Couverture ElectroniqueS n°127

L'ÉMETTEUR RF ÉTANT L'UN DES ÉLÉMENTS CLÉS D'UN APPAREIL SANS FIL, LES CONCEPTEURS DOIVENT S'ASSURER DE SON BON FONCTIONNEMENT, ET EN PARTICULIER DE LA QUALITÉ DE MODULATION. LE FABRICANT CHINOIS RIGOL TECHNOLOGIES EXPLIQUE DANS CET ARTICLE COMMENT MESURER LES PARAMÈTRES D'UN ÉMETTEUR RF AU MOYEN D'UN ANALYSEUR DE SPECTRE DOTÉ DE PLUSIEURS MODES DE FONCTIONNEMENT, ET D'UN GÉNÉRATEUR DE SIGNAL RF. Les communications sans fil sont très souvent utilisées pour transférer avec succès des données d'un point à un autre, ou pour mettre en œuvre une communication via Internet. C'est le cas d'un système IoT (Internet des objets), par exemple, lorsque les données sont transmises via les différentes technologies des smartphones ou Internet. L'un des composants essentiels intégrés dans tout système de communication sans contact est l'émetteur RF (voir figure 1). Un smartphone peut embarquer différents émetteurs RF, par exemple un pour la connexion Wi-Fi, un émetteur/récepteur pour la connexion mobile proprement dite (conversation, SMS, Internet), la connexion NFP ou la connexion Bluetooth – cette dernière est utilisée pour adapter les composants externes (AudioBox ou système téléphonique dans un véhicule). Comme il est important d'obtenir une bonne communication stable, la sélection des composants de l'émetteur est cruciale pour acquérir une très bonne qualité de modulation. On peut prendre l'exemple d'un amplificateur en bande de base, avec une grande plage linéaire stable et la possibilité de gérer la puissance disponible (l'alimentation). Il est également important de développer un émetteur RF qui ne fonctionne que dans la bande passante souhaitée, sans signaux d'interférences supplémentaires. Un filtrage propre doit ici être mis en œuvre. Enfin, la compatibilité électromagnétique (CEM) joue aussi un rôle important dans le développement d'un émetteur RF, afin de protéger l'environnement contre une pollution électromagnétique indésirable, ou pour protéger l'émetteur des interférences. Figure 1.-Diagramme de blocs d'un émetteur RF pour des signaux modulés numériquement LA BANDE DE BASE POUR LA MODULATION La première partie d'un émetteur RF est la mise en œuvre de la bande de base pour la modulation numérique. À cette fin, un processeur de signal numérique (DSP) utilise les données numériques – par exemple la parole, les caractères, les données pour les images, le son, etc. – pour le codage de ligne, l'entrelacement et la modulation. Pour cette dernière fonctionnalité, les bits sont combinés en symboles en fonction du type de modulation. Avec les formats tels que QPSK (quadrature phase-shift keying) ou QAM (quadrature amplitude modulation), chaque symbole peut être décrit avec les composantes numériques en phase (I) et en quadrature de phase (Q). Par exemple, un symbole de la modulation 64QAM contient 6 bits, et celui de la modulation QPSK – c'est une modulation de phase, dans laquelle l'amplitude reste la même pour tous les symboles (voir figure 2) – contient 2 bits (dibits) par symbole. QAM est une modulation de la phase et de l'amplitude, ce qui signifie que les positions des symboles dépendent de la phase et de l'amplitude des vecteurs I/Q. Figure 2.-Formats de modulation QPSK et 64QAM Comme dans les nombres complexes, les vecteurs I/Q peuvent également être décrits avec un sinus (Q) et un cosinus (I). Ces deux signaux ont donc un déphasage de 90° et sont orthogonaux l'un à l'autre ; en d'autres termes, ils sont en quadrature l'un par rapport à l'autre. Les composantes C (t) et I C (t) décrivent, quant à Q elles, la bande de base de la modulation. Lorsqu'elle est disponible, les composantes numériques I et Q sont converties en un signal analogique, qui est ensuite filtré. Ce filtre est important afin d'attribuer la forme d'impulsion nécessaire pour la meilleure transmission limitée en bande du signal. Le signal sinus, ou cosinus, est ensuite mélangé dans les composantes du signal via un oscillateur local (OL). Dans la figure 1, il s'agit déjà de la porteuse RF. Les deux composantes du signal sont maintenant regroupées, amplifiées, filtrées à nouveau et envoyées à une antenne. Le deuxième filtrage est nécessaire pour atteindre la limitation de bande et, si nécessaire, pour supprimer les composants parasites indésirables générés par les composants précédents. Chaque composant individuel d'un émetteur a un impact sur la fonctionnalité et la qualité de la communication. Afin d'obtenir la qualité attendue de la transmission et donc une bonne fonctionnalité du système de communication pour la transmission sans fil, une analyse détaillée des composants individuels et du système global est nécessaire. Figure 3.-EVM, erreurs de phase, d'amplitude et I/Q dans un diagramme de constellation L'ANALYSE DE LA MODULATION Avec l'option Vector Signal Analyzer (VSA) d'un analyseur de spectre – tel que le modèle RSA5000 du Chinois Rigol Technologies –, il est possible de mesurer d'une manière détaillée la qualité de modulation d'un émetteur RF. Dans ce but, CI(t) différents types Q (Imaginaire) de modulation peuvent I (Réel) être sélectionnés en mode VSA. Pour cette analyse, le VSA doit créer un signal de référence optimal, qui est comparé au signal mesuré. Certaines informations sur l'émetteur sont nécessaires, telles que la fréquence d'échantillonnage de la modulation, le filtre utilisé dans l'émetteur – et, même mieux, dans le récepteur aussi –, le front du filtre et le format de modulation (64QAM, par exemple). Le signal mesuré est ensuite comparé au signal de référence, généré avec le premier, et les valeurs mesurées, telles que l'amplitude du vecteur d'erreur (EVM) ou d'autres paramètres importants (les erreurs de phase, par exemple), peuvent être calculées et affichées. Comme décrit précédemment, les filtres de mesure Processeur et d référence peuvent être réglés et modifiés dans le mode VSA. Réseau Le filtre de mesure embaquécontient les informa-tions du récepteur – un filtre RRC (root-raised-cosine) ; le filtre de référence, quant à lui, contient les informations de l'émetteur et du récepteur – un filtre RRC pour l'émetteur et un autre pour le récepteur, un filtre RC (raised-cosine) pour l'émetteur et le récepteur. Le mode VSA peut afficher jusqu'à quatre mesures simultanément EVM sur un seul écran. Le diagramme Référence de constellation optimale en combinaison avec la Valeur mesure mesurée d'erreur dans une deuxième fenêtre Erreur est, d'amplitude par exemple, une mesure importante. La valeur EVM est I (Réel) l'un des paramètres les plus significatifs Ierreur concernant la qualité de la modulation. Ce paramètre décrit en effet le vecteur d'erreur entre la référence optimale et le vecteur mesuré (voir figure 3). La valeur de référence du calcul du pourcentage pour l'EVM est le rayon du point de constellation le plus à l'extérieur. La valeur EVM peut Rayon être mesurée de point de en tant que valeur effective constellation – en considérant extérieur tous les symboles – ou en tant que valeur de crête – la plus grande déviation. Un signal Capteurs de puissance, bruyant Qerreurentraînerait de Ereur particules une de et phase valeur d'infraouges EVM plus élevée, ce qui pourrait être problématique pour que le récepteur puisse à nouveau reconnaître correctement le symbole. La figure 3 montre également la quantité et l'erreur de phase. Les deux valeurs mesurées peuvent aussi être vues dans la mesure d'erreur. Figure 4.-Influences des composants d'un émetteur RF sur le diagramme de constellation LES INFLUENCES SUR LA QUALITÉ DE LA MODULATION Figure 5.-Mesures d'un émetteur RF en mode VSA Un autre paramètre mesuré est le rapport d'erreur de modulation (MER), qui est très similaire au rapport signal/bruit (SNR). Le MER doit être suffisamment bon pour que la valeur du symbole au niveau du récepteur reste dans les zones de décision, représentées par les lignes en pointillés sur la figure 2 (64QAM). Une très bonne valeur MER, pour une modulation 64QAM, se situe entre 32 et 64 dB. Sinon, un MER d'environ 20 dB entraînerait une augmentation des erreurs sur les bits et réduirait la qualité de l'ensemble de la communication. Plus le nombre de symboles de la modulation est élevé, plus les zones de décision sont petites, et meilleure doit être la valeur MER. Afin d'obtenir une modulation stable et de haute qualité, le signal en bande de base doit être très précis. Les erreurs de modulation peuvent se produire dans l'émetteur RF de différentes manières. Chaque composant individuel a son influence sur la qualité de la modulation. En fonction de l'aspect du diagramme de constellation, on peut en déduire des conclusions sur les composants individuels. Si, par exemple, l'oscillateur local n'est pas complètement supprimé par Première détection le mélangeur, possible du défaut un décalage I/Q est visible dans la constellation. Cela signifie que tous les points de mesure subissent un décalage par rapport au centre de la constellation. Un autre effet peut provenir des amplificateurs en bande de base. Si ceux-ci ont un gain différent pour I et Q, alors cette distorsion de l'amplificateur (déséquilibre I/Q) peut également être observée dans le diagramme de constellation. Les symboles sont alors plus compressés vers l'axe, et au lieu d'un arrangement en forme d'un carré, les symboles ont un positionnement rectangulaire (voir figure 4). En particulier avec des schémas de modulation plus élevés, tels que 64QAM, les signaux modulés numériquement affichent un éloignement plus important entre l'amplitude maximale et la valeur efficace, en raison des différentes distances d'amplitude sur les points de constellation respectifs. C'est la raison pour laquelle des amplificateurs avec une large plage linéaire sont nécessaires dans l'émetteur. La valeur d'amplitude attendue la plus élevée doit donc être réglée directement en dessous du point de compression de 1 dB, afin d'exploiter de manière optimale la linéarité totale. Si ce n'est pas le cas aux deux points de la constellation, les amplitudes maximales pourraient alors être dans la plage de compression. Cette compression est également visible dans le diagramme de la constellation. Les amplitudes maximales sont plus compressées au milieu du diagramme. Figure 6.-Analyse du diagramme de l'œil d'un signal 64QAM Figure 7.-Mesure du BER d'un signal 64QAM Figure 8.-Mesure du canal adjacent d'un signal W-CDMA (UMTS) STABILISER LA MODULATION Prenons encore trois autres exemples d'effets. En raison d'une gigue accrue sur le signal d'horloge, ou si le filtre passe-bas du signal en bande de base n'est pas dimensionné de manière optimale, des interférences inter-symboles peuvent se produire. Cela entraîne également des erreurs car les valeurs de symbole mesurées s'écartent des valeurs de référence. Par ailleurs, si le bruit de phase est trop élevé avec l'oscillateur libre, le symbole mesuré pointe autour de la valeur de référence. Un dernier effet peut être observé si l'amplitude est correcte mais que la différence de phase entre I et Q n'est pas exactement de 90°. Le diagramme de constellation complet peut ensuite s'incliner avec la phase d'erreur (erreur de quadrature). Sur la figure 5, on peut voir quatre mesures différentes. Avec l'analyseur de spectre RSA5000 VSA, il est possible d'entrer un modèle de synchronisation pour stabiliser la modulation. Ce motif est ensuite mis en surbrillance dans l'affichage des symboles. Une autre possibilité de stabilisation de la modulation serait la recherche en rafales, également disponible avec le mode VSA. Si des écarts ont été détectés par les mesures précédentes, les composantes I et Q respectives peuvent aussi être analysées séparément. Une façon de procéder est d'afficher le diagramme de l'œil, où les formes d'onde de tous les symboles sont superposées. Dès que l'œil se ferme, c'est le signe d'un problème. Si l'œil est bien ouvert, on peut conclure que les composants de la bande de base ne sont pas la cause du problème. Des marqueurs peuvent par ailleurs être mis en œuvre pour cette mesure, avec la possibilité de comparaison au diagramme de l'œil de référence. Des erreurs dans les filtres, la présence d'une gigue d'horloge ou d'un bruit accru entraînent une détérioration de l'ouverture de l'œil (voir figure 6). Un autre indicateur important pour un émetteur RF est la mesure du taux d'erreur binaire (BER). La figure 7 montre la mesure BER en mode VSA. Pour ce test, on peut charger un fichier au format XML auto-édité avec les informations de comparaison dans l'appareil. Il faut sélectionner la durée du test BER en fonction de ce qui est spécifié pour un BER et du débit de données de la modulation. Figure 9.-Analyse de puissance multicanale ANALYSE DES PERFORMANCES RF Figure 10.-Mesure de la bande passante occupée d'un signal UMTS Après la modulation, c'est au tour de la qualité du signal RF d'être analysée. Étant donné qu'il n'y a, en théorie, que des filtres optimaux pour la limitation de bande, il n'est pas possible de s'affranchir complètement de l'influence du canal utilisé sur les canaux adjacents. Une partie du signal diffusé sera donc vue dans les canaux adjacents. Comme cette plage de fréquences est principalement utilisée pour d'autres communications, l'influence doit être maintenue aussi faible que possible afin d'éviter un dysfonctionnement dû à la transmission de l'émetteur. La valeur de puissance absolue (en dBm) de l'émetteur et l'influence relative sur les canaux adjacents par rapport à l'émetteur (en dBc) doivent donc être connues. Pour effectuer cette mesure, il est nécessaire d'activer la modulation, et les situations de marche et d'arrêt doivent être mesurées et qualifiées. La puissance du canal adjacent (ACP) peut être mesurée avec le mode GPSA basé sur le balayage (option AMK du RSA5000 ; voir figure 8). Ce mode permet également de mesurer la densité de puissance spectrale (en dBm/Hz) du canal principal et des canaux secondaires. L'ensemble du signal RF est pris en compte pour la bande passante réellement utilisée. La bande passante est décomposée en ses composantes de fréquence individuelles et leur amplitude, ce qui se traduit par la distribution de la puissance du signal sur la fréquence (voir figure 9). Cette mesure fournit des informations sur l'adaptation du filtre – pour la suppression du bruit – ou sur le rapport signal/bruit. Une autre valeur importante très souvent spécifiée est la mesure de la bande passante occupée. Prenons l'exemple d'un signal UMTS (voir figure 10) : la bande passante bloquée est ici de 5 MHz, et le débit de la puce pour un signal W-CDMA (modulation QPSK) est de 3,84 MC/s. En raison de l'influence du filtre et de sa condition de bord (facteur d'atténuation de 0,22), la largeur de bande réelle est d'environ 4,6 MHz. Cette mesure détermine la bande passante, qui contient 99 % de la puissance spectrale du signal. Avec des émetteurs raisonnablement bons, la largeur de bande réelle est d'environ 4,2 MHz. UN MODE À BALAYAGE OU TEMPS RÉEL Pour mesurer les composantes de haute fréquence individuelles, un générateur de signal RF, comme les modèles DSG3000-IQ et DSG800A de Rigol Technologies, peut être utilisé. Ces générateurs proposent la possibilité de générer le signal en bande de base aux sorties analogiques I/Q à l'arrière (voir figure 1). Celles-ci peuvent être connectées aux entrées des mélangeurs respectifs des composantes I et Q. Un signal en bande de base optimal pourrait ainsi être garanti pour mesurer, pas à pas, les dysfonctionnements provoqués par le mélangeur, l'amplificateur RF et le filtre passe-bande. Si cette structure ne montre aucune erreur, un dépannage supplémentaire peut être limité au module de bande de base. Le générateur DSG3000 permet par ailleurs de délivrer un signal CW jusqu'à une puissance de + 25 dBm. Un oscillateur libre peut également être simulé afin d'analyser, et éventuellement d'exclure, une source d'erreur sur le mélangeur ou via l'oscillateur libre. Les analyseurs de spectre RSA5000 sont disponibles avec ou sans générateur de poursuite. Ce dernier peut être utilisé en mode GPSA pour réduire la perte de passage des composants (filtres, etc.) ou la valeur ROS d'une antenne, par exemple. Avec le mode GPSA basé sur le balayage, il est parfois difficile de mesurer des signaux d'interférence sporadiques et changeants rapidement au niveau de l'émetteur. Afin de pouvoir détecter de tels signaux, le mode temps réel de la série RSA5000 trouve tout son intérêt. La figure 11 montre un signal GSM qui émet occasionnellement un défaut sur un canal latéral. Ce signal d'interférence peut être facilement détecté avec le déclenchement de masque de fréquence (FMT) en mode temps réel. Avec l'affichage de la densité associé au spectrogramme, il est possible de générer des informations avancées, comme le taux de répétition et la durée du signal d'interférence. Figure 11.-Mesure d'interférences indésirables sur un émetteur GSM en mode temps réel Figure 12.-Mesures temporelles et fréquentielles d'un signal RF modulé Afin d'obtenir une connaissance plus précise des rafales de signaux modulés, il est possible d'afficher, en temps réel, une représentation temporelle avec des informations jusqu'à une bande passante en temps réel de 40 MHz. Le spectre et le spectrogramme peuvent être affichés en même temps et toutes les zones, peuvent être mesurées avec le marqueur (voir figure 12). Par exemple, on peut mesurer la période et la largeur de rafales, visualiser des événements inattendus dans le spectrogramme et utiliser la mesure du temps pour déterminer des situations d'activation/désactivation. ÉVALUER LA PRÉCONFORMITÉ CEM Enfin, lors du développement de l'émetteur RF, la prise en compte de la CEM est un aspect important. Plus tôt dans la conception sont prises en compte les mesures CEM, moins élevée sera la probabilité que des problèmes CEM surviennent à la fin. Cela nécessite l'usage d'un très bon système de test dès le début du développement. Avec le mode EMI des analyseurs de spectre RSA5000, Rigol Technologies propose un système de test complet pour l'analyse et le dépannage tout au long des étapes de développement. Ce mode comprend les filtres 6 dB (200 Hz, 9 kHz, 120 kHz et 1 MHz) et les détecteurs pondérés (QP, CISPR-AV). Une résolution de fréquence de la moitié ou du quart de la largeur de bande de résolution peut être obtenue avec les plages de fréquences prédéfinies. Il est possible d'effectuer un balayage rapide avec un détecteur de moyenne ou de crête. Lorsque les valeurs de crête sont trouvées, les mesures peuvent alors être effectuées avec les détecteurs évalués. Comme elle n'est effectuée qu'aux valeurs de crête, la mesure est rapide. Le mode EMI contient par ailleurs un compteur doté de trois détecteurs différents maximum. Il peut être réglé sur un signal d'interférence et réajusté, l'amélioration étant alors immédiatement visible. Plus de 300 limites définies par les normes le plus souvent utilisées sont intégrées dans l'appareil et peuvent être sélectionnées selon les besoins. En outre, un rapport de test avec toutes les valeurs mesurées, le graphique et d'autres paramètres peuvent être enregistrés dans l'appareil au format HTML ou PDF, tout comme la courbe de signal au format CSV.

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