Comprendre les spécifications clés des analyseurs de spectre : DANL, bruit de phase, TOI et RBW

1. La spécification qui a coûté deux semaines de débogage

Une équipe de conception RF a passé deux semaines à essayer de mesurer le troisième harmonique d'un émetteur de 2,4 GHz à un niveau que leur budget de liaison prévoyait devrait être d'environ -55 dBm. Leur analyseur de spectre n'a montré que du bruit à la fréquence attendue. Le problème n'était pas l'émetteur. La spécification du niveau de bruit moyen affiché par l'analyseur était de -145 dBm/Hz, ce que l'équipe a supposé signifiait qu'ils pouvaient voir tout signal au-dessus d'environ -145 dBm. Ils n'avaient pas pris en compte l'atténuation de 10 dB du pad d'entrée, le facteur de bruit de 3 dB de l'amplificateur préalable interne, et le fait que l'harmonique tombait à plus de 2 GHz au-dessus de la plage de fréquence optimale de l'analyseur où la sensibilité diminuait de 6 dB supplémentaires. Le niveau de bruit réel à la fréquence de mesure était d'environ -126 dBm, et l'harmonique de -55 dBm était de 71 dB au-dessus et parfaitement mesurable une fois que l'équipe a configuré correctement l'instrument.

Les fiches techniques des analyseurs de spectre sont remplies de spécifications qui interagissent de manière qui n'est pas toujours évidente. Comprendre ce que chaque paramètre signifie, comment ils sont liés les uns aux autres, et comment la configuration de la mesure affecte les performances dans le monde réel transforme une fiche technique confuse en un prédicteur fiable de ce que l'instrument peut et ne peut pas mesurer. Cet article explique les quatre spécifications les plus importantes des analyseurs de spectre : DANL, bruit de phase, TOI et RBW.

2. Niveau de bruit moyen affiché : Le plancher de sensibilité

DANL, ou niveau de bruit moyen affiché, est le plancher de bruit interne de l'analyseur de spectre exprimé en puissance par unité de bande passante, généralement en dBm/Hz. Il définit le signal le plus faible que l'analyseur peut détecter lorsqu'aucune atténuation externe n'est appliquée et que le préamplificateur est activé s'il est disponible. Un analyseur de spectre de gamme moyenne typique peut spécifier un DANL d'environ -155 dBm/Hz à 1 GHz, tandis qu'un instrument de haute performance atteint -165 dBm/Hz ou mieux.

La principale idée à retenir sur le DANL est qu'il varie en fonction de la bande passante de résolution. La puissance de bruit affichée par l'analyseur est le bruit intégré sur le filtre RBW. Une RBW de 10 Hz intègre 10 Hz de bande passante de bruit, tandis qu'une RBW de 1 kHz intègre 1 000 Hz. La puissance de bruit augmente de 10 dB pour chaque augmentation de 10 fois de la RBW. Un analyseur avec un DANL de -155 dBm/Hz affiche un plancher de bruit d'environ -145 dBm avec une RBW de 10 Hz, -135 dBm avec une RBW de 100 Hz et -125 dBm avec une RBW de 1 kHz.

Cette dépendance à la RBW signifie que le DANL seul ne vous indique pas quels signaux vous pouvez voir. Vous devez également prendre en compte la RBW que vous utiliserez pour la mesure. Une RBW étroite abaisse le plancher de bruit mais augmente le temps de balayage. Une RBW large accélère le balayage mais augmente le plancher de bruit. Le compromis entre sensibilité et vitesse est fondamental pour le fonctionnement de l'analyseur de spectre et n'est pas quelque chose qu'un algorithme DSP puisse éliminer.

3. Facteurs externes qui augmentent le niveau de bruit

Plusieurs facteurs en dehors du DANL interne de l'analyseur déterminent le niveau de bruit réel. L'atténuation d'entrée est la plus courante. Chaque 1 dB d'atténuation d'entrée augmente le niveau de bruit de 1 dB car l'atténuateur réduit le signal avant le premier amplificateur, tandis que le bruit propre de l'amplificateur reste constant. Un analyseur avec un DANL de -155 dBm/Hz et 20 dB d'atténuation d'entrée a un niveau de bruit effectif de -135 dBm/Hz. De nombreux ingénieurs laissent l'atténuation par défaut de 10 dB ou 20 dB en place sans réaliser la pénalité en sensibilité.

Le préamplificateur, lorsqu'il est disponible, améliore le DANL en réduisant le facteur de bruit du système. Un préamplificateur avec un gain de 20 dB et un facteur de bruit de 5 dB peut améliorer le DANL du système d'environ 10 à 15 dB, selon le facteur de bruit propre de l'analyseur. Le compromis est une plage dynamique réduite car le préamplificateur amplifie également les signaux forts qui peuvent comprimer le mélangeur ou générer des réponses parasites. La plupart des analyseurs de spectre commutent automatiquement le préamplificateur selon le réglage du niveau de référence, mais l'ingénieur devrait comprendre ce que l'instrument fait et quand remplacer la sélection automatique.

La fréquence affecte également le DANL. Chaque analyseur de spectre a une plage de fréquences pour laquelle sa sensibilité est spécifiée et généralement une plage plus large dans laquelle il fonctionne avec une sensibilité dégradée. Le DANL à 6 GHz peut être de 3 à 6 dB pire que celui à 1 GHz. Au-dessus d'environ 7 GHz à 10 GHz, de nombreux analyseurs passent au mélange harmonique, ce qui dégrade encore la sensibilité de 10 à 15 dB. Si vos fréquences de mesure couvrent différentes bandes, vérifiez la spécification du DANL pour chaque bande, pas seulement le chiffre principal.

4. Bruit de phase : pourquoi un oscillateur local propre est important

Le bruit de phase est l'instabilité de fréquence à court terme de l'oscillateur local interne de l'analyseur de spectre. Il apparaît sous forme de bandes latérales de bruit autour de tout signal affiché et limite la capacité de l'analyseur à mesurer un signal faible proche d'un signal fort. La spécification est généralement donnée en dBc/Hz à un décalage spécifié par rapport au porteuse, les décalages courants étant 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz et 1 MHz.

Le tableau ci-dessous montre les spécifications typiques de bruit de phase pour différents niveaux d'instruments à une porteuse de 1 GHz avec un décalage de 10 kHz.

Le bruit de phase est important chaque fois que vous devez mesurer un petit signal près d'un grand signal. Dans un test de récepteur, le bruit de phase propre de l'analyseur peut masquer le facteur de bruit du récepteur si les bandes latérales de bruit de phase LO du signal de test d'entrée sont supérieures au niveau de bruit réel du récepteur. Dans une mesure de puissance des canaux adjacents pour une station de base cellulaire, le bruit de phase de l'analyseur doit être d'au moins 10 dB meilleur que la spécification ACPR mesurée. Sinon, l'analyseur contribue plus de bruit que le dispositif sous test, et la mesure indique la limitation de l'analyseur plutôt que les performances de l'émetteur.

5. Point d'interception du troisième ordre : Le plafond de distorsion

TOI, ou point d'interception du troisième ordre, quantifie la linéarité de l'analyseur. Lorsque deux tonalités étroitement espacées entrent dans un dispositif non linéaire, elles génèrent des produits d'intermodulation du troisième ordre à des fréquences de 2f1 moins f2 et 2f2 moins f1. Dans un analyseur de spectre, ces produits IM3 proviennent du mélangeur et de l'amplificateur d'entrée. TOI est le niveau de puissance extrapolé auquel les produits du troisième ordre seraient égaux aux tonalités fondamentales, bien que les vrais instruments se compressent bien avant d'atteindre ce point.

Pour un analyseur de spectre typique, TOI est spécifié à environ +10 dBm à +20 dBm pour le mélangeur d'entrée. Cela signifie qu'avec deux tonalités à -20 dBm chacune, les produits IM3 apparaissent environ 60 dB en dessous des tonalités pour un instrument TOI de +10 dBm. Augmentez les tonalités à -10 dBm, et les produits IM3 ne montent qu'à 40 dB en dessous.

L'effet pratique de TOI est une limite supérieure de la plage dynamique. DANL définit la limite inférieure de ce que l'analyseur peut mesurer, et TOI définit la limite supérieure avant que l'analyseur ne génère ses propres signaux qui peuvent être confondus avec des signaux réels. La plage dynamique entre DANL et TOI, lorsque les deux sont normalisés à la même bande passante, est généralement d'environ 80 à 95 dB pour un analyseur de qualité. Lorsque vous voyez des signaux inattendus sur l'affichage qui ne changent pas lorsque vous débranchez l'entrée, il est probable que vous voyiez des produits d'intermodulation générés en interne par des signaux qui saturent le mélangeur.

6. Résolution de bande passante : Le filtre de sélectivité

La RBW est la bande passante du filtre IF final dans un analyseur à balayage ou la bande passante de bruit équivalente de la binne FFT dans un analyseur en temps réel. Elle détermine la capacité de l'analyseur à séparer deux signaux proches. Deux tonalités CW séparées de 10 kHz ne sont résolues en deux pics distincts que si la RBW est sensiblement plus étroite que 10 kHz, généralement 3 kHz ou moins pour une séparation claire.

La sélectivité, ou le facteur de forme, du filtre RBW détermine la vitesse de décroissance de son atténuation. Il est spécifié comme le rapport de la bande passante à 60 dB du filtre à sa bande passante à 3 dB. Un facteur de forme de 5:1 signifie que le filtre est cinq fois plus large à 60 dB d'atténuation qu'à 3 dB d'atténuation. Les filtres IF numériques atteignent des facteurs de forme d'environ 4:1 à 5:1, tandis que les filtres analogiques des anciens instruments étaient plus proches de 15:1. Un meilleur facteur de forme signifie que l'analyseur peut séparer des signaux plus proches en fréquence et en amplitude.

La relation entre la RBW, le temps de balayage et la plage de fréquence est régie par l'équation de balayage. Pour une plage de fréquence et une RBW données, le temps de balayage minimum est proportionnel à la plage de fréquence divisée par le carré de la RBW. Raccourcir la RBW d'un facteur de 10 augmente le temps de balayage requis d'un facteur de 100. C'est pourquoi les analyseurs en temps réel avec une large bande passante instantanée et un traitement FFT peuvent être considérablement plus rapides pour les mesures sur une large plage de fréquence : ils traitent toute la plage de fréquence en parallèle plutôt que de la balayer séquentiellement.

7. Comment les spécifications interagissent en pratique

Aucune spécification unique ne détermine l'adéquation d'un analyseur pour une mesure. Les quatre paramètres décrits ici interagissent, et le facteur limitant dépend de la mesure spécifique. Le tableau suivant illustre cette interaction pour trois scénarios de mesure courants.

Il y a un certain temps, un ingénieur d'essai RF d'un fabricant sous contrat au Vietnam évaluait des analyseurs de spectre pour les tests de production de modules de la bande ISM 5,8 GHz. La spécification de leur produit exigeait de mesurer les émissions parasites à -50 dBm tandis qu'un porteuse de +20 dBm était présente sur le canal adjacent. Dongguan Chenyi Electronics a guidé l'ingénieur dans le calcul : l'analyseur avait besoin d'un bruit de phase inférieur à -110 dBc/Hz à l'espacement des canaux pour maintenir les bandes latérales de bruit LO de la porteuse de +20 dBm en dessous du seuil de mesure de -50 dBm. Plusieurs analyseurs avec un DANL adéquat ont échoué à cette exigence car leur bruit de phase était insuffisant. L'instrument recommandé répondait à toutes les spécifications, et la ligne de production a enregistré une amélioration du rendement au premier passage d'environ 4 % car les mesures étaient désormais limitées par le produit plutôt que par l'équipement de test.

8. Lire une fiche technique avec un œil critique

Les fabricants présentent les spécifications de manière à favoriser leurs instruments. Le DANL est souvent cité à 1 GHz avec une atténuation de 0 dB et le préamplificateur activé, les conditions les plus favorables. Le bruit de phase peut être cité pour une porteuse de 1 GHz où les performances sont optimales, et non à 6 GHz ou 20 GHz où elles se dégradent. Le TOI est généralement cité à l'entrée du mélangeur avec une atténuation minimale, et non sur tout le chemin du signal incluant le préamplificateur.

Lorsque vous comparez des instruments, normalisez les spécifications à un ensemble commun de conditions. Quel est le DANL à votre fréquence de mesure avec une atténuation d'entrée de 10 dB ? Quel est le bruit de phase à un décalage de 100 kHz plutôt que de 10 kHz si l'espacement entre vos canaux adjacents est de 200 kHz ? Quel est le TOI avec le préamplificateur activé si vos mesures nécessitent le préamp pour la sensibilité ? Les réponses à ces questions, et non les chiffres phares de la première page de la fiche technique, déterminent si l'instrument fonctionnera pour votre application.

Chez Dongguan Chenyi Electronics, nous maintenons une base de données de comparaison qui normalise les spécifications de tous les instruments que nous commercialisons, afin que les clients puissent comparer les performances dans leurs conditions de mesure spécifiques. Cette approche a évité aux acheteurs d'acheter des instruments qui semblaient performants sur les fiches techniques mais qui n'étaient pas capables d'effectuer la mesure requise en pratique.

Un autre exemple vient d'une école d'ingénieurs qui a acheté des analyseurs de spectre pour un laboratoire de conception RF de niveau avancé. Les instruments ont été sélectionnés en fonction de la plage de fréquence et du DANL, mais le bruit de phase à 10 kHz de décalage était d'environ -88 dBc/Hz. Lorsque les étudiants ont tenté de mesurer le bruit de phase de leurs conceptions de PLL, dont les spécifications cibles étaient d'environ -95 dBc/Hz à 10 kHz de décalage, le bruit de phase de l'analyseur lui-même a dominé la mesure. Le laboratoire a remplacé deux des instruments par des appareils offrant un bruit de phase d'environ -105 dBc/Hz, fournis par Chenyi Electronics, et les anciens appareils restants ont été réaffectés aux laboratoires de mesure d'harmoniques et de puissance où le bruit de phase n'était pas critique.

9. Questions fréquemment posées

9.1 Comment savoir si le bruit de fond de mon analyseur limite mes mesures ?

Débranchez le signal d'entrée et observez le bruit de fond affiché avec les paramètres de mesure prévus. Si le bruit de fond se situe à moins de 10 dB du niveau de signal que vous devez mesurer, l'analyseur introduit une incertitude importante. Pour une mesure fiable, le signal doit être au moins 10 dB au-dessus du bruit de fond, et idéalement 20 dB ou plus. Si la marge est insuffisante, réduisez la bande passante de résolution (RBW) d'un facteur 10 pour améliorer le bruit de fond d'environ 10 dB, utilisez le préamplificateur si disponible et minimisez l'atténuation d'entrée.

9.2 Quelle spécification est la plus importante pour les tests de pré-conformité EMI ?

Le DANL (Désenseibilisation en Amplitude du Bruit de Fond) est la spécification critique pour les tests EMI car vous recherchez des émissions de bas niveau sur de larges plages de fréquences. Un DANL d'environ -155 dBm/Hz ou meilleur à 1 GHz, combiné à la capacité de fonctionner avec des RBW étroites allant jusqu'à 10 Hz ou moins, offre la sensibilité nécessaire pour détecter les émissions aux limites réglementaires typiques. Le bruit de phase est important pour une mesure d'amplitude précise des émissions à bande étroite, et la bande passante en temps réel détermine votre capacité à capturer les émissions intermittentes.

9.3 Puis-je améliorer le bruit de phase de mon analyseur grâce à un filtrage externe ?

Vous ne pouvez pas améliorer le bruit de phase de l'oscillateur local (LO) propre à l'analyseur, mais vous pouvez filtrer le signal d'entrée pour réduire l'amplitude du fort porteuse qui génère les bandes latérales de bruit de phase que vous essayez d'éliminer. Un filtre coupe-bande à la fréquence du porteuse, placé avant l'entrée de l'analyseur, réduit la puissance du porteuse de 20 à 40 dB et réduit en conséquence les bandes latérales de bruit de phase du même montant. Cette technique est standard pour les mesures à deux tons et les mesures de canaux adjacents où un signal est beaucoup plus fort que l'autre.

9.4 Pourquoi les analyseurs en temps réel ont-ils un DANL plus élevé que les analyseurs à balayage ?

L'ADC large bande d'un analyseur en temps réel numérise toute la bande passante en temps réel simultanément, de sorte que le bruit de quantification est réparti sur toute cette bande passante. Un analyseur à balayage numérise seulement la bande passante RBW étroite après filtrage, de sorte que le bruit par unité de bande passante est plus faible. C'est le compromis fondamental entre le traitement sans trou en temps réel et la sensibilité en bande étroite à balayage. Pour la plupart des applications, le DANL de l'RTSA est encore suffisant, et la capacité de voir les signaux transitoires compense la différence du plancher de bruit.