Couverture ElectroniqueS n°127

Mesurer la puissance d'un signal radiofréquence n'est pas chose aisée. Mais la tâche est encore plus ardue lorsqu'il est question de signaux à forte dynamique d'entrée, dont la fréquence est supérieure au gigahertz, ou lorsque la forme d'onde n'est pas a priori connue. Heureusement, certains circuits de détection spécialisés simplifient fortement le travail du concepteur. Dans bon nombre d'applications radiofréquences, une mesure précise de la puissance des signaux RF est requise. Par exemple, dans le domaine des communications, certaines chaînes de réception à forte plage dynamique exigent de connaître précisément la puissance reçue au niveau de l'antenne. Ceci afin de contrôler au plus juste le gain des étages d'amplification. Un signal trop intense, car trop amplifié, est susceptible de provoquer la saturation des amplificateurs, ou du convertisseur analogique-numérique placé en aval. A contrario, un signal trop faible peut être noyé dans le bruit. Dans cette dernière hypothèse, le rapport signal sur bruit s'en trouvera dégradé, nuisant ainsi à la qualité de la liaison.Côté transmission, le besoin est similaire. Dans les infrastructures telles que les émetteurs de télé-diffusion et les stations de base, ou pour les systèmes de communication professionnels, il est impératif de contrôler très précisément la puissance rayonnée par l'antenne. Les valeurs maximales d'émission sont souvent régies par des normes strictes. Excéder la puissance maximale autorisée revient à passer outre la législation. La sous-dimensionner a pour conséquence une limitation de la couverture. Même pour les équipements travaillant bien en deçà des limites légales, il est important de dimensionner au plus juste les transistors constitutifs de l'émetteur de puissance. En effet, chaque décibel inutile accroît le coût et alourdit le système de manière significative. Emettre à puissance maximale avec des composants dimensionnés au plus juste, tant au niveau des performances que du coût, se traduit alors pour le concepteur par un défi supplémentaire. Pour le surmonter, un asservissement précis de la puissance émise s'avère indispensable (figure 1). Ce qui implique de mesurer le signal pour contrôler le gain des étages d'amplification de la chaîne.Cependant, si mesurer un signal électrique est une tâche aisée aux fréquences basses, elle est souvent délicate lorsqu'il est question de signaux de quelques gigahertz. Ce qui est précisément le cas dans les communications de type GSM, UMTS ou WLan, dont la plage dynamique des signaux est par ailleurs élevée. L'affaire se complique encore lorsqu'une bonne précision doit être garantie, même en présence de signaux qui ressemblent davantage à un bruit qu'à une forme d'onde stable et connue.Quel composant approprié à mon application ?Pour la mesure de signaux RF, deux types de composants sont en présence : les détecteurs logarithmiques et les RMS-DC. Les premiers offrent le bénéfice d'une dynamique importante (jusqu'à 100 dB dans la gamme de détecteurs RF d'Analog Devices) et fonctionnent jusqu'à des fréquences très élevées (tableau II). A titre d'exemple, nous citerons l'AD8318, un détecteur logarithmique réalisé en technologie SiGe (figure 6). Le circuit fonctionne sur une plage de plus de 55 dB jusqu'à 8 GHz, et offre une conformité logarithmique meilleure que ±1 dB jusqu'à 5,8 GHz. Ces détecteurs sont couramment utilisés pour mesurer la puissance d'un signal en réception, assurant par là même la fonction de RSSI (Receive strength signal indicator) dans les infrastructures de communication. En émission, on les trouvera dans les boucles de contrôle des amplificateurs de puissance (fonction TSSI, Transmit strength signal indicator).Les RMS-DC présentent, quant à eux, une plage de fonctionnement plus limitée (jusqu'à 60 dB), mais sont caractérisés par une plus grande précision. De plus, leur stabilité en température est meilleure, et surtout ils délivrent une mesure indépendante de la forme d'onde. On les rencontre dans les applications d'asservissement de puissance, notamment lorsque les techniques de modulation à étalement de spectre ou OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing) sont mises en &oelig;uvre. Leur faculté à mesurer la valeur efficace de tout type de signal en fait également des composants de choix pour l'instrumentation.La figure 7 illustre la réalisation pratique d'un voltmètre RMS fonctionnant sur une plage dynamique excédant 100 dB. Le montage est relativement simple grâce à un composant spécialisé tel que l'AD8362. La plage initiale de 60 dB est étendue à plus de 100 dB en lui associant un amplificateur à gain variable de type AD8330. Ce dernier tiendra le rôle de préamplificateur, dont le gain sera directement contrôlé par la sortie Vout de l'AD8362.L'amplificateur AD8330 présente des caractéristiques qui s'accommodent des exigences de cette application. Il fonctionne sous une tension unique de 5 V et offre une sortie différentielle pour un interfaçage direct avec les entrées de l'AD8362. En outre, il dispose d'un mode de fonctionnement pour lequel le contrôle de gain est inversé. En effet, puisque le niveau de sortie de l'AD8362 augmente à mesure que le signal croît, il est nécessaire que le gain du VGA diminue lorsque le niveau présent sur sa commande de gain augmente. Quant au signal d'entrée, il peut être appliqué de manière différentielle ou non.En limitant quelque peu la bande passante pour réduire l'effet du bruit, un tel montage est apte à mesurer un signal évoluant entre 5 µV et 0,5 V efficace, et ce sans commutation de gamme de mesure !Bertrand Campagnie, Analog DevicesTitulaire d'un diplôme d'ingénieur en physique de l'ENSPS de Strasbourg et d'un DEA d'électronique, Bertrand Campagnie est depuis huit ans ingénieur d'application chez Analog Devices.Utiliser un détecteur logarithmique pour amplifier un signal moduléOn peut légitimement se poser la question de savoir s'il est possible d'employer un détecteur logarithmique pour simplement amplifier un signal RF modulé. La réponse est liée à l'architecture du détecteur. Ainsi, de par leur conception, les détecteurs de la gamme Analog Devices sont essentiellement des convertisseurs RF-DC qui redressent et extraient l'enveloppe du signal. L'information de modulation en amplitude est par conséquent perdue. Cependant, pour certains circuits tels que l'AD8306 et AD8309, en sus de l'information logarithmique, la sortie du dernier étage de la chaîne est disponible via une broche du composant. Tous deux sont alors utilisables comme des amplificateurs à grand gain (95 dB), générant un signal carré dont la phase est représentative de celle du signal d'entrée. Pour des signaux modulés en phase ou en fréquence (FM, FSK, PSK, QPSK…), l'information de modulation est par suite conservée. En outre, si l'information d'amplitude instantanée est effectivement perdue, celle de modulation d'amplitude de l'enveloppe ne l'est pas. Un démodulateur ASK sera, par exemple, réalisé simplement en faisant suivre un détecteur logarithmique d'un comparateur.

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