Couverture ElectroniqueS n°127

Il peut paraître étonnant de vouloir tester des modules radio simples et économiques avec un analyseur de signal vectoriel, un instrument de mesure haut de gamme. Comme l'explique le fabricant japonais Anritsu, un tel analyseur se distingue d'un analyseur de spectre traditionnel par différentes fonctionnalités permettant une analyse approfondie et détaillée du signal et donc la révélation des moindres détails de la forme de l'onde d'une porteuse modulée. D enos jours, les fonctionnalités des réseaux de communication sans fil apportent de plus en plus de valeur ajoutée aux produits électroniques. Ces fonctionnalités contribuent ainsi souvent à améliorer les performances des produits ou à les rendre plus pratiques, plus sûrs ou plus conviviaux à utiliser. La plupart du temps, les systèmes radio embarqués sont dotés de fonctions relativement simples et utilisées pour transmettre de faibles quantités de données sur une distance limitée. Les modules radio utilisés pour les communications machine-to-machine (M2M) affichent également souvent des performances modérées et des spécifications techniques limitées. Pour le fabricant du produit fini, la variable la plus importante pour ces modules radios, du moment qu'ils remplissent leur fonction de base de manière fiable, est celle du coût, un coût qui doit être généralement faible. CYRIL NOGER (ANRITSU FRANCE) Diplômé de l'Université de Limoges en 1995, Cyril Noger a commencé sa carrière dans la filiale française du japonais Anritsu en 1996, en tant qu'ingénieur technico-commercial pour la région parisienne. Depuis 1998, Cyril Noger occupe le poste d'ingénieur support pour les produits RF et radiocommunications, toujours chez Anritsu France. En toute logique, il en ressort que les uti-lisateurs de modules radio basiques et économiques pensent qu'ils peuvent mettre en place des méthodes simples et peu onéreuses pour analyser les signaux radio de leurs modules et vérifier les performances de ces derniers. En réalité, les modules radio embarqués ou M2M actuels, fonctionnant généralement jusqu'à une fréquence de 1GHz, répondent toutefois à Figure 1.-Spectrogramme d'un chipset sans fil économique En affichant l'évolution de la puissance en fonction de la fréquence, un analyseur de spectre indique si le composant sous test, ici un chipset sans fil économique pour le système de contrôle automatique de la pression des pneus (TPMS), transmet à la (ou les) fréquence(s) spécifiée(s). Figure 2.-Représentation de la puissance en fonction du temps La technique de modulation utilisée dans un système TPMS est la modulation FSK binaire simple utilisant deux fréquences adjacentes, l'une représentant un «1» binaire et l'autre un «0» binaire. Un VSA MS2830A montre ici un train d'impulsions TPMS transmises en quelques millisecondes. des spécifications techniques strictes concernant leurs paramètres de fonctionnement, tels que la fréquence, la puissance ou la phase. La plage de tolérance hors spécifications est extrêmement limitée pour garantir un fonctionnement fiable du module radio. Comme nous allons le voir, les fabricants OEM qui utilisent ce type de systèmes radio ont tout intérêt à recourir aux capacités d'analyse supérieures disponibles dans les analyseurs de signal vectoriels ( Vector Signal Analyser ou VSA) de dernière génération, des appareils de test sophistiqués mais parfaitement adaptés aux vérifications requises pour la validation des modules radio basiques et économiques. L'analyseur de spectre a longtemps été l'un des instruments de mesure les plus populaires et les plus utilisés par les ingénieurs et les techniciens en radiocommunications. La fonction première d'un analyseur de spectre consiste à afficher un graphique représentant l'évolution de la puissance en fonction de la fréquence. L'objectif est d'indiquer à l'uti-lisateur si le composant sous test transmet à la (ou les) fréquence(s) spécifiée(s) ( voir figure 1 ). Mais comment faire si l'ingénieur ou le technicien souhaite obtenir une représentation plus détaillée de ce signal, pour avoir une vue du spectre plus fine ? Un analyseur de spectre traditionnel est très limité dans ce cas, en raison de sa relative lenteur d'analyse. C'est pourquoi il a évolué vers une nouvelle catégorie d'instruments, à savoir les analyseurs de signal vectoriels qui sont également connus sous le nom d'analyseurs FFT ( Fast Fourier Transform ) ou analyseurs à transformation de Fourier rapide. Bien plus rapide qu'un analyseur de spectre classique, un VSA permet de révéler les signaux transitoires qui étaient jusque-là invisibles. L'un des points importants à noter est que l'analyseur de signal vectoriel offre un niveau de détails suffisamment élevé à l'utilisateur pour lui permettre d'analyser le fonctionnement des nombreux types de modulations numériques implémentées dans les modules radio embarqués. Aujourd'hui, les fabricants d'instruments de mesure tendent à réunir un analyseur de spectre et un VSA dans un même châssis, parce que le premier permet d'analyser rapidement le signal de manière générale, tandis que le deuxième révèle des informations détaillées sur ce qui se passe à l'intérieur du signal, comme l'analyse des modulations numériques, les interférences et les signaux transitoires. Certains analyseurs de signal vectoriels, comme les MS2830A et MS2690A d'Anritsu, intègrent même un générateur de signal vectoriels ( Vector Signal Generator ou VSG), capable lui de reproduire des signaux capturés (numérisés) à une fréquence porteuse choisie et à un niveau de puissance voulu. Figure 3.-Représentation de la fréquence en fonction du temps Contrairement à un analyseur de spectre, un VSA permet d'accéder à l'analyse de la fréquence en fonction du temps. Dans le cas d'un système TPMS, l'utilisateur d'un VSA peut disposer du détail d'une unique impulsion (ici la zone bleue) choisie dans le train d'impulsions. Une application typique, le système TPMS Si par le passé les analyses de signaux radio se faisaient via un analyseur de spectre, que ce soit lors de la phase de développement du produit, de sa production ou d'une intervention sur site, les modules radio embarqués se sont au fur et à mesure perfectionnés, fonctionnant avec des formes d'ondes et des modulations numériques toujours plus complexes. Il est alors devenu évident que des analyses plus détaillées étaient nécessaires. En guise d'illustration, prenons l'exemple suivant, issu du monde automobile, sachant que les possibilités d'analyse décrites ci-après peuvent être appliquées à n'importe quel type de module radio embarqué. Les « voitures connectées » d'aujourd'hui intègrent de multiples modules radio, comme le système de navigation par satellite (GPS), un émetteur/ récepteur de téléphonie mobile, le système de verrouillage/déverrouillage à distance des portes intégré à la clé du véhicule, ou encore le système de contrôle automatique de la pression des pneus ( Tyre Pressure Monitoring System , ou TPMS). Ce dernier système contrôle la pression de gonflage de chacun des pneumatiques d'un véhicule et envoie les valeurs relevées vers une unité de contrôle électronique (ECU). Si la pression descend en dessous d'un seuil prédéfini, un indicateur sur le tableau de bord prévient alors le conducteur que les pneus sont sous-gonflés. La technologie TPMS étant désormais présente dans presque tous les véhicules de milieu et de haut de gamme, l'industrie automobile recherche maintenant à en faire baisser le coût. C'est pourquoi les fabricants de systèmes TPMS utilisent des chipsets sans fil économiques et produits en grand volume. Mais l'industrie automobile mettant autant l'accent sur la qualité que sur les coûts, les performances de chaque unité TPMS doivent être vérifiées rigoureusement avant qu'elle soit intégrée au véhicule. Dans un système TPMS, les relevés de lisant deux fréquences adjacentes ( voir figure 1 , partie haute de l'écran), avec une fréquence représentant un «1» binaire et l'autre un «0» binaire. Comme le montre analyseurs de signal vectoriels proposent aux ingénieurs et techniciens de nouvelles possibilités, grâce à leur vitesse de mesure inégalée et à leurs capacités de calcul poussées. En plus de l'analyse de la puissance en fonction du temps, qui peut être affichée aussi bien par un analyseur de spectre que par un VSA, ce dernier permet quant à lui d'accéder à un domaine d'analyse qu'il est impossible d'obtenir avec un analyseur de spectre, à savoir l'analyse de la fréquence en fonction du temps ( voir figure 3 ). Figure 5.-Représentation en 3D d'un spectrogramme Un autre type d'information peut être fourni par un analyseur de signal vectoriel. Il s'agit par exemple de la représentation en 3D du spectrogramme montrant la fréquence, l'amplitude par rapport au temps. pression de gonflage sont, comme on l'a dit, envoyés périodiquement, sous forme de salves de données, depuis chaque pneumatique, de sorte que les signaux TPMS peuvent être considérés comme des signaux impulsionnels. Les informations (en fait, les bits) de chaque impulsion sont codées sous la forme d'une onde porteuse modulée. La technique de modulation la plus couramment utilisée est la modulation FSK ( Frequency Shift Keying ). Il s'agit d'une modulation FSK binaire simple uti-la figure 2, les impulsions transmises sont brèves, de l'ordre de quelques millisecondes. Capable d'analyser deux domaines de mesure différents pour un même signal, un VSA permet de s'intéresser à des portions plus petites de l'impulsion TPMS (en bleu sur le graphe représentant la puissance en fonction du temps, en bas de l'écran), pour une analyse approfondie du signal. Figure 4.-Vue détaillée d'une impulsion TPMS Les anciens analyseurs de spectre ont des limites Les anciens analyseurs de spectre pouvaient montrer la forme du signal, mais, à cause de leur lenteur et de leurs capacités de calcul restreintes, ils ne pouvaient révéler le détail des modulations au sein de chaque impulsion. C'est en ce sens que les Grâce à cette caractéristique propre au VSA, l'utilisateur peut, dans le cas d'un système TPMS, visualiser le fonctionnement de la modulation numérique pour chacune des impulsions, si cela est nécessaire. De par son excellente précision et sa vitesse d'échantillonnage très importante, l'analyseur de signal vectoriel peut ainsi montrer les deux bits d'information (l'un sur la fréquence haute et l'autre sur la fréquence basse). Puisqu'il est capable d'analyser deux domaines de mesure différents pour un même signal (la fréquence en fonction du temps et la puissance en fonction du temps), le VSA permet également de s'intéresser à des portions plus petites de l'impulsion, là encore si cela est nécessaire, pour une analyse approfondie du signal. La figure 4 montre une petite portion de l'impulsion (en bleu sur le graphe représentant la puissance en fonction du temps, en bas de l'écran), petite portion qui est affichée dans le domaine de la fréquence en fonction du temps dans la partie supérieure du même écran. On comprend aisément que l'analyse du signal, comme présentée dans la figure 4, facilite grandement la tâche de l'utilisateur pour vérifier que le composant TPMS fonctionne correctement, puisque l'analyse montre la valeur des deux fréquences contenues dans une impulsion. Des marqueurs peuvent d'ailleurs être mis en œuvre pour mesurer la durée de chaque bit et également pour vérifier la différence de fréquence entre les fréquences hautes et les fréquences basses. Cette information est, rappelons-le, très utile aux concepteurs de chipsets sans fil pour le développement et la caractérisation d'un composant. Pour les fabricants, ces mesures rapides et précises leur permettent de déterminer si le module radio respecte ses spécifications ou non. Dans le cas d'un système TPMS, l'ingénieur de production pourra avoir une totale confiance dans les performances d'un module radio économique, simplement en se basant sur ces deux mesures (la fréquence en fonction du temps et la puissance en fonction du temps) obtenues avec un VSA. Bien d'autres mesures possibles… Les ingénieurs de R&D qui conçoivent des modules TPMS sont susceptibles d'utiliser un autre type d'information fourni par l'analyseur de signal vectoriel, en particulier lors de l'évaluation des performances de modules radios issus de différents fabricants ( benchmark ). L'affichage du spectrogramme réunit en effet trois types d'information sur le même graphique : la fréquence, l'amplitude et le temps ( voir figure 5 ). La figure 6 montre l'exemple typique d'un spectrogramme pour un module radio TPMS. Le spectrogramme offre un excellent moyen de repérer des signaux transitoires ou parasites indésirables. Là encore, il s'agit d'une fonctionnalité du VSA que les analyseurs de spectre traditionnels ne proposent pas. Il Figure 7.-Analyse de la modulation vectorielle d'un signal TPMS De nombreux VSA intègrent des logiciels supplémentaires qui permettent de configurer les mesures et de décoder le comportement radio d'un module TPMS. Un logiciel d'analyse de la modulation vectorielle (VMA) permet d'afficher simultanément résultats graphiques et numériques. Figure 6.-Analyse approfondie d'un signal TPMS sur trois axes Le spectrogramme d'un module radio TPMS obtenu via un VSA offre un excellent moyen de repérer des signaux transitoires ou parasites indésirables (analyse d'un signal TPMS sur trois axes: Fréquence , Temps et Amplitude codée en couleur). faut également souligner qu'un analyseur de signal vectoriel peut également afficher un graphique représentant la phase par rapport au temps, même si cette fonctionnalité ne sera pas abordée ici - les signaux TPMS n'utilisent pas la modulation de phase. De nombreux analyseurs de signal vecto-riels intègrent par ailleurs des logiciels supplémentaires qui permettent de configurer les mesures et de décoder le comportement radio d'un module TPMS. Grâce à un logiciel d'analyse de la modulation vectorielle (VMA), les résultats graphiques et numériques peuvent être affichés simul-tanément à l'écran ( voir figure 7 ). Les VSA modernes proposent également des possibilités d'automatisation, de sorte que les performances d'un composant, caractérisées par un analyseur de signal vectoriel pendant la phase de développement, puissent être ensuite vérifiées rapidement et efficacement en production. Enfin, la présence d'un générateur de signal vectoriel intégré complète un VSA dans l'identification plus rapide des causes de panne d'un composant défaillant, en générant des signaux, désirés ou non, directement sur le module TPMS testé et, également, en rejouant des formes d'ondes capturées et numérisées auparavant. Au-delà des systèmes TPMS, les domaines d'analyses accessibles avec un VSA se révèlent tout aussi utiles pour bien d'autres modules radio embarqués économiques, aussi bien en R&D qu'en production. n

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