Analyseur de spectre Rigol RSA5000 et RSA3000

Rigol étend son offre en instrumentation Radio Fréquences (RF) avec une toute nouvelle gamme RSA (Real Time Spectrum Analysis = Analyseurs de spectres dotés d'un module temps réel) comportant deux solutions économiques, destinées aux milieux industriels, laboratoires / recherche & développement, production et l'éducation supérieure & professionnelle. Cette nouvelle gamme d'analyseurs de spectres va répondre à des besoins critiques de mesure tels que :

• Capturer des signaux très courts et rapides
• Identifier les infimes erreurs et écarts de mesure en amplitude, fréquence et temps
• Isoler les signaux d'intérêt
• Analyse de signaux RF

RSA3030 | Analyseur de spectres temps réel | 9kHz-3GHz
RSA3045 | Analyseur de spectres temps réel | 9kHz-4,5GHz
RSA3030-TG | Analyseur de spectres temps réel | 9kHz - 3GHz avec générateur de poursuite (9kHz-3GHz)
RSA3045-TG | Analyseur de spectres temps réel | 9kHz-4.5GHz avec générateur de poursuite (9kHz-4,5GHz)

RSA5032 | Analyseur de spectres temps réel, 9kHz-3.2GHz
RSA5065 | Analyseur de spectres temps réel, 9kHz-6.5GHz
RSA5032-TG | Analyseur de spectres temps réel, 9kHz-3.2GHz avec générateur de poursuite (9kHz-3GHz)
RSA5065-TG | Analyseur de spectres temps réel, 9kHz-6.5GHz avec générateur de poursuite (9kHz-4.5GHz)

De nos jours, l'industrie RF doit faire face à un nombre de problématiques qui croit de plus en plus, comment véhiculer une donnée depuis mon équipement sous test à plusieurs récepteurs (par exemple une transmission de donnée à travers le réseau Web à l'échelle mondiale).

Prenons l'exemple d'une application d'actualité aujourd'hui : l'IoT (Internet of Things = Objets Connectés), qui va le plus communément fonctionner avec des normes de transmission de données sans fil (Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee etc.…) Un récepteur beaucoup plus perfectionné qu'un analyseur de spectres sera alors requis dans le but d'obtenir rapidement des résultats et une analyse suffisante du signal, nous permettant enfin d'évaluer et qualifier la transmission de données en question. Les transmissions de données sans fil présentent une couche d'informations de nature numériques. Ces données sont par la suite modulées à une porteuse RF selon différentes méthodes (QPSK, QAM, FSK, OFDM etc…).

Quel est l'impact de telles modulations ?
Nous obtenons en sortie des signaux très rapides et variants en amplitude, fréquence, phase en fonction de temps ou bien de la fréquence. La vitesse devient donc un paramètre de plus en plus important dans le cadre d'une analyse fréquentielle – Il n'est plus suffisant aujourd'hui d'utiliser un traditionnel analyseur de spectres à balayage avec FFT (Fast Fourier Transform = Transformée de Fourier Rapide) ou bien avec principe de superposition.

La nouvelle gamme d'analyseurs de spectres temps réel RSA de Rigol combinant flexibilité, vitesse durant les mesures, un élégant design et une toute nouvelle interface graphique est la solution pour pallier à toutes les problématiques citées précédemment. Les analyseurs de spectres de gamme RSA peuvent basculer à tout moment entre une configuration d'analyse spectrale à superposition (SA) et une configuration d'analyse spectrale temps réel (RTSA). Les RSA3000/5000 fonctionnent tout comme la gamme DSA800 mais présentent des performances RF bien meilleures.

Grâce à la technique de superposition, nous pouvons parfaitement obtenir rapidement un affichage spectral large bande avec une bonne précision en amplitude ou bien réaliser aisément des mesures de caractérisation en transmission (par exemple : pertes d'insertion) et en réflexion (VSWR : Voltage Standing Wave Ratio = Taux d'Onde Stationnaire).

Dans le cadre de mesure de très faibles signaux, la notion de dynamique de mesure va être primordiale. Certaines normes présentent une sensibilité inférieure à -120dBm (niveau qui est largement inférieur au plancher de bruit (DANL = Displayed Average Noise Level) par défaut pour la plupart des analyseurs de spectres proposés aujourd'hui sur le marché).

En effet, il est nécessaire de disposer d'un instrument vous permettant de réduire le plancher de bruit en question aussi bas que possible pour mettre en évidence les signaux de faible niveau. Les analyseurs de spectres Rigol de gamme RSA atteignent un DANL de -165dBm sur une bande d'intégration d'1Hz.

L'aspect négatif à noter pour un analyseur de spectres traditionnel est que le point de balayage établi sa mesure sur un instant donné, le reste de la trace affichée à l'écran n'est pas rafraichie. Nous avons donc un phénomène de d'analyse à l'aveugle sur certains intervalles temporaires où l'information contenue dans le signal est perdue.

Un signal à saut de fréquence rapide comme par exemple un signal Bluetooth peut être mesuré avec un analyseur de spectres à balayage. Une trace peut être maximisée, tandis qu'une seconde trace peut être paramétrée en acquisition continue (Free Run). Avec un seul cycle de balayage, il nous est impossible de capturer toutes les porteuses ou raies d'intérêt. Plusieurs cycles de balayage seront requis et les informations contenues dans le signal ne seront visibles uniquement sur la trace maximisée.

Il faut préciser que toutes les porteuses ou raies d'intérêt ne sont pas visibles sur la trace maximisée, nous n'avons aucune information temporelle disponible sous maximisation et nous ne pouvons pas statuer que le signal observé à l'écran est un signal Bluetooth à saut de fréquences.

Les signaux pseudo-aléatoires ou très rapides ne peuvent pas être détectés et conséquemment mesurés avec un analyseur de spectres à balayage. Les paramètres de fréquences, SPAN et RBW vont avoir une influence directe sur le temps de balayage sur la plupart des analyseurs de spectres traditionnels. La résolution peut être améliorée en venant descendre le paramètre RBW, ce qui aura pour effet de diminuer votre plancher de bruit mais va littéralement augmenter le temps de balayage… De ce fait, les méthodes précédemment citées se révèlent inappropriées pour la détection et la mesure rapide de signaux évasifs et vont se montrer en finalité très gourmandes en temps.

L’analyse spectrale temps réel utilise la technologie FFT et fonctionne du coup sans cycle de balayage. De plus la méthode de calcul diffère par rapport à une FFT traditionnelle. Prenons le cas d’une FFT basique, le temps de calcul de cette dernière nécessite plus de temps que le procédé FFT. Ce qui signifie que certaines parcelles temporelles du signal seront perdues, du fait de l’écart temporel entre le temps de calcul et acquisition FFT.

Sur l’exemple ci-dessus, ce modèle ne peut pas être utilisé pour mesurer par exemple des signaux pulsés car il faut prendre en compte l’éventualité que certaines impulsions pourraient se trouver sur les intervalles temporels où nous perdons l’information contenue dans le signal mesuré. Enfin, ce phénomène n’est pas répétitif mais aléatoire, nous aurions de ce fait un résultat différent à chaque acquisition FFT.

Sur une acquisition temps réel, le calcul et l’acquisition FFT sont réalisés en parallèle et le calcul en lui-même est très rapide. Ce dernier est beaucoup plus court que l’acquisition FFT. Les données affichées à l’écran seront rafraichies de façon rapide à vitesse constante. En termes de résultat, ce procédé ne fait pas intervenir d’intervalles de temps où l’analyse est aveugle, aucune perte d’information n’est donc possible.

Remarque : La modification du paramètre RBW n’aura pas d’influence sur le temps de balayage

Concernant le calcul FFT, ce dernier utilise une fonction de fenêtrage. Cette fonction est très importante pour définir un nombre discret de points pour le calcul. La taille de la fenêtre est variante et non figée dans le domaine temporel. Une variation de la taille de la fenêtre aura un impact direct sur la résolution (RBW) temps réel.

Nous atteignons sur la série RSA5000, un débit de 147484 FFT/s (sous configuration d’analyse temps réel).
Compte tenu de cette information, nous pouvons en déduire le temps de calcul d’un cycle FFT :

En fonction du SPAN sous le mode d’analyse temps réel, l’utilisateur aura la possibilité de choisir parmi 4 valeurs d’échantillonnage. La valeur maximale pour cette dernière est 51.2MSa/sec. Le nombre maximal d’échantillons par acquisition FFT est de 1024, nous pouvons maintenant en déduire la durée d’acquisition maximale pour un cycle FFT :

En conclusion, nous retombons bien sur un temps de calcul trois fois inférieur à la durée d’acquisition FFT.

Lorsque nous de parlons de fenêtrage, il est nécessaire de parler d’effet de fuite, qui dépend directement des paramètres suivants : la vitesse de balayage, la forme de la fenêtre et le nombre de points discret. L’effet de fuite découle le plus souvent d’une convolution entre un type de fenêtre défini et un signal non périodique. Il va être question aussi de fréquence d’échantillonnage, une valeur non appropriée ramènera à la surface des lobes secondaires dans le domaine fréquence, ce qui va sensiblement augmenter le plancher de bruit du signal observé. L’effet de fuite quant à lui disparaitra sur une convolution d’un signal périodique avec une fenêtre bien dimensionnée (indice de la fenêtre multiple de la période du signal).

Il se peut que certaines informations d’un signal observé puissent être perdues à cause de la suppression d’amplitude au début et à la fin de chaque filtre – L’effet de filtrage mentionné ici peut être assimilé à l’effet de fenêtrage exposé ci-dessus, c’est un aspect plutôt négatif à souligner et qui sera bien évidemment pris en compte en termes d’optimisation du procédé d’analyse temps réel, dans le but de limiter au maximum la perte d’information.

La position d’un signal dans le domaine temporel va avoir aussi son importance. Pour rendre une transformée de Fourier optimale, il faudrait que le signal se trouve en plein milieu de la fenêtre FFT.

Le cas défavorable (comme ci-dessus) serait que le signal soit positionné entre deux fenêtres FFT, il en résulterait un signal avec une amplitude supprimée à cause des lobes secondaires du filtre – Le signal serait en conclusion inexploitable.

La solution choisie et implémentée dans la gamme RSA est le chevauchement des fenêtres FFT. Chevaucher plusieurs fenêtres FFT permet un affichage superposé des spectres sur le même intervalle de temps et améliore la résolution temporelle. De ce fait, de brefs ou courts évènements peuvent maintenant être détectés et mesurés et le phénomène de suppression d’amplitude expliqué ci-dessus est désormais supprimé.

Nous avons pu voir jusqu’à maintenant les différents paramètres qui caractérisent un module d’analyse spectrale temps réel, nous allons conclure cette partie avec une dernière spécification, le POI (Probability Of Intercept = Probabilité d’interception).

Cette spécification détermine la plus courte impulsion qui peut être mesurée avec une précision en amplitude de 100%.
Il s’agit également de la largeur d’impulsion minimale où d’additionnelles impulsions minimes peuvent être capturées.

Le POI pour la série RSA5000 est de 7.45µs

Le POI dépends du débit FFT, de la résolution et du SPAN utilisés. Le principe du POI est décrit avec un SPAN de 40MHz (ce qui fixe un échantillonnage maximal à 51.2MSa/sec) et une résolution de 3.21MHz (fenêtre de Kaiser).
Le delta observé entre les deux cycles FFT est le temps de calcul d’un cycle FFT.
La taille d’une fenêtre dépend de la résolution en temps réel, nous pouvons en déduire l’expression de la durée :

Le POI est défini entre le début d’une acquisition FFT la fin d’une seconde acquisition FFT.

La partie supérieure bleue décrit l'architecture d'un analyseur de spectres à balayage

La partie inférieure va concerner quant à elle toute l'architecture temps réel de l'instrument (partie Real Time FPGA).

Le signal de sortie IF résulte du signal RF qui a été atténué, transposé dans la bande de fréquences d'intérêt avec une résolution donnée via le filtre IF.

Après la numérisation du signal IF, celui-ci est injecté dans un bloc DDC (transposition numérique) :

L'entrée digitale IF est dupliquée dans le but de créer les composantes I (In phase) et Q (Quadrature) à un échantillonnage et une fréquence abaissés pour faciliter le traitement des informations.
Un oscillateur (centré sur la fréquence centrale de l'analyseur de spectres) va générer un cosinus numérique qui va se multiplier avec les deux accès IF. Un déphasage de 90° est utilisé sur la voie Q afin de positionner cette dernière en quadrature.

Les deux signaux sont enfin filtrés (le SPAN de l'analyseur régit la valeur des filtres) en post traitement.
L'échantillonnage sera divisé par la valeur N qui est directement proportionnelle au SPAN.

Les signaux I & Q sont ensuite injecté à la fois dans un bloc mémoire et dans l'architecture temps réel. Nous retrouvons le bloc FFT et celui du nombre de points où l'utilisateur va spécifier la fenêtre FFT et le nombre d'échantillons par acquisition FFT.

Flattop : Large bande à l'état haut, très utile pour la mesure de signaux positionnés au début ou à la fin du cycle de la fenêtre. Bonne précision pour la mesure d'amplitude mais mauvaise précision pour la mesure de fréquences.

Blackman-Harris : Utilisé pour la mesure de plusieurs raies (exemple d'application, mesure des harmoniques d'un signal)

Rectangulaire : Adaptée pour la mesure de signaux impulsionnels avec une bonne précision (à condition que les signaux à mesurer figurent au centre de la fenêtre)

Hanning : Cette fenêtre a un bon compromis entre fréquence et amplitude, elle est souvent utilisée pour des mesures en amplitude et présente peu de pertes spectrales

Kaiser : Cette fenêtre est utilisée pour un grand nombre d'applications, elle présente un excellent compromis entre résolution fréquentielle, pertes spectrales et la précision en amplitude

Gausienne : Cette fenêtre présente les mêmes caractéristiques que la fenêtre de Hanning. La fenêtre Gausienne est celle sélectionnée par défaut sur un grand nombre d'analyseurs de spectres

En fin d'architecture, nous voyons que les données sont traitées sous différentes visualisations qui vont être propre à l'analyse spectrale temps réel, c'est un avantage à souligner car ce type de traitement de données n'est pas disponibles sur les précédentes séries d'analyseurs de spectres de Rigol.

La gestuelle communément adoptée lors de l’utilisation d’un smartphone ou tablette a été implémentée sur l’écran tactile de la gamme RSA.

Un simple écart de vos doigts (axe horizontal) sur l’écran active un effet zoom de la trace mesurée, ce qui va venir modifier le SPAN de votre analyse. Un rapprochement de vos doigts va engendrer en conséquence la fonction inverse (effet zoom out) et donc augmentera votre SPAN.

On retrouve cette même logique sur l’axe vertical pour l’optimisation de l’échelle en amplitude.

L’utilisation d’un seul doigt a été aussi implémentée pour par exemple le déplacement d’un marqueur sur une zone en question, défiler votre fenêtre de mesure ou bien l’axe en amplitude pour régler par exemple votre référence de niveau pour une lecture adéquate du signal acquis par l’analyseur.

La face avant matérielle des analyseurs RSA est implémentée en quasi-totalité sur l’écran tactile, on a donc un accès aux fonctions :

• Mesures
• ParamètresMesure / Fonctionnalités | Analyse, Contrôle / Déclenchement, Marqueur / Gabarit / Limite, Système
• Basculer entre le mode d’analyse spectrale basique ou bien temps réel
• Modifier l’affichage en fonctions des mesures souhaitées