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Technique - Analyseur de spectre
L'analyseur de spectre


Le roi des instruments de mesure, le rêve de tout radioamateur et comme tout rêve, celui-ci est souvent inaccessible, un bon analyseur de spectre assez vieux et d'occasion comme le HP141 coûtant environ 10 000 F... Reste la construction amateur.
Pourquoi est-ce si recherché ?

C'est parce que l'analyseur de spectre vous permet de visualiser l'amplitude en fonction de la fréquence. Un oscilloscope visualise l'amplitude en fonction du temps. Voyons cela sur deux exemples :

as1.jpg (7008 octets)

Ci-dessus un analyseur de spectre professionnel

Nous lui appliquons un signal unique issu d'un générateur très propre et nous observons ce que vous pouvez voir ci-dessus.

as2.gif (12967 octets)

oscillo3.gif (3002 octets)

Ci-dessus un oscilloscope (joli le GIF animé non ?) Et vous pourrez observer ceci si nous lui appliquons le même signal issu du même générateur.

Comment est-ce fait ?

Ce n'est pas si compliqué qu'on le croit, du moins dans le principe, la réalisation est une autre chose.
Avant tout un analyseur de spectre est un récepteur capable de recevoir des signaux sur un spectre très très large. A la différence d'un RX de communication, il n'est pas figé sur une fréquence mais balaye le spectre à une vitesse déterminée
Quand il est arrivé à la partie haute, il recommence en partant du bas.
Comme tout récepteur, il est pourvu de filtres commutables permettant l'analyse plus ou moins fine du signal. Il est évident que plus la bande passante sera étroite, plus fins seront les détails visibles sur l'écran. Ce qui le différencie d'un rx classique, c'est que l'on affiche les signaux sur un écran.

A ce sujet, les analyseurs de spectre modernes vous permettent de démoduler le signal , donc de l'écouter. C'est pourquoi cet appareil entre législativement dans la catégorie des scanners Je ne sais pas s'il fait l'objet d'une autorisation de détention comme il en avait été question un temps. Question à approfondir.

La technique :

Quelle sont les exigences à satisfaire ?
  • être en mesure de recevoir des signaux radioélectriques sur un spectre déterminé (ex: 100 kHz à 1 GHz)
  • recevoir les plus petits signaux possibles et les plus forts possibles ce qui demande une grande dynamique (et des atténuateurs d'entrée)
  • être en mesure d'analyser un signal avec plusieurs bandes passantes (ex : 100 kHz, 10 kHz, 3 kHz)
  • pouvoir isoler une partie du spectre pour une analyse plus précise. Si je veux examiner l'allure de mon signal sur 144 MHz, inutile que je balaye de 100 kHz à 1 GHz, 100 kHz de part et d'autre de la porteuse seront suffisants.
  • Mesurer précisément l'amplitude d'un signal, ce qui impose de posséder un appareil calibré
  • afficher l'amplitude en fonction de la fréquence.
Comme vous le pensez justement, ces exigences sont sévères et pas si faciles que cela à obtenir. Ceci explique en partie le prix élevé de ces appareils qui ne trouvent place que dans les grands labos.

Le schéma synoptique :

as4.gif (3292 octets)

Et les explications complémentaires :

Filtre passe-bas
Comme dans tout récepteur on commence à l'entrée par trouver un ou des filtres qui seront chargés de protéger le récepteur contre la fréquence image qui comme vous vous en souvenez se trouve à 2 fois la valeur de la FI. Sur les analyseurs de spectre la FI est en général assez élevée. Non représenté sur le schéma, on trouve également un atténuateur calibré.

Générateur de rampe
Le générateur de rampe est un oscillateur qui produit de jolis signaux en dents de scie. Ces signaux seront envoyés d'une part sur la commande d'un oscillateur type VCO, càd dont la fréquence est dépendante de la tension appliquée. Cet oscillateur est très particulier sur les analyseurs professionnels (YIG) D'autre part en parfait synchronisme, les signaux seront appliqués, à travers les amplis qui conviennent sur les plaques de déviation horizontale, comme sur tout oscilloscope qui se respecte.
On touche ici le principe même de l'analyseur, d'un côté on va explorer une bande de fréquence, de l'autre on va faire se déplacer un spot en synchronisme

Oscillateur local
Pièce maîtresse de l'analyseur, il doit pouvoir être commandé par une tension, posséder le plus petit bruit de phase possible, avoir l'excursion suffisante, être intrinsèquement stable. En gros la quadrature du cercle et pourtant ils y arrivent ! C'est souvent une partie délicate pour la construction amateur, plus particulièrement pour l'excursion de fréquence.

Mélangeur
Nous avons affaire à un récepteur superhétérodyne, donc pas de surprise, nous voulons amplifier et être sélectif sur une seule fréquence, la FI, il faut donc convertir ou transposer ces signaux à la fréquence FI. Petite anecdote : on pourrait réaliser un analyseur de spectre avec un récepteur à conversion directe avec pour seul inconvénient la fréquence image qui serait dans le domaine BF mais qui ce qui simplifierait grandement la conception du mélangeur.

Amplificateur moyenne fréquence
Nous avons fait tout cela pour obtenir ce résultat, avoir tous les signaux présents à l'entrée transposés sur une seule fréquence. C'est ici que l'on va amplifier en bande étroite et pouvoir insérer autant de filtres qu'on le désire. Comme tout amplificateur celui-ci devra avoir une grande dynamique et être, particularité, logarithmique (pour l'affichage)

La détection
Il ne reste plus qu'à détecter ces signaux car il faut convertir nos signaux FI en une tension susceptible d'attaquer par le biais de l'ampli vidéo les plaques de déviation verticale On se contentera d'une détection d'enveloppe. Sur des modèles modernes, on y trouve une détection pour tous les types de modulations ce qui vous permet d'écouter ce que dit le monsieur (ou la dame) dont vous voyez les signaux sur votre scope. C'est-y pas beau le progrès ?

L'ampli Vidéo
Le signal issu de la détection n'est quand même pas puissantissime, avant d'aller attaquer les plaques, il convient d'amplifier cette tension. C'est pourquoi on trouve cet amplificateur.

L'affichage
Quand il ne reste plus qu'à afficher c'est que le plus gros du travail est fait. Les plaques de déviation verticale voient les signaux issus de la détection/ ampli vidéo. Les plaques de déviation horizontale sont attaquées par les rampes provenant du générateur de rampe.
Le tour est joué...

as5.gif (2349 octets)

A votre gauche, une impression d'imprimante d'une vue du spectre s'étendant de 1 MHz à 100 MHz.
Ce que l'on voit sont les raies spectrales de puissantes stations FM dans la gamme 88 - 108 MHz.
ici l'analyse est grossière, le filtre large était en service. On pourrait sélectionner une plage de balayage très réduite et observer une seule station avec un filtre plus étroit. Pas trop toutefois, le spectre d'une émission FM n'est pas négligeable.
On note aussi l'amplitude des signaux qui est affichée logarithimiquement. Comme pour un oscilloscope, l'écran est gradué et chaque centimètre

Un analyseur de spectre pour quelles mesures ?

On pourrait répondre, toutes ou presque tant la gamme est étendue.
On mesurera :
  • le gain des amplificateurs
  • la réponse en fréquence
  • le facteur de bruit
  • la distorsion
  • la distorsion d'intermodulation
  • la pureté des oscillateurs (bruit de phase entre autres)
  • les pertes d'insertion
  • les puissances (faibles niveaux)
  • le bruit
La liste n'est pas exhaustive, déjà cet aperçu vous donne une idée de la versatilité de cet instrument.

Un "accessoire" très utile (et hélas coûteux) est accouplé à l'analyseur de spectre, il s'agit du générateur suiveur appelé "tracking". Ce générateur est commandé par l'analyseur et génère un signal de fréquence identique à celui observé par l'analyseur à un instant "t". Ceci permet par exemple de faire des mesures de réponse en fréquence de divers éléments.

On trouve également d'autres accessoires comme les marqueurs qui font apparaître un pic sur l'écran et permettent un repérage de la fréquence.

C'est fini pour cet instrument si intéressant. La littérature amateur commence a être fournie en schémas. Ces analyseurs n'ont pas bien sur les performances des modèles cent fois plus coûteux mais sont dignes d'intérêt et pourront rendre bon nombre de services.