Hé! Vous semblez être en United States, souhaitez-vous utiliser notre site English ?
Switch to English site
Skip to main content

OSCILLOSCOPE MULTIDOMAINE : COMMENT ÇA MARCHE

Dans les conceptions récentes, le niveau d'intégration des processeurs, des capteurs et des communications a fortement augmenté, effaçant les frontières entre l'analogique, le numérique, les RF et la conception de système d'alimentation. La technologie sans fil transforme la manière dont les ingénieurs doivent innover, concevoir, déboguer et dépanner. Avant l'invention de l'oscilloscope multidomaine, il n'existait pas d'instrument optimisé pour ces types de mesures. Cet article explique comment un oscilloscope multidomaine (MDO) associe la technologie d'un oscilloscope à signaux mixtes avec le matériel et le logiciel d'un analyseur de spectre pour fournir un ensemble complet de fonctionnalités pour mesurer vos conceptions hautement intégrées.

title

Oscilloscopes multidomaines série MDO4000B

title

Oscilloscopes multidomaines série MDO3000

title

Qu'est-ce qu'un MDO ?

Traditionnellement, trois instruments différents étaient nécessaires pour effectuer des mesures analogiques, numériques et RF :

  • L'oscilloscope, pour réaliser des mesures en corrélation avec le temps de signaux analogiques dans le domaine temporel ;
  • L'analyseur logique, pour les mesures en corrélation avec le temps de signaux numériques dans le domaine temporel. Un oscilloscope à signaux mixtes (MSO) est un oscilloscope avec des canaux numériques supplémentaires ;
  • L'analyseur de spectre, pour réaliser des mesures de signaux RF dans le domaine fréquentiel.

L'oscilloscope multidomaine (MDO) est le premier outil à intégrer un oscilloscope à signaux mixtes (incluant des fonctionnalités d'analyse logique et de protocole) et un analyseur logique moderne. Les MDO séries 4000B et 3000 sont optimisés pour effectuer des mesures sur des signaux analogiques, numériques et RF avec de nombreux canaux d'entrée :

  • 2 ou 4 canaux analogiques du domaine temporel avec une bande passante de 100 MHz, 200 MHz, 350 MHz, 500 MHz ou 1 GHz, avec des capacités de décodage de bus série et de déclenchement ;
  • 16 canaux numériques du domaine temporel avec une résolution chronologique de 60,6 fps, avec des capacités de décodage de bus série et de déclenchement ;
  • 1 canal d'analyse de spectre avec une plage de fréquence d'entrée de 3 GHz ou 6 GHz.

Regardons du côté des spécifications typiques des analyseurs de spectre :

title

La plupart des oscilloscopes peuvent calculer et afficher une transformation de Fourier rapide (FFT) du signal acquis du domaine temporel. Cependant, un MDO dispose de nombreux avantages par rapport à un oscilloscope classique avec FFT :

  • Une capacité et une fidélité supérieures pour les mesures dans le domaine fréquentiel ;
  • Des systèmes d'acquisition indépendants, permettant des vues optimales dans les domaines temporel et fréquentiel ;
  • Des capacités de mesure de spectre.

Capacité et fidélité supérieures pour les mesures dans le domaine fréquentiel.L'analyseur de spectre intégré dans un MDO fournit une fidélité supérieure par rapport à un outil avec FFT. Certaines spécifications clés sont comparées dans le Tableau 1 et la technologie utilisée pour obtenir ces résultats est décrite dans la section ci-dessous, "Comment un MDO produit ses performances RF".

Les performances à faible bruit sont importantes pour mesurer les signaux de faibles niveaux et les émissions hors bande pour les transmetteurs.

Large plage de fréquence d'entrée : bien que des oscilloscopes soient disponibles dans des largeurs de bande capables de mesurer des signaux supérieurs à 2 GHz, ils sont généralement coûteux et ne sont pas optimisés pour la sensibilité de l'analyse des RF. L'analyseur de spectre intégré dans le MDO fournit les performances requises pour les signaux RF typiques, sans demander aux canaux analogiques de fournir des performances équivalentes. De plus, l'entrée de l'analyseur de spectre n'a pas la même spécification que le canal d'entrée de l'oscilloscope. Alors que l'entrée analogique de ce dernier est atténuée de -3 dB sur sa largeur de bande, l'entrée de l'analyseur de spectre sur le MDO dispose d'une réponse plate sur sa fréquence nominale de 3 ou 6 GHz.

Fidélité supérieure. La plage dynamique sans bruits (SFDR) indique la capacité de l'analyseur de spectre à détecter et mesurer de faibles signaux au sein de signaux plus larges. La réponse parasite est le résultat des interactions entre le signal de l'utilisateur et l'instrument de mesure. Il est difficile de "faire avec", puisque leur amplitude et leur fréquence changent avec les variations du signal d'entrée. Les parasites résiduels sont causés par des signaux générés au sein de l'instrument de mesure, venant interférer avec le sens du signal. Étant statiques, ils sont faciles à identifier, mais peuvent se confondre avec les parasites du signal de l'utilisateur. Du fait de leur usage général, les oscilloscopes affichent un SFDR inférieur aux analyseurs de spectre.

Matériel indépendant et interface utilisateur optimisée pour les mesures du domaine fréquentiel. Lors de l'utilisation d'une FFT pour réaliser des mesures du domaine fréquentiel sur un oscilloscope classique, l'interface utilisateur est souvent la même que pour les mesures du domaine temporel, à moins qu'elle ne soit imbriquée dans des menus sous la fonction FFT. Cela complique les réglages de l'analyseur de spectre, comme ceux de la fréquence centrale, de l'intervalle, la résolution de bande passante (RWB) et d'autres. De plus, le système d'acquisition unique d'un oscilloscope FFT standard est géré par un seul ensemble de paramètres d'acquisition (temps/div, longueur d'enregistrement et taux d'échantillonnage), pour obtenir toutes les données des différentes vues. Cela signifie que la majeure partie du temps, il est possible d'optimiser le système d'acquisition pour afficher la vue du domaine temporel ou celle du domaine fréquentiel mais quasiment jamais les deux à la fois.

En revanche, le MDO dispose de deux systèmes d'acquisition ; l'un est utilisé pour les canaux analogique et numérique, l'autre pour l'analyseur de spectre. Ces systèmes d'acquisition indépendants permettent à l'utilisateur d'obtenir des vues optimales dans les deux domaines.

Le MDO fournit des boutons dédiés sur la face avant, pour les fonctions les plus communes d'analyse de spectre, à la place des commandes traditionnelles de FFT, cachées sous des couches de menus. Le pavé numérique permet une saisie facile et précise des valeurs.

title

L'affichage de l'analyseur de spectre du MDO paraîtra familier et intuitif aux utilisateurs d'analyseurs de spectre, avec le marquage des lignes de la grille d'amplitude, des fréquences de démarrage et d'arrêt, des marqueurs de crête et les lectures des principaux paramètres du domaine fréquentiel : le niveau de référence, l'échelle verticale, la fréquence centrale, l'intervalle et la bande passante de la résolution (RBW).

title

Fonctionnalités essentielles de mesure de spectre

De nombreuses fonctionnalités de mesure disponibles sur un analyseur de spectre le sont également sur l'analyseur de spectre inclus dans un MDO. Les marqueurs automatiques permettent de suivre continuellement jusqu'à 11 fréquences avec l'amplitude la plus élevée. De nombreuses mesures RF automatiques sont disponibles, y compris la puissance du canal, le rapport de puissance du canal adjacent (ACPR) et la largeur de bande occupée. La figure ci-dessous montre un exemple de mesure de la puissance de canal.

title

Le MDO dispose d'un spectrogramme qui fournit de précieux renseignements sur les signaux RF qui varient selon la fréquence. L'affichage du spectrogramme est le suivant :

title

La série MDO4000B permet la synchronisation des signaux analogiques, numériques et RF

La série MDO4000B comprend un matériel supplémentaire, non inclus dans le MDO3000, qui fournit des renseignements systémiques que l'on ne retrouve pas dans les autres instruments :

  • La capacité de visualiser simultanément, en fonction du temps, des formes d'onde et des spectres de fréquences du domaine temporel
  • La capacité de visualiser l'amplitude, la phase ou la fréquence des RF en fonction du temps, de façon synchrone avec les formes d'onde du domaine temporel

Les canaux d'entrée analogiques, numériques et de l'analyseur de spectre sur un MDO4000B sont tous corrélés avec le temps. Cela permet au MDO4000B d'indiquer les relations dans le temps entre, par exemple, la commande de données série vers un transmetteur RF et le sursaut RF résultant. Ainsi, une chute de tension d'alimentation pendant le changement d'état d'un circuit peut être analysée et corrélée avec l'impact sur le signal RF.

Voyons un exemple de l'écran multidomaine d'un MDO4000B et de la façon dont les informations corrélées avec le temps sont présentées pour leur analyse :

title

  1. Tracés du domaine temporel :tracés classiques d'un oscilloscope analogique.
  2. Tracés RF du domaine temporel :un tracé du domaine temporel spécifique, dérivé de l'entrée de l'analyseur de spectre, qui permet à l'utilisateur de visualiser l'amplitude, la phase ou la fréquence des signaux RF en fonction du temps. Ces tracés sont corrélés avec les autres canaux analogiques et numériques et représentent un flux de données continu du domaine temporel. Le tracé orange "f" indique la fréquence en fonction du temps du signal RF, permettant de révéler rapidement sa nature à sauts de fréquence.
  3. Indicateur d'étalement de spectre :une indication de l'emplacement, dans le temps, des données utilisées pour générer l'affichage du spectre. Cela est représenté par la barre orange, dans la partie inférieure de la fenêtre du domaine temporel. Le tracé du spectre est dérivé d'une acquisition échantillonnée dans le temps, puis corrélée avec les autres canaux analogiques et numériques. Les boutons Wave Inspector® permettent de contrôler la position de l'étalement du spectre.
  4. Marqueurs de crête :lectures automatiques de la fréquence et l'amplitude pour les crêtes.
  5. Tracé du spectre :le tracé de l'analyseur de spectre.
  6. Paramètres du domaine fréquentiel :lectures des principaux paramètres du domaine fréquentiel, y compris le niveau de référence, la fréquence centrale, l'intervalle et les paramètres RBW.
  7. Paramètres de déclenchement :lectures des paramètres de déclenchement. Grâce à l'intégration de l'analyseur de spectre dans le système d'acquisition basé sur le domaine temporel du MDO4000B, il est possible de déclencher le processus d'acquisition. Le MDO4000B permet le déclenchement par front d'impulsion du niveau de puissance global sur l'entrée de l'analyseur de spectre. Avec l'option MDO4TRIG, l'entrée de l'analyseur de spectre peut être utilisée comme source de déclenchement pour les types de déclenchements tels que par largeur et transition d'impulsion.

Comment fonctionne un MDO

Afin de fournir les capacités décrites ci-dessus, particulièrement les performances de mesure RF, un MDO dispose d'une architecture unique pouvant déconcerter les utilisateurs d'oscilloscopes et d'analyseurs de spectre. Un schéma fonctionnel simplifié d'un analyseur de spectre à balayage traditionnel est montré dans ce schéma :

title

L'analyseur de spectre à balayage superhétérodyne (AS) est l'architecture traditionnelle permettant depuis des décennies aux ingénieurs d'effectuer des mesures du domaine temporel. La génération actuelle d'analyseurs comprend des éléments numériques tels que des ADC, des DSP et des microprocesseurs. Cependant, l'approche basique à balayage reste la même. L'analyseur prend des mesures de fréquence par rapport au temps, avec une conversion par abaissement du signal d'intérêt et en le balayant à travers le passe-bande d'un filtre à bande passante de résolution (RBW). Ce filtre RBW est suivi d'un détecteur qui calcule l'amplitude de chaque point de fréquence dans l'intervalle sélectionné. Bien que cette méthode fournisse une grande plage dynamique, elle ne peut calculer les données d'amplitude que sur un point de fréquence à la fois. C'est pourquoi les mesures sont uniquement valides pour des signaux d'entrée à bande étroite relativement stables et constants.

Examinons ce schéma qui montre l'architecture d'un VSA, un analyseur de signal vectoriel :

title

Le VSA représente l'architecture moderne d'un analyseur de spectre, dans lequel l'oscillateur local est étagé, plutôt que balayé. Le signal résultant est filtré et numérisé. Cela permet de fournir un signal du domaine temporel à bande limitée qui peut être converti du domaine temporel vers le domaine fréquentiel, grâce à une transformation de Fourier discrète (DFT).

Les informations du domaine fréquentiel résultantes sont alors utilisées pour tracer une petite portion du spectre sur l'affichage, autour de la fréquence de l'oscillateur local. Celui-ci est alors étagé à la prochaine fréquence la plus élevée et le processus se répète jusqu'au tracé complet du spectre. Les analyseurs étagés sont meilleurs que les analyseurs à balayage pour travailler avec des RF variant avec le temps, mais uniquement lorsque l'intervalle d'intérêt est compris dans la largeur d'étage, généralement assez étroite (10 à 25 MHz). Le schéma fonctionnel simplifié d'un MDO est le suivant :

title

Les blocs en surbrillance sont inclus uniquement dans le MDO4000B et les autres blocs sont communs aux MDO4000B et MDO3000. Il s'agit essentiellement de la même architecture utilisée par les analyseurs de signal vectoriel. Concernant les principales différences entre un MDO et un VSA typique, le MDO comporte :

Une fréquence d'échantillonnage ADC bien plus élevée, pour des bandes passantes de capture exceptionnellement larges

  • Un petit nombre de plages de conversion descendantes fixes

Le MDO utilise le même convertisseur A/D Tektronix que celui utilisé dans la plupart des oscilloscopes Tektronix. Ce convertisseur A/D 8 bits échantillonne à 10 Géch/s et dispose d'une bande passante d'entrée de 5 GHz. Sur le MDO4000B, afin d'étendre la réponse en fréquence de l'entrée sur les modèles de MDO 6 GHz, un convertisseur abaisseur est utilisé avant le A/D. Le schéma suivant indique les plages du convertisseur abaisseur du MDO4000B :

title

Dans tous les MDO, un signal de superposition est ajouté pour améliorer la SFDR. Après la mise en mémoire des données, une combinaison de techniques matérielles et logicielles est utilisée pour effectuer une conversion descendante numérique (DDC, digital downconversion), afin d'améliorer grandement la fidélité du signal. Ce procédé permet d'obtenir trois choses :

  • L'enregistrement des données est converti vers un format de données complexe I (en phase) et Q (quadrature)
  • La fréquence centrale est convertie en c.c. pour permettre de réduire de moitié la fréquence d'échantillonnage IQ.
  • Les données sont filtrées et décimées pour une fréquence d'échantillonnage suffisante pour couvrir l'intervalle

Les processeurs de traitement numérique dans les MDO effectuent une FFT pour convertir les données RF du domaine temporel en données du domaine fréquentiel, sous forme de spectre. Le spectre entier est multiplié par des facteurs d'étalonnage pour régler la planéité et la phase. Les méthodes de détection sélectionnables par l'utilisateur permettent de déterminer comment décimer la sortie FFT à 1 000 - 2 000 000 points pour un affichage large de 1 000 pixels. Les détecteurs de crête positive, négative, moyenne et d'échantillons sont disponibles. Finalement, le spectre résultant est mis à l'échelle logarithmique pour l'affichage.

Comment un MDO produit ses performances RF

Un analyseur de spectre dédié et intégré fournit une meilleure fidélité puisqu'il est dédié aux mesures RF, la conception du chemin du signal est optimisée pour une fidélité spectrale améliorée.

Le BNC est remplacé par un connecteur N de plus haute fidélité et pour une meilleure interconnexion avec la carte de circuit imprimé.

  • Contrairement à l'entrée d'un oscilloscope typique, l'entrée de l'analyseur de spectre ne nécessite pas de passer de signaux c.c., ni de fournir des capacités de décalage. Cela permet l'utilisation de composants d'atténuateur ou d'amplificateur optimisés pour une utilisation avec les applications spectrales.
  • Un blindage grandement amélioré est fourni, comme illustré dans cette image :

title

Le gain de traitement apporte une sensibilité améliorée

Une incohérence peut apparaître entre l'utilisation d'un convertisseur A/D 8 bits et le besoin de visualiser des détails du signal se trouvant à plus de 100 dB en dessous de la pleine échelle. Cette incohérence émerge de la formule liée à la résolution A/D sur le rapport signal/bruit (SNR) :

SNR = 6,02 N + 1,76 dB

Où N est le nombre de bits de la résolution. Pour un convertisseur A/D 8 bits, le seuil de bruit est au mieux de 50 dB en dessous de la pleine échelle. Cela semble éliminer toute possibilité de visualiser des signaux en dessous de ce niveau.

Cependant, il est important de noter que le bruit prédit par cette équation est à large bande et s'étale typiquement sur la largeur de bande du convertisseur A/D. En utilisant la combinaison d'un DDC et d'un DFT pour réduire la largeur de bande des données traitées et affichées, le seuil de bruit est abaissé, permettant de visualiser de petits signaux. Cet effet est appelé gain de traitement (Process Gain) et améliore le rapport signal/bruit, comme suit :

title

Où fs correspond à la fréquence d'échantillonnage, et RBW à la largeur de bande de résolution du DFT. Pour l'exemple, pour un intervalle de 10 MHz et un RBW de 10 KHz, étant donné une fréquence d'échantillonnage de 10 Géch/s sur le canal de l'analyseur de spectre du MDO4000B, le gain de traitement améliore le SNR d'environ 57 dB à environ 107 dB. Il est intéressant de noter qu'avec un échantillonnage A/D à 20 Méch/s, typique pour un analyseur de spectre à usage général, il faudrait 12,5 bits de résolution pour atteindre les mêmes performances de SNR. La fréquence d'échantillonnage élevée du MDO est un facteur essentiel pour obtenir sa sensibilité. Il convient aussi de noter le rôle de la RBW dans l'équation du gain de traitement. Il faut se rappeler que la spécification du niveau de bruit moyen affiché (DANL) pour un analyseur de spectre est donnée en dBm/Hz. Cela s'explique car le bruit est à large bande et le niveau de bruit indiqué pour un paramètre particulier est déterminé par le paramètre RBW. Ce phénomène est démontré sur un analyseur de spectre typique lorsque le seuil de bruit est réduit de 10 dB pour chaque réduction par 10x du RBW.

Le signal de superposition fournit un SFDR amélioré

Une incohérence peut également apparaître entre l'utilisation d'un A/D 8 bits et le besoin d'avoir une plage dynamique sans bruit (SFDR) élevée pour les mesures spectrales. Dans un convertisseur A/D, les erreurs de non-linéarité différentielle (DNL) sont considérées comme des bruits dans le domaine fréquentiel. Les convertisseurs de faible résolution comportent généralement davantage d'erreurs, ce qui génère un SFDR plus faible. Dans un convertisseur typique, les erreurs DNL ne sont pas distribuées uniformément et n'affectent qu'un sous-ensemble des codes A/D. Dans ce cas, un signal de superposition (dither) peut être utilisé pour réduire les erreurs DNL et améliorer le SFDR. Le signal de superposition est un signal aléatoire ajouté au signal d'entrée pour étaler son énergie parmi les différents codes A/D, permettant d'étaler les erreurs DNL individuelles parmi tous les codes. L'ajout du dither permet de rapprocher les bruits provenant d'erreurs DNL du seuil de bruit. Dans un MDO, le dither est ajouté par-dessus la coupure du filtre IF 3,75 GHz, mais en dessous de la fréquence Nyquist de 5 GHz de l'A/D. Le signal de superposition est hors de l'intervalle d'intérêt et est éliminé lors du processus de conversion d'abaissement. Sur un oscilloscope typique, il ne serait pas acceptable d'ajouter un signal de superposition qui, bien qu'il améliorerait les performances du domaine fréquentiel, serait considéré comme du bruit dans le domaine temporel.

Bande passante de capture exceptionnellement large

L'analyseur de spectre a d'abord été développé à une époque où les analyses du domaine fréquentiel étaient effectuées sur des signaux RF stables dans le temps et disposant de schémas de modulation à bande étroite simples, tels que AM et FM. Les signaux utilisés dans les communications actuelles, cependant, varient dans le temps, utilisent des schémas de modulation numériques sophistiqués et souvent des techniques de transmission utilisant des sursauts RF. Ces signaux peuvent aussi être à très large bande. Le MDO est unique pour sa bande passante d'acquisition extrêmement large. Les analyseurs de spectre à étages disposent d'une bande passante de capture autour des 10 MHz. Grâce à leur architecture, les MDO fournissent une bande passante de 1 GHz au minimum. Pour des paramètres d'intervalle de 1 GHz et en dessous, il n'est pas nécessaire de balayer l'affichage. Le MDO a une bande passante de capture minimum de 1 GHz pour toutes les fréquences centrales et de plus de 3,75 GHz dans certains cas. Plutôt que de balayer ou étager dans la plage de fréquences d'intérêt, le chemin du signal RF alimente la fréquence d'échantillonnage élevée A/D. L'enregistrement du domaine temporel résultant est stocké en mémoire et le spectre est généré à partir d'une seule acquisition dont l'intervalle de temps est défini par le paramètre RBW. Cela permet de fournir non seulement une large bande passante de capture, mais également de gagner du temps, par rapport à des analyseurs à balayage ou des FFT à bande étroite traditionnels, pour lesquels la capture de la plage de fréquences associée à un intervalle large peut demander beaucoup de temps (le temps de balayage).

Générer des données RF du domaine temporel dans le MDO4000B

Sur le MDO4000B, les données I et Q de la conversion d'abaissement numérique sont également utilisées pour générer des tracés RF du domaine temporel. Après la conversion d'abaissement numérique, les données IQ sont une représentation cartésienne du signal RF. C'est pourquoi les données IQ peuvent être transformées en informations d'amplitude, de phase et de fréquence, comme indiqué dans la figure ci-dessous :

title

Les données RF du domaine temporel résultantes peuvent être repérées dans le graticule du domaine temporel, parmi les autres tracés du domaine temporel :

title

Toutes les données du domaine temporel, y compris les tracés RF, analogiques, numériques et les canaux de l'analyseur de spectre sont alignés avec le temps dans le graticule, permettant à l'utilisateur d'évaluer les relations temporelles entre ces différents canaux.

METRIKO n'a pas encore rempli le champs " à propos de moi" ...
DesignSpark Electrical Logolinkedin