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Mesures avec un analyseur de spectre

Figure 1 : Représentation tridimensionnelle des directions d'observation pour le domaine temporel et le domaine fréquentiel,
à gauche : la représentation bidimensionnelle au moyen d'un oscilloscope ;
à droite : la représentation sous forme de spectre de fréquences.

Figure 1 : Représentation tridimensionnelle des directions d'observation pour le domaine temporel et le domaine fréquentiel,
à gauche : la représentation bidimensionnelle au moyen d'un oscilloscope ;
à droite : la représentation sous forme de spectre de fréquences.

Mesures avec un analyseur de spectre

Un analyseur de spectre est un instrument de mesure qui est construit de manière très similaire à un oscilloscope. Les deux instruments de mesure sont utilisés pour afficher et mesurer des formes de signaux complexes et particulières. Les deux instruments affichent l'amplitude du signal mesuré en ordonnée. Des différences existent dans l'affichage en abscisse. Sur un oscilloscope, c'est l'axe du temps, sur un analyseur de spectre, c'est l'axe des fréquences. L'oscilloscope mesure donc dans le domaine du temps (en anglais : time-domain), l'analyseur de spectre dans le domaine des fréquences (en anglais : frequency-domain).

Si une tension sinusoïdale idéale doit être affichée, l'oscilloscope affiche cette onde sinusoïdale sur toute la largeur de l'écran. Dans un analyseur de spectre, une ligne verticale étroite est affichée pour cette onde sinusoïdale. Même les plus petites modifications de la forme d'onde sinusoïdale idéale, dues par exemple à une modulation basse fréquence, ne seraient pas visibles sur un oscilloscope. Sur l'analyseur de spectre, cependant, plusieurs lignes verticales dont la longueur dépend de l'amplitude de la composante respective du signal seraient alors affichées.

La figure 1 montre un mélange de trois fréquences sinusoïdales. Environ ce mélange de signaux serait produit si un radar FMCW devait détecter trois cibles à des distances différentes. Sur un oscilloscope, ces trois fréquences seraient éventuellement visibles si elles n'avaient pas de trop grandes différences de fréquence. Mais la mesure de la fréquence, c'est-à-dire la mesure de la distance, ne serait pas possible avec un oscilloscope. Ce n'est que sur l'analyseur de spectre que les trois fréquences peuvent être mesurées. Avec un radar FMCW, l'analyseur de spectre peut être utilisé directement comme instrument de mesure de la distance.

Figure 2 : Affichage du signal émis par un radar à impulsions sur un analyseur de spectre

Figure 2 : Affichage du signal émis par un radar à impulsions sur un analyseur de spectre

Mesure d'un spectre

Avec un radar à impulsions, les séquences temporelles sont mieux affichées sur un oscilloscope. Ici, par exemple, un analyseur de spectre a pour tâche d'évaluer la qualité du signal de sondage généré par l'émetteur. La figure 2 montre le spectre d'un émetteur magnétron. Dans un émetteur magnétron, par exemple, la puissance d'émission peut être contrôlée en augmentant le courant du magnétron. Cependant, une plus grande production d'énergie ne signifie pas en même temps de meilleures portées. Une mesure de puissance est toujours à large bande. Cela signifie que les parties de la puissance qui se trouvent en dehors de la largeur de bande des autres modules radar (par exemple, l'antenne, le diplexeur) sont également mesurées. L'analyseur de spectre peut maintenant être utilisé pour estimer si la puissance supplémentaire due à une augmentation du courant magnétron se situe dans la gamme des fréquences souhaitées. Sinon, il est inutile d'augmenter encore le courant, car le seul effet serait de raccourcir la durée de vie du magnétron.

L'analyseur de spectre peut également être utilisé pour détecter les corrélations temporelles de la fréquence de répétition des impulsions, car le schéma des lignes de fréquence et de leurs écarts est également significatif. Cependant, un oscilloscope peut le faire beaucoup plus clairement.

Figure 3 : Analyseur de spectre
(Avec l'aimable autorisation de Rohde & Schwarz)

Figure 3 : Analyseur de spectre R&S®FPC 1500
(Avec l'aimable autorisation de Rohde & Schwarz)

Solutions techniques

Les instruments de mesure analogiques utilisent un filtre de bande accordable électriquement pour séparer les fréquences dans le temps et afficher leurs amplitudes comme un oscilloscope. En pratique, il s'agit même d'une fréquence fixe dans le filtre de bande et le signal à mesurer est mélangé à une fréquence de mélange qui change linéairement dans le temps (la fréquence dite de balayage), comme dans un récepteur superhétérodyne. Les analyseurs de spectre numériques de haute qualité utilisent également ce principe pour des raisons de précision et de résolution. Par exemple, l'appareil illustré à la figure 3 peut afficher des fréquences jusqu'à 3 GHz maximum avec une résolution de seulement un hertz.

Avec des analyseurs de spectre numériques moins chers, le matériel ne diffère parfois que légèrement de celui d'un oscilloscope. La différence se situe essentiellement au niveau du logiciel : les signaux du domaine temporel sont convertis dans le domaine fréquentiel à l'aide de la transformée de Fourier. Cela signifie que les oscilloscopes modernes sont également capables de fonctionner comme des analyseurs de spectre en utilisant d'autres logiciels ou des logiciels supplémentaires. Cependant, leurs résultats (résolution) sont alors un peu moins précis car les largeurs de bande nécessaires à cette fin ne sont souvent pas atteintes par de simples oscilloscopes. En outre, la transformation de Fourier rapide nécessite du temps et devient moins précise pour les signaux qui changent rapidement avec le temps.