Qu’est-ce qu’un analyseur de spectre ?

Un analyseur de spectre est un dispositif de test très couramment utilisé pour mesurer et consigner la puissance d’un signal (son amplitude) sur une plage de fréquence donnée. Plus généralement, il s’agit d’un outil permettant de mesurer la puissance et la fréquence de signaux connus et inconnus. Divers produits ont été développés pour évaluer une large gamme de produits et de comportements des signaux. Les fréquences et les bandes passantes des signaux de sortie peuvent aussi être comparées aux signaux d’entrée reçus.

Les composants de spectre observés avec un analyseur de spectre incluent la fréquence dominante, les harmoniques, la puissance, la distorsion et le seuil de bruit. Parmi ses applications courantes, on peut citer l’analyse de signal de fréquence radio (RF), la conception et les tests de circuits électroniques, l’ingénierie audio ou encore l’activation et la maintenance de réseaux de fibre optique. Les technologies numériques avancées permettent à un analyseur de spectre en temps réel de capturer les événements passagers ou furtifs. Les routines de test programmables, les enregistrements de spectre et les affichages des écrans tactiles intuitifs sont des caractéristiques typiques de la dernière génération d’instruments portatifs. 

Depuis l’arrivée des premiers analyseurs à balayage, il y a de cela plus de 100 ans, la technologie a progressivement évolué. L’architecture numérique qui a permis l’apparition de l’analyseur à transformation de Fourier rapide (Fast Fourier Transform, FFT) s’est développée au fil du temps jusqu’à permettre une véritable analyse de spectre en temps réel (RTSA), sans écarts d’échantillonnage ni « angles morts ». Les facteurs de forme et les types d’analyseurs de spectre désormais disponibles comprennent tous les niveaux de complexité, tailles et formes envisageables. Pour chaque application spécifique, VIAVI a développé des solutions qui prennent en charge les activités de test, de maintenance et de dépannage.  

Banc de travail
Les analyseurs alimentés par courant électrique CA destinés aux environnements de laboratoire et de production sont typiquement conçus pour s’intégrer à des racks de 48 centimètres standard ou pour être installés sur une table en cas d’équipement de plus grande taille. Les modèles pour banc de travail se caractérisent par les avantages qu’ils offrent, à savoir une puissance informatique plus élevée et davantage d’espace pour les modules, ports, commandes, boutons et écrans. Un analyseur de spectre intégral de laboratoire est souvent utilisé en association avec un oscilloscope ou avec tout autre équipement haut de gamme.

Portable
À mesure que les applications se multiplient, la portabilité et la durabilité gagnent en importance. Un analyseur de spectre portable fonctionne généralement sur batterie ou est rechargeable, pèse moins de sept kilogrammes et est optimisé pour un usage sur le terrain. Les analyseurs de spectre compacts sont souvent renforcés et intègrent des caractéristiques telles que des écrans à réduction de l’éblouissement, des propriétés de protection contre les éléments et des poignées intégrées.

Portatif
Une nouvelle catégorie de petits analyseurs de spectre pouvant tenir dans la paume de votre main est désormais disponible. Malgré les avancées en matière de conception interne et de performance des composants, ces unités ultra compactes n’ont généralement pas besoin d’être des outils à haute performance et sont donc limitées en termes de fonctionnalités, de plages de fréquence et de précision. Les analyseurs de spectre portables sont souvent utilisés pour le suivi des interférences dans les communications sans fil et pour la localisation du signal sur le terrain.

Intégré
La puissance de traitement, la mémoire et les capacités d’affichage des ordinateurs portables, tablettes et smartphones sont mises au service des analyseurs de spectre modernes. Des fonctionnalités de mesure avancées peuvent être dédiées à l’optimisation de la précision, de la bande passante et de la portée. Cette polyvalence définit ainsi une nouvelle catégorie d’analyseurs dont la connectivité intégrée de l’appareil est exploitée pour les mises à jour logicielles, la génération de rapports et le stockage.  

La liste des applications utilisant le meilleur de la technologie d’analyse de spectre continue à s’étoffer à mesure que les outils deviennent plus polyvalents et plus compacts. En laboratoire et dans les environnements de production, les analyseurs de spectre peuvent être utilisés pour concevoir, caractériser et tester n’importe quel produit générant des (ou étant sensible aux) ondes RF, optiques ou audio. Avec les capacités mobiles ajoutées à pratiquement n’importe quel appareil grâce à l’Internet des objets (IdO), les applications de terrain sont illimitées.

Analyse de spectre optique : Étant donné que la lumière possède une fréquence et une intensité inhérentes, un analyseur de spectre est l’outil parfait pour étudier le spectre optique et la puissance de nombreuses sources optiques. Les réseaux optiques du secteur des télécommunications sont activés et pris en charge par les capacités des analyseurs de spectre. Les technologies de transmission optique comprenant un multiplexage en longueur d’onde (DWDM) dense et des multiplexeurs optiques d’insertion-extraction reconfigurables (ROADM) dépendent de la précision et de l’intégrité de la forme d’onde, laquelle doit être vérifiée.  

• Les pratiques de tests de production ont évolué pour un large éventail de composants et de système optiques. Des outils à usage générique sont utilisés pour concevoir, tester et fabriquer des composants passifs, des lasers sources et des amplificateurs. Les modules de test d’analyse de spectre optique à haute résolution (OSA) quantifient et diagnostiquent les caractéristiques de longueur d’onde fine pour des produits tels que les systèmes de transmission DWDM modulés et les sources optiques complexes.  
• Les applications de test sur le terrain pour analyseurs de spectre optique sont toujours plus nombreuses à mesure que le DWDM, la transmission de bande C et les espacements serrés entre canaux, autrefois uniquement présents dans les déploiements métropolitains/longue distance à haut débit de la fibre optique, apparaissent maintenant dans les réseaux d’accès. À des débits pouvant aller jusqu’à 800 Go/s par canal, le rapport signal/bruit optique (OSNR) est une mesure de test précieuse pour les fournisseurs de services, les sous-traitants et les fabricants d’équipements pour réseaux (NEM), car il leur permet d’évaluer simultanément la performance de tous les canaux optiques ou encore de dépanner les problèmes de réseau en direct.

Analyse de spectre RF : La généralisation du Wi-Fi et le déploiement de la 5G ont mis en évidence le besoin d’une technologie de pointe dans le domaine des fréquences radio (RF). À mesure que les réseaux de télécommunications se développent, les analyseurs de spectre évaluent la fréquence d’utilisation, les interférences et la précision des transmissions sans fil et des interférences.  

• Les déploiements d’antennes-relais constituent l’application de terrain classique pour l’analyse du spectre RF. La technologie 5G NR propulse le cellulaire en territoire inconnu en utilisant des bandes haute fréquence supérieures à 26 GHz en onde millimétrique. Les modes de transmission 5G de pointe tels que le duplex par séparation temporelle (TDD) exigent des fonctionnalités d’analyse du spectre avec persistance pour la caractérisation et le dépannage. Les testeurs d’installation et de maintenance d’antenne-relais « tout-en-un » combinent l’analyse de spectre en direct avec les tests d’interférences, la validation de la fibre optique et les capacités de test d’antennes.  
• De nombreux appareils situés à proximité d’hôpitaux ou d’autres lieux équipés de matériel sensible aux RF, tels que les systèmes d’imagerie IRM, nécessitent un blindage RF. La compatibilité électromagnétique (EMC) est affectée par des émissions indésirables pouvant influencer les communications câblées ou sans fil existantes. Un analyseur ou un mesureur de spectre câblé conçu sur mesure peut détecter les signaux échappés (sortie) et les fuites de signal au sein des réseaux câblés (entrée).
• Les applications Wi-Fi continuent à se développer, en nombre comme en complexité. Les bandes de fréquence Wi-Fi encombrées, entre 2,4 GHz et 60 GHz, sont victimes d’interférences, de chevauchements de canaux et de problèmes de capacité. La puissance de l’analyse de spectre peut être utilisée pour évaluer la force du signal, l’utilisation du canal et les interférences de RF en temps réel. Ces mesures utiles aident les opérateurs à optimiser le chargement et les performances de leur Wi-Fi. 

Que mesure un analyseur de spectre ? 
Le principe de fonctionnement des analyseurs de spectre consiste à mesurer la magnitude (la puissance) du signal d’entrée par rapport à la fréquence (longueur d’onde) pour une gamme de spectres donnée. Ces appareils se distinguent des oscilloscopes en ce qu’ils fournissent de la visibilité sur le domaine de fréquence plutôt que sur le domaine temporel d’un signal. Ils fournissent également des informations détaillées sur le rapport signal/bruit (SNR), la phase et le comportement de modulation.

Quel est le fonctionnement de base ? 
L’utilisation d’un analyseur de spectre rappelle fondamentalement celle d’un récepteur radio basique. Avec l’adjonction d’un mélangeur, d’un oscillateur et d’un affichage graphique de la force du signal mis à niveau, les signatures d’ondes sont traduites en format visuel quantifiable. Au fil des ans, la technologie a évolué et s’est améliorée pour s’étendre à d’autres secteurs et applications. Malgré ces progrès, le fonctionnement de base et l’affichage de cette technologie sont restés les mêmes.  

Comment utiliser un analyseur de spectre ? 
Son utilisation a très peu changé depuis les premiers modèles. Une fois l’équipement allumé et une entrée sélectionnée, les paramètres de base incluent la fréquence centrale, la largeur de la bande et les niveaux de référence pour l’amplitude (axe Y). La bande passante de résolution (RBW), la bande passante vidéo (VBW) et les paramètres de temps de balayage sont utilisés pour contrôler la précision des mesures et l’image obtenue à l’écran.  

Caractéristiques 

• Fonctionnalités de base : Contrôlent les paramètres de mesure et déterminent comment les données sont analysées et présentées à l’utilisateur. La technologie numérique et la connectivité au cloud continuent de permettre l’ajout de fonctionnalités toujours plus variées et utiles. Pour une application donnée, il suffit de se demander « à quelles fins utilise-t-on un analyseur de spectre ? » pour faire le tri parmi les très nombreux produits disponibles et les fonctionnalités associées.  
• Fonctionnalités courantes : Les premiers analyseurs de spectre commerciaux intégraient déjà des fonctionnalités pratiques telles que le réglage de la portée, les marqueurs de fréquence et le réglage de la durée de balayage. Parmi les autres fonctionnalités utiles pour presque tous les types d’applications, on peut citer les marqueurs de bruit, la recherche de pic, les générateurs de suivi et les ports d’entrée supplémentaires pour l’analyse de multiples canaux.
• Fonctionnalités avancées : Incluent des démodulateurs pour les analyseurs de spectre RF permettant à l’utilisateur « d’écouter » le signal en cours d’analyse. Les masques en longueur d’onde et les analyses de bruit de phase programmables simplifient la configuration et standardisent les routines de test. Les ensembles de fonctionnalités avancées incluent également l’analyse du spectre avec persistance, l’analyse des interférences et des fonctionnalités logicielles telles que les écrans tactiles, la capture et la réutilisation d’images, l’automatisation des processus de test (TPA) et la connectivité au cloud.

Quelle est la différence entre un analyseur de réseau et un analyseur de spectre ? 
Bien que tous deux soient très largement utilisés dans les secteurs de l’électronique et des RF, ils présentent des différences fondamentales. Alors qu’un analyseur de spectre mesure le comportement et les variations d’ondes radio ou optiques, un analyseur de réseau sert à caractériser la réponse de composants tels que des transistors, des filtres et des mélangeurs au sein d’un circuit RF préconfiguré. Ce type d’analyseur de réseau se démarque aussi, dans sa forme et sa fonction, des puissantes solutions de surveillance de réseau et d’analyse de données utilisées pour capturer, stocker et analyser les données de paquets des réseaux informatiques.  

Quelle a été l’évolution des analyseurs de spectre ? 
Depuis que James Maxwell nous a fourni le premier aperçu du potentiel illimité des ondes radio il y a 150 ans de cela, l’analyseur de spectre est devenu un outil important dans les secteurs de l’électronique, des RF, de l’audio et de l’optique. L’essor des nouvelles caractéristiques et fonctionnalités ces dix dernières années est comparable aux avancées observées au milieu des années 1900, lorsque les modèles basés sur FFT ont créé une distinction entre analyseurs de spectre par balayage analogique et analyseurs de spectre en temps réel. Les workflows automatisés, les graphiques colorés haute définition et les capacités multifonctions disponibles dans des appareils compacts ont ouvert une nouvelle ère de performance et de succès.