Tektronix RSA306 : un analyseur de signaux haute performance compact

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1 Tektronix RSA306 : un analyseur de signaux haute performance compact Publication: 30 janvier Le RSA306 Tektronix est un analyseur de spectre de faible puissance, compact, conçu pour la portabilité... Il peut être utilisé avec les ordinateurs portables et les tablettes PC équipés d une connexion USB 3.0 ; connexion qui assure l intégralité de son alimentation (moins de 4,5 W). Le traitement, l affichage et le stockage des données sont gérés sur le PC ; ce qui en fait un analyseur de spectre portable et de petite taille.. Néanmoins, les contraintes de taille et de puissance ont un impact sur les performances RF possibles. Cet article porte sur les compromis nécessaires pour produire un analyseur de spectre polyvalent dans un très petit format (environ 1" x 5" x 7,5"), tout en conservant une grande partie des performances et de la facilité d utilisation des instruments beaucoup plus grands. Spécifications de l instrument Le RSA306 est un analyseur de spectre temps réel, ce qui signifie qu il acquiert des échantillons avec un numériseur rapide et met à jour les spectres en continu dans la bande passante d acquisition temps réel via une transformée de Fourier.. Les spécifications de base du RSA306 sont présentées dans le tableau ci-dessous (les spécifications complètes de l appareil peuvent être trouvées à l adresse Plage de fréquences : 9 khz - 6,2 GHz Bande passante d acquisition : 40 MHz Plage de puissances de mesure : +20 dbm à -160 dbm Plage dynamique sans parasite : -50 DBc Précision d amplitude : ± 2,0 db Durée minimum du signal : 100 microsecondes Plage de température de fonctionnement : -10 C à +55 C Poids : 1,3 livres

2 Le niveau moyen de bruit affiché (DANL) et le bruit de phase pour différents intervalles de fréquences d une porteuse de 1GHz peuvent être trouvés dans le tableau ci-dessous. Le bruit de fond du RSA306 est très bon et est comparable à celui d un instrument de laboratoire autonome tel que le Tektronix RSA5106B. Un instrument de laboratoire de milieu de gamme tel que le RSA5106B, a une plage dynamique sans parasite et un bruit de phase d environ 25 db meilleurs que le RSA306. Certains des compromis de conception de la chaine RF du RSA306 seront abordés dans le paragraphe ci-dessous. Performances RF Niveau de bruit moyen affiché à la fréquence centrale spécifiée (dbm/hz), typique 100 khz/ MHz/ GHz/ GHz/ ,2 GHz/ -153 Bruit de phase à 1 Ghz aux fréquences «offset» spécifiées (dbc/hz), typique 1 khz/ khz/ khz/ MHz/ -120 Architecture de l instrument Le changement le plus frappant dans l architecture de cet instrument par rapport à un analyseur temps réel classique réside probablement dans l architecture de la chaine de traitement numérique du signal. Dans un analyseur de spectre temps réel classique, les données sont converties en fréquence numériquement et introduites dans la mémoire d acquisition du matériel. Dans le RSA306, les données brutes sont transmises à l ordinateur à travers l interface USB 3.0, et tout le traitement numérique est réalisé dans un logiciel sur le PC (Figure 1). La conversion en fréquence numérique des données I-Q, le filtrage, les transformées de Fourier, la correction de canal et les calculs d affichage DPX, sont tous réalisés dans le logiciel. Cela nécessite l utilisation d un processeur moderne (Intel i7 quadcore ou équivalent) pour que le traitement logiciel puisse prendre en charge le débit élevé de 224 Mo/s de l instrument. La connexion USB 3.0 SuperSpeed a un débit de transfert de 5 Go/s dans chaque direction. Etant donné qu USB 3.0 utilise le codage 8B/10B, le débit de données est limité à 4,0 Go/s, et lorsque des paquets protocolaires (préambule, acquittement, etc.) sont inclus, le débit de données réel est plutôt de 3,2 Go/s. Le numériseur 14 bits du RSA306 échantillonne le signal IF à 112 MHz, générant un flux de données de 224 Mo/s puisque chaque échantillon de données est codé dans un mot de 16 bits. Une autre surcharge de 0,2% est ajoutée aux données pour l horodatage et les informations de déclenchement, ce qui donne un débit total des informations de 1,8 Go/s. Bien que cela soit bien dans les limites de 3,2 Gb/s du débit pratique de l interface USB 3.0, le caractère sporadique des transferts sous Microsoft Windows OS pourrait encore s avérer problématique. Heureusement, la puce d interface USB 3.0 Cypress FX3 a des tampons de

3 mémoires de données pour conditionner le flux. Un ensemble de quatre tampons de mémoire ont été mis en place avec la même longueur que la longueur du protocole de trame de notre dispositif. Les tampons sont utilisés en mode round-robin pour transmettre les données. Dans la pratique, nous constatons qu avec un processeur rapide, nous ne perdons pas de trames, que ce soit sous Windows 7 ou 8, à moins qu une bande passante de processeur substantielle soit reprise par des processus indépendants. Le logiciel qui s exécute sur le PC contrôle tous les aspects du fonctionnement du RSA306. Le logiciel est divisé en deux parties : l API RSA306 et SignalVu-PC. SignalVu-PC est un interface utilisateur qui s exécute sur plusieurs plates-formes (analyseurs de spectre et oscilloscopes) et présente des écrans de commande et de données au même format sur tous les dispositifs. Le logiciel peut également être utilisé de manière autonome sans aucune plateforme matérielle pour lire et analyser les données capturées. Le logiciel de l API RSA306 est une couche d adaptation matérielle qui traduit les commandes de contrôle émises par SignalVu-PC en commandes de matériel spécifiques à cet analyseur de spectre. La liste des commandes de l API est publique et peut être utilisée par les programmeurs afin d écrire leur propre logiciel de commande et d affichage pour le RSA306. Des écrans de données multiples peuvent être traités et visualisés simultanément sous SignalVu-PC. Les écrans proposés par le logiciel de base comprennent un spectre de fréquence, un spectrogramme de fréquence (défilement du tracé de l intensité spectrale en fonction du temps), aperçu du temps, amplitude en fonction du temps, fréquence en fonction du temps, I et Q en fonction du temps, affichage de modulation analogique (AM/FM/PM) et affichage de spectre/spectrogramme DPX. Le DPX est un affichage de densité à persistance variable utilisant des codes couleurs. Il montre la coexistence des signaux dans une bande de fréquence donnée. L opération la plus consommatrice de processeur en cours d exécution dans le logiciel pendant le fonctionnement normal est la construction de l affichage des données de DPX, mais l optimisation du code permet des mises à jour de l écran en temps réel à 24 trames par seconde. SignalVu-PC Mesures incluses dans la version de base de

4 Analyseur de spectre : S étend de 100 Hz à 6,2 GHz, 3 traces + expressions mathématiques et trace de spectrogramme, 5 marqueurs avec puissance, puissance relative, puissance intégrée, densité de puissance et fonctions dbc/hz Spectre/spectrogramme DPX :Affichage temps réel du spectre avec 100% de probabilité d interception de signaux de 100 microsecondes jusqu à 40 MHz Amplitude, fréquence, phase en fonction du temps : Fonctions d analyse de vecteur de base RF I et Q en fonction du temps Aperçu/navigateur du temps : Permet un réglage facile des temps d acquisition et d analyse pour une analyse approfondie dans des domaines multiples Spectrogramme :Analyse et ré analyse des signaux dans un affichage en cascade 2D ou 3D Ecoute AM/FM : Entend et enregistre dans un fichier les signaux FM et AM Analyse AM, FM, PM : Mesure les principaux paramètres AM, FM, PM Mesure parasite : Les lignes et régions limites définies par l utilisateur permettent de tester automatiquement les violations de spectre à travers toute la plage de l instrument Masque d émission de spectre : Masques définis par l utilisateur ou spécifiques aux normes Bande passante occupée : Mesure la bande occupée par 99% de la puissance, délimitation des points -xdb Puissance de canal et ACLR : Paramètres des canaux variables et des canaux adjacents/alternatifs MCPR : Mesures sophistiquées et flexibles de la puissance multicanaux CCDF : La fonction de distribution cumulative complémentaire trace les variations statistiques du niveau de signal Des écrans supplémentaires sont disponibles pour la mesure des propriétés de certains types de signaux. Ces écrans sont disponibles en tant qu options logicielles pour les écrans de base. L analyse de modulation numérique comprend les outils suivants : diagramme de constellation (27 types de modulation pris en charge, y compris QAM, QPSK, GMSK, FSK, APSK), I et Q démodulés en fonction du temps, EVM (magnitude du vecteur d erreur) en fonction du temps, écart de fréquence en fonction du temps, erreur de magnitude en fonction du temps, erreur de phase en fonction du temps, qualité du signal, tableau des symboles décodés et diagramme en treillis. Les outils de mesure sur les signaux pulsés RF sont l affichage de traces d impulsions, les statistiques d impulsions et un tableau de caractérisation des impulsions. Les outils d analyse OFDM sont les suivants : réponse du canal OFDM, diagramme de constellation OFDM, mesures EVM OFDM, planéité spectrale OFDM, erreur de magnitude OFDM, erreur de phase OFDM, puissance OFDM, synthèse de qualité du signal OFDM et un tableau des symboles OFDM décodés.

5 Des outils d analyse WLAN (WiFi) sont disponibles pour les normes a/b/g/j/n/p/ac. Ce sont notamment les outils suivants : mesures de masque d émission de spectre, réponse de canal WLAN, constellation WLAN, EVM WLAN, planéité spectrale WLAN, erreur de magnitude WLAN, erreur de phase WLAN, puissance WLAN en fonction du temps, synthèse de qualité du signal WLAN et tableau des symboles WLAN décodés. Les mesures radio P25 de sécurité publique se composent de mesures MCPR (rapport de puissance porteuse multiple), diagramme de constellation P25, diagramme de l œil P25, écart de fréquence P25 en fonction du temps, puissance P25 en fonction du temps, synthèse de qualité du signal P25 et tableau des symboles P25 décodés. Enfin, les outils d analyse audio comprennent l affichage du spectre audio, la démodulation audio en direct et une synthèse des mesures audio. Un logiciel de cartographie est également disponible pour l affichage et l enregistrement de la localisation du signal si l ordinateur de commande comporte un récepteur GPS. Ce code est disponible pour toute plate-forme capable d exécuter SignalVu-PC. Le logiciel SignalVu disponible pour l analyseur RSA306 a également la capacité d agir en tant qu enregistreur de signal de bande passante 40 MHz. Si le disque du PC de contrôle est suffisamment rapide (un disque dur électronique capable d une vitesse d écriture de 300 Mo/s est nécessaire), les données peuvent être enregistrées sur le disque sans lacunes et seule la capacité du disque peut limiter la longueur de capture. Les données peuvent être stockées en un seul fichier ou en plusieurs fichiers de longueur égale pour un traitement ultérieur. Le logiciel Matlab permet d ouvrir les fichiers de données pour traitement par l utilisateur, et des corrections pour la linéarité peuvent être appliquées. Conception pour fonctionnement à faible puissance L analyseur de spectre RSA306 a été conçu dès le départ pour être un dispositif de puissance compact, faiblement consommateur de puissance, qui pourrait fonctionner uniquement à partir de l énergie fournie via une interface USB 3.0. Ces contraintes sont strictes : le dispositif rattaché par USB n est autorisé à consommer que 100 ma de courant lors de la connexion, et peut consommer un maximum de 900 ma après négociation à la tension fournie par l interface USB 3.0s (qui peut être aussi basse que 4,5 V après les pertes de câbles). Ainsi, le dispositif doit fonctionner à environ 4 W d alimentation sur toute la plage des températures de fonctionnement, qui va de -10 à +55 C pour le RSA306. Etant donné que le courant de fonctionnement du RSA306 augmente avec la température, le fonctionnement à température ambiante doit être déclassé d environ 30 ma pour rester dans les limites des exigences de fonctionnement d USB 3.0. En comparaison, un analyseur de spectre de bureau consomme généralement 100 à 400 W de puissance. La partie numérique de la conception du RSA306 (ADC, FPGA, USB3 I/F, source d horloge) consomme environ 0,75 W de puissance, y compris les pertes dans les alimentations à découpage. Le reste de la conception comprenant la chaîne de signal RF consomme environ 3,1 W de puissance. La chaîne de signal RF (Figure 2) est composée d un atténuateur d entrée commutable, d un préamplificateur commutable, d un atténuateur à pas fin et d un étage de gain commutable supplémentaire (configuré automatiquement en fonction du réglage du niveau de référence pour réduire le bruit et la distorsion), suivi par l un des sept pré-filtres analogiques qui est sélectionné en fonction de la fréquence d entrée RF. Le signal entre ensuite dans le premier mélangeur où il est converti en l une des deux fréquences IF, 1190 MHz ou 2440 MHz, la fréquence étant choisie automatiquement pour minimiser les

6 signaux parasites. Après filtrage et amplification, le signal passe dans un deuxième mélangeur où il est abaissé en fréquence en deuxième fréquence IF de 140 MHz. La fréquence IF est amplifiée et ensuite filtrée avec un filtre à ondes acoustiques de bande passante de 42 MHz, suivi d un filtre LC de septième ordre avant d être envoyé au numériseur. Le trajet du signal RF s appuie fortement sur la linéarité des composants pour éviter la génération de parasites pendant l amplification et le mélange. Les composants ont été soigneusement sélectionnés pour assurer une bonne linéarité et un faible niveau de bruit tout en fonctionnant à faible puissance. Le filtrage visant à éliminer les parasites indésirables (harmoniques et produits de mélange entre le signal d entrée, les oscillateurs locaux et les horloges) permet la spécification d une plage dynamique sans parasite (SFDR) d environ -50 dbc sur la plage d entrée de signal RF. Pour obtenir une conception portable à faible coût, une seule carte de circuit imprimée, dotée de boucliers miniatures et d un boîtier en extrudé d une seule pièce, ont été utilisés. À de nombreuses fréquences le SFDR atteint l objectif de conception de -65 dbc ; Cependant, l isolation RF possible entre les sous-circuits est la principale limitation des parasites. Un autre choix critique de composants dans la conception a porté sur les filtres utilisés dans les sections IF. Les filtres SAW à faible coût, dotés de larges bandes passantes, de faibles ondulations et d un bon rejet ont généralement des pertes relativement élevées dans les bandes utiles. Cela nécessite une amplification supplémentaire, qui attire plus de puissance et peut introduire des artefacts non linéaires supplémentaires. Plutôt que de faire usage d un synthétiseur de fréquence à boucles multiples, la conception opte pour des circuits intégrés de synthèse basse tension avec un bon bruit de phase pour conserver une taille et un coût réduits. Ils ont été verrouillés avec un oscillateur à quartz haute fréquence à très faible gigue, qui est également utilisé en tant qu horloge ADC, entraînant un bruit de phase décent qui est suffisamment bon pour des EVM de l ordre de 1%. Les performances en termes de SFDR et de bruit de phase sont limitées, en raison des restrictions de faible puissance propres à un dispositif qui est alimenté par USB 3.0. Les normes informatiques sont cependant en constante évolution et USB 3.1 promet des débits de données plus rapides et une puissance supplémentaire dans un avenir proche. Dans l intervalle, les instruments de laboratoire tels que les séries RSA5k et RSA6k de Tektronix ont de meilleures spécifications RF puisque la puissance n est pas un problème, et sont contrôlés par le même logiciel et la même interface utilisateur. Applications les plus courantes L avènement de la RF numérique facilite le développement des circuits dédiés à l IoT (Internet des objets).

7 La RF numérique naît de la fusion de la technologie du calcul numérique sous forme de DSP et de FPGA dans les applications RF traditionnelles. Cela a conduit à une croissance rapide de nouvelles technologies telles que Bluetooth, Wi-Fi et WiMax, qui ont donné naissance à de nouveaux produits pour l utilisateur final. Ces applications se trouvent souvent dans les mêmes plages du spectre RF, nécessitant des signaux complexes et variables en fonction du temps, qui utilisent une modulation adaptative, des techniques de saut de fréquences et de tramage pour éviter les interférences. En raison de cette variabilité du signal dans le temps, il est maintenant nécessaire, lors des essais de ces applications RF, de s intéresser simultanément aux domaines du temps, de la fréquence et de la modulation. La RSA306A, portable, léger et doté de riches fonctionnalités, ainsi que des capacités d analyse du logiciel SignalVu, peut constituer une solution très économique dans de nombreuses applications, y compris : la chasse aux interférences - avec une très large bande passante disponible de 40 MHz couplée avec le DPX temps réel, la cartographie et le streaming de spectre en direct, le RSA306A peut rapidement isoler et trouver des signaux transitoires aussi courts que 100 us et facilement identifier les problèmes d interférences entre canaux. Formation - le RSA306A offre aux étudiants et aux enseignants la possibilité de travailler avec une solution portable à faible coût qui permet l analyse de domaines multiples (spectre, temps, fréquence et modulation) en une seule unité, avec un logiciel et du matériel pédagogique gratuits. L interaction des paramètres analogiques, numériques et RF peut facilement être comprise et analysée de manière visuelle, ce qui est idéal pour l enseignement et les laboratoires de recherche. Installation en réseau et maintenance - un analyseur temps réel portable, renforcé, qui tient dans la main et est alimenté par USB 3.0 permet à l ingénieur de prendre toutes les mesures RF sur le terrain et de faire un diagnostic de santé du réseau radio/sans fil. La prise en charge complète de TETRA, P25 et WLAN permet un diagnostic de panne de réseau rapide et pratique ainsi que la vérification opérationnelle complète des réseaux radio mobile privés, des systèmes radio à ressources partagées, ainsi que le déploiement de la maintenance préventive.