Electronique - Les générateurs de signaux synthétisés

[ DOSSIER ]
Les générateurs de signaux synthétisés
Dans un marché très dynamique, l'offre en générateurs RF et hyperfréquences se développe pour faire face aux besoins de test de systèmes de transmission de plus en plus variés, aux performances en augmentation rapide, dont les générations se succèdent à un rythme soutenu. Les plates-formes récentes deviennent donc évolutives et particulièrement ergonomiques pour réaliser des mesures de complexité croissante.

Jean-Pierre Landragin et Philippe Schwartz , Electronique Mensuel, le 23/04/2007 à 08h00

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	Sommaire du dossier
	Les générateurs de signaux synthétisés
	Ne pas oublier de prévoir l'avenir

Sous l'impulsion du développement des applications de transmission et de leur perfectionnement effréné, les acteurs présents depuis longtemps sur le marché des générateurs RF et hyper proposent régulièrement de nouveaux produits ou de nouvelles options pour leurs modèles existants. Tandis que quelques professionnels de l'instrumentation, tels Keithley et National Instruments, tentent une incursion dans ce créneau dont ils étaient absents. Ainsi, plus de 50 % des appareils mentionnés dans nos tableaux n'existaient pas en septembre 2002, date du précédent Dossier que nous avons consacré à ce sujet ( Electronique n° 128, p. 82). Et, pour la plupart, il ne s'agit pas de simples remplacements d'instruments devenus obsolètes du fait de leur technologie ou leurs possibilités d'évolution, mais bel et bien d'architectures matérielles entièrement nouvelles. Parmi les matériels les plus récents, citons la série MXG d'Agilent Technologies en RF et le SMF100A de Rohde & Schwarz, plate-forme hyperfréquence qui succède à la famille SMP.

Des besoins croissants en débit en bande passante
On ne note pas d'évolution particulière du domaine de fréquences couvert par les générateurs. Si les limites basses se situent habituellement entre 9 et 250 kHz et même à 1 Hz chez Hameg, voire 0,1 Hz en option sur les MG3690B d'Anritsu, les limites hautes approchent les 70 GHz chez le constructeur japonais et Agilent. Il ne semble pas que le besoin se fasse sentir de monter très au-delà, du moins dans un appareil compact et standard ; signalons toutefois que les deux dernières sociétés sont à même de délivrer des signaux jusqu'à 325 GHz grâce à l'ajout de modules externes.

De même, la résolution offerte, qui peut descendre à 0,001 Hz, est souvent largement meilleure que ce qui serait strictement nécessaire, sans qu'on puisse dégager de raison objective à un positionnement aussi fin de la fréquence. En revanche, dès que la fréquence s'élève un peu, il est clair que le pas (même s'il n'est « que » de 1 Hz) est largement inférieur à l'incertitude sur ce paramètre. Ce qui permettrait, éventuellement, de positionner celui-ci avec toute la précision requise en liaison avec un fréquencemètre externe. Néanmoins, la disponibilité sur beaucoup de modèles d'options de pilote de haute précision, voire d'entrée pour pilote externe, rend cette manoeuvre quelque peu superfétatoire...

Par contre, la pression est très importante sur les caractéristiques de modulation de la porteuse. C'est en effet grâce à ces performances qu'il sera possible de simuler, évaluer, stresser des systèmes et équipements de communication à haut débit, dont le marché est particulièrement avide. Les applications qui font l'actualité sont : la radiotéléphonie (versions 3GPP HSPA et LTE), les liaisons UWB et WiMax et la télévision numérique (DVB-T/H). Outre les modulations analogiques traditionnelles (AM, FM, PM, fM), les possibilités de vobulation ainsi que les sauts ou commutations de fréquence et d'amplitude, il est donc impératif que des modulations numériques à large bande soient proposées.

En radiofréquence, de plus en plus d'instruments sont donc dotés d'entrées de modulation I et Q, qui permettent de réaliser n'importe quelle modulation au moyen d'un dispositif externe d'élaboration des signaux en bande de base (PC et/ou générateur arbitraire). C'est la voie royale pour les systèmes les plus complexes, mais cela n'est sans doute ni la plus compacte ni la plus économique. Toutefois, c'est sans aucun doute la plus souple et la caractéristique essentiellement recherchée est une large bande passante de modulation, garante d'une évolution possible vers les systèmes à débits croissants. Bien entendu, il est nécessaire de disposer d'une marge pour assurer la précision requise dans les limites du domaine exploré. Les générateurs les plus avancés en matière de test de systèmes de radiocommunication intègrent en option un générateur en bande de base, qui fournit les signaux I et Q en interne. Il s'agit le plus souvent d'un générateur de signaux arbitraires à deux voies, et les données de programmation issues des logiciels fournissant des formats de signaux correspondant à des standards, voire développées ou modifiées par l'utilisateur, définissent directement l'application simulée et le protocole de test utilisé. Dans ces conditions, les caractéristiques de ce générateur « auxiliaire » deviennent presque aussi importantes que celles du générateur « principal » (celui qui produit le signal RF/hyper-porteur), et son ergonomie est un élément important du confort d'utilisation, de la rapidité de mise en oeuvre et du niveau de formation à donner à l'opérateur.

Situer la limite entre RF et hyper
Les générateurs décrits dans ce Dossier utilisent tous la synthèse de fréquence. Ils sont divisés en deux catégories, l'une dite « radiofréquence » et l'autre dite « hyperfréquence » . Cette division est traditionnelle mais son caractère artificiel est de plus en plus évident. Le critère se fonde sur la gamme des fréquences de sortie, la limite se situant naguère autour du gigahertz. Néanmoins, une distinction fondée sur ce type de critère est difficile à rationaliser. Par exemple, le Simtec, qui est le syndicat de la mesure électronique, a dû revoir plusieurs fois sa limite de classification, la montant dans un premier temps à 8 GHz, pour finalement la ramener à 3 GHz. Si l'on se base sur les applications visées, là aussi on se rend compte d'une limite fluctuante avec une inflation certaine. Ainsi des technologies de type radio empiètent de plus en plus sur le domaine jadis qualifié d'hyper-fréquence. C'est notamment le cas des liaisons sans fil Wi-Fi, qui cohabitent dans la bande des 2,4 GHz avec les fours à micro-ondes et qui ont investi la bande des 5 GHz. Et il ne fait pas de doute que des applications de transmission radio (UWB, WiMax...) vont progressivement coloniser des fréquences plus élevées encore. D'ailleurs, le M de l'acronyme WiMax n'est-il pas pour « Microwave » ? D'autre part, l'Etsi prescrit des tests de « blocking » , destinés à valider la sensibilité des récepteurs aux signaux externes, allant jusqu'à l'harmonique 5, soit 12,5 GHz pour un fonctionnement nominal à 2 500 MHz...

C'est donc plus en fonction des applications que nous avons établi notre classification. Le critère retenu est la présence possible d'entrées I/Q et d'un générateur arbitraire sur les générateurs dits « radiofréquence » , ce qui nous a amenés à adopter une limite voisine de 6 GHz. A trois exceptions près, qui entrent incontestablement dans le domaine hyper : les PSG E8267D d'Agilent qui reprennent les ressources de modulation vectorielle des ESG E4438C et qui vont jusqu'à 44 GHz ; un couple de modules LXI classe A, constitué d'un générateur arbitraire associé à un convertisseur-élévateur de fréquence 20 GHz de la même société ; et deux modules VXI, eux aussi à 20 GHz, de Phase Matrix.

En hyper, les applications qui requièrent une modulation numérique complexe, encore peu nombreuses, ont trait aux transmissions par satellites et aux techniques radars. Pour obtenir ce type de modulation, en dehors des trois cas précités, Anritsu et Rohde & Schwarz ont équipé certains de leurs modèles d'une entrée FI ; après transposition de fréquence, le signal de sortie dispose d'une modulation identique à celle du signal en bande de base issu du générateur placé en amont.

L'écran LCD se généralise
Il existe des modules PXI 3U chez Aeroflex et National Instruments dont la réunion donne naissance à un générateur de signaux vectoriels RF. En VXI de taille C, l'offre se compose d'un tiroir RF chez Racal et d'une gamme de produits hyper chez Gigatronics, en plus des deux modèles déjà mentionnés de Phase Matrix (ex EIP). Côté LXI, on note l'offre également évoquée plus haut d'Agilent. Mais, dans leur grande majorité, les générateurs de signaux synthétisés sont des appareils de table, souvent intégrables en armoire 19 pouces, et plus ou moins transportables. Ils possèdent leurs propres alimentations et organes de commande.

A l'inverse de la plupart des autres types d'instruments, les plates-formes PC sont rares : on en trouve sous Windows XP chez Rohde & Schwarz, alors que Keithley a choisi Windows CE pour son 2910 ; cette option est destinée à optimiser l'interface homme-machine et non à effectuer la création des paires I/Q, réalisée par un logiciel sur micro-ordinateur externe. Quoi qu'il en soit, tous les appareils modernes sont pourvus de ports USB et Ethernet, aujourd'hui incontournables, en sus de l'interface GPIB. Les écrans LCD ont remplacé presque partout l'antique bandeau de visualisation, et l'affichage en couleur devient la règle. A noter que les 3410 d'Aeroflex et le 2910 de Keithley sont munis d'un écran tactile. Par ailleurs, un générateur bien conçu se doit d'être évolutif aux plans matériel et logiciel pour être capable de s'adapter à l'évolution des normes.

Peu exigeant en termes de facteur de forme, le standard LXI, qui repose sur des modules ou instruments communiquant par Ethernet avec un calculateur central, s'accommode d'instruments à l'ergonomie traditionnelle dès lors qu'ils intègrent un serveur web. Ce standard que beaucoup présentent comme l'héritier du GPIB, avec sa vitesse de transfert très supérieure, va aussi concurrencer le PXI cher à National Instruments. C'est pourquoi les générateurs de signaux vectoriels haut de gamme de Rohde & Schwarz, ainsi que le 2910 et les modèles MXG d'Agilent sont désormais estampillés LXI, après examen par le consortium du même nom.