la somme (f LO +f sig ) et la difference (f LO -f sig ) des frequences de ces deux signaux. Dans un analyseur de spectre, la différence des fréquences est la fréquence qui nous interesse. Le Mixer a convertit le signal d entrée RF en un signal FI (Fréquence Intermédiaire) que l analyseur peut maintenant filtrer, amplifier et détecter dans le but de l afficher sur l écran.

30 Theorie de l opération IF Filter ou Filtre FI (fréquence intermédiaire) IF FILTER Input Spectrum IF Bandwidth (RBW) Display

31 Theorie de l opération IF Filter ou Filtre FI (fréquence intermédiaire) Le Filtre FI est un filtre passe bande utilisé comme «fenêtre» pour détecter les signaux. Sa largeur de bande est aussi appelée résolution de bande (the resolution bandwidth (RBW) ) de l analyseur et peut être changer à partir du panneau frontal. En mettant au point une large gamme de variétés de résolution de bande, l instrument peut être optimiser pour les conditions de balayage et du signal, laissant la sélectivité de différence de fréquence (la capacité de résoudre les signaux), rapport signal/bruit (SNR), et vitesse de mesure. Dès que la RBW est étroite, la sélectivité est améliorée ( On peut résoudre les deux signaux d entée). Cela va améliorer le SNR. La vitesse de balayage va par contre se dégrader avec une RBW étroite. La mise au point optimale de la RBW dépend lourdement des caractéristiques des signaux qui nous interessent.

32 Theorie de l opération Detecteur DETECTOR amplitude "bins" Détection Positive : Plus grande valeur dans l intervalle est montrée Détection Négative : Plus petite valeur est montrée Détection d échantillon : Dernière valeur dans l intervalle est montrée

33 Theorie de l opération Detecteur L'analyseur doit convertir le signal FI en un signal de bande de base ou vidéo pour qu il soit visualiser sur l afficheur de l instrument. Ceci est accompli avec un détecteur d'enveloppe qui va guider le faisceau du tube cathodique sur l'axe des ordonnées, ou l'axe d'amplitude. Beaucoup d'analyseurs de spectre modernes, qui ont des afficheurs numériques, digitalisent d'abord le signal vidéo avec un convertisseur analogique-numérique (CNA). Cela va influer l affichage du signal pour plusieurs modes de détecteurs Le mode de détecteur de crête positive- capture et affiche la valeur maximale du signal sur la durée d un seul tracé. Ce mode est bon pour analyser des sinusoids, mais a tendance à répondre au bruit en l absence de sinusoids. n'est présent. De même, le mode de détecteur de crête négative capture la valeur minimale du signal pour chaque «fenêtre».

34 Theorie de l opération Detecteur (Suite) En mode de détection d'échantillon, une valeur aléatoire pour chaque "casier«(bin) des données est produite. Ce mode de détection est le meilleur pour calculer la valeur RMS du bruit, mais il peut ne pas détecter les crêtes des signaux à bande étroite quand le RBW est plus étroit que l'espacement de fréquence des casiers. Pour afficher les signaux et le bruit ensemble, un mode de détection appelé le mode normal de détection(ou parfois le détecteur de rosenfell) est utilisé Dans ce mode, si le signal vidéo augmente ou diminue d une manière monotone pendant la période représentant un tracé, alors il est supposé qu un composant spectral est entrain d être mesurer et que la détection de crête positive est utilisée. Quand une valeur minimum est affichée, la valeur maximum est enregistrée et comparée à la valeur maximum pour le prochain tracé. La valeur la plus élevée est affichée.cette technique fournit une meilleure visualisation du bruit aléatoire que la détection de crête

35 Theorie de l opération Filtre Vidéo FILTRE VIDEO

36 Theorie de l opération Filtre Vidéo Le filtre video est un filtre passe bas qui est placé après le détecteur d enveloppe et avant le convertisseur ADC. Le filter va déterminer la bande passante de l amplificateur vidéo et est utilisé pour moyenner ou lisser le tracé vu sur l écran. L analyseur de spectre affiche le signal-plus-le bruit alors si le signal est trop proche du niveau du bruit, le bruit va rendre le signal difficilement lisible. En changeant la mise au point de la bande passante vidéo(vbw), on peut diminuer les variations crête à crête du bruit. Ce type d affichage par lissage peut être utiliser pour retrouver les signaux noyés dans le bruit.

37 Theorie de l opération Autres Composants LO RF INPUT ATTENUATOR IF GAIN SWEEP GEN frequency CRT DISPLAY

38 Theorie de l opération Autres Composants L oscillateur local est un oscillateur contrôlé en tension (VCO) qui en fait contrôle l analyseur de spectre. Le générateur de rampe réellement contrôle le OL de telle sorte que la variation dans la fréquence soit proportionnelle à la tension de la rampe. Ceci aussi va faire une déflection du tube cathodique horizontalement à travers l écran de gauche à droite, créant un domaine de fréquence sur l axe des x. L atténuateur d entrée RF est un atténuateur par pas placé entre l entrée et le premier mixer(mélangeur). Il est auusi appelé atténuateur RF Ceci est utilisé pour ajuster le niveau du signal incident sur le premier mixer. Ceci est important dans le but de prévenir la compression du gain du mélangeur et distorsion dus au niveau haut et/ou la largeur de bande du signal

39 Theorie de l opération Autres Composants: suite Le gain FI est placé après le mélangeur mais avant Le filtre FI, ou le RBW. Il est utilisé pour ajuster la position verticale sur l écran sans influencer le niveau du signal à l entrée du mélangeur. Quand la valeur du gain FI est changée le niveau de référence varie proportionnellement. A partir du moment ou on ne veut pas que le niveau de référence (i.e la position verticale des signaux affichés) Quand on varie l atténuateur, ces deux composants sont liées ensemble. Le gain FI va automatiquement varier pour compenser les variation de l atténuateur d entrée, alors les signaux vont rester stationnaires dans le tube cathodique, et le niveau de référence n est pas varié.

40 Theorie de l opération Comment fonctionne le tout ensemble f s Signal Range LO Range (GHz) f LO - f s f LO f LO +f s f s IF filter input mixer f s detector 3.6 sweep generator f IF A LO f LO (GHz) CRT display (GHz) f

41 Theorie de l opération Comment fonctionne le tout ensemble Premièrement, le signal à analyser est connecté à l entrée de l analyseur du spectre. Le signal d entrée est alors combiné avec le OL à travers le mixer pour le convertir à une FI. Ces signaux sont alors envoyés vers le filtre FI. La sortie de ce filtre est détecté, indiquant la présence de composants d un signal.la sortie en tension du détecteur est utilisé pour conduire l axe vertical (amplitude) de l analyseur de spectre. Le générateur de rampe synchronise l axe horizontale de l affichage et le contrôle de OL. L affichage résultant montre l amplitude en fréquence des composants spectrale pour chaque signal entrant. Les flèches horizontales sont utiliser pour illustrer le balayage de l analyseur. Commençant par un OL de 3.6 GHz, la sortie du mixer a quatre signaux un d entre eux est à la fréquence de 3.6 GHz (f LO)

42 Theorie de l opération Comment fonctionne le tout ensemble Le filtre FI est aussi à 3.6 GHz (sa forme a été imposé sur le graphe des fréquence pour clarité). Alors on s attend à voir le signal sur l afficheur. A 0Hz sur le tube cathodique, on voit réellement un signal, ceci est appelé OL «feedthrough. Le générateur de rampe se déplaçant vers la droite entraîne le OL pour balayer vers le haut en fréquence. Quand le OL Feedthrough va changer, on le voit taper off sur le panneau frontal.dès que la différence des fréquences (f LO - f s )arrive à la jupe du filtre FI on commence à le voir. Quand il est au centre (e.g. 3.6 GHz) l amplitude entière de ce signal sur l écran. Le signal balayes à travers la valeur fixe du filtre FI et proprement affichés sur l écran de l analyseur.

43 SPECTRUM ANALYZER 9 khz GHz Softkeys Theorie de l opération Front Panel Operation Primary functions (Frequency, Amplitude, Span) 8563A Control functions (RBW, sweep time, VBW) RF Input Numeric keypad

44 Agenda Vue d ensemble Théorie de l operation Caractéristiques Dispositifs Résumé

45 SPECTRUM ANALYZER 9 khz GHz Caractéristiques 8563A Gamme de fréquence Précision, Frequence & Amplitude Résolution Sensibilité Distortion Gamme dynamique

46 Specifications Gamme de fréquences Basses fréquences pour bande de de base et et FI FI Mesure des des harmoniques 50 50GHz et et au au delà!

47 Caractéristiques Précision Amplitude absolue en dbm Amplitude relative en db Frequency Fréquence relative

48 Caractéristiques Précision: Précision de la lecture de la fréquence Spécifications typiques de datasheet : Envergures < 2 MHz: ± (freq. lue x Précision freq. ref. Accuracy + 1% de l envergure de frequence + 15% de la resolution de la largeur de bande + 10 Hz erreur résiduelle")

49 Caractéristiques Précision: Exemple de précision de lecture de la fréquence Exemple De Marqueur Simple 2GHz 400 khz Envergure 3 khz RBW Calcul: 9-7 (2x10 Hz) x (1.3x10 /yr.ref.error) 1% of 400 khz span 15% of 3 khz RBW 10 Hz residual error Total = = = = = +_ 260 Hz 4000 Hz 450 Hz 10 Hz 4720 Hz

50 Caractéristiques Précision: Précision de l amplitude relative Fidélité d'affichage Réponse en fréquence Atténuateur RF d'entrée Niveau de référence Résolution de la largeur de bande Graduation du tube

51 Caractéristiques Précision: Précision de l amplitude relative - Fidélité d affichage Appliqué quand les signaux ne sont pas placé dans la même référence d amplitude L affichage de fidélité comprend Un Amplificateur Log or fidélité linéaire Detecteur de linéarité Digitalisation de la linéarité du circuit Technique pour une meilleur précision

52 Caractéristiques Précision: Précision de l amplitude relative Réponse fréquentielle Signaux dans la même Bande Harmonique +1 db 0-1 db BANDE 1 Caractéristique: ± 1 db

53 Caractéristiques Précision: Précision de l amplitude relative Atténuateur RF d'entrée Niveau de référence Résolution de la largeur de bande Graduation du tube

54 Caractéristiques Précision: Précision de l amplitude absolue Précision du calibrage Réponse en fréquence Incertitude du niveau de référence

55 Caractéristiques Précision : Autres sources d incertitude Disparité (le port de l entrée RF n est pas exactement 50 ohms) Compression due à la surcharge Distortion (Signal d entrée trop élevé) Amplitudes au dessous de la gamme d amplification Signaux proche du bruit Bruit causant des variations dans l amplitude Deux signaux incompletement résolus

56 Caractéristiques Résolution Par Quoi est déterminée la Résolution? Resolution Bandwidth Residual FM RBW Type and Selectivity Noise Sidebands