Instrumentation électronique: comment tester les

Solutions
INST R U M E N T A T I O N É L E C T R O N I Q U E
Comment tester les équipem

Lorsque l’on utilise un équipement RF pour transmettre un signal, il faut bien sûr
qu’il ne déforme pas le signal. Compte tenu que ces équipements ne sont toujours
linéaires (ou que la plage de fonctionnement linéaire est limitée), les signaux à
transmettre sont déformés. La déformation peut être due à des distorsions d’amplitude ou de phase mais aussi de fréquence. La distorsion de fréquences s’explique
par la présence de composantes harmoniques et d’intermodulation. Agilent
Technologies présente ici l’apport des nouvelles générations d’instruments pour
faciliter la réalisation des tests de non linéarité.
L
es composants, les sous-systèmes
et les systèmes destinés aux applications télécoms peuvent présenter
des non linéarités indésirables, qui
sont responsables d’une distorsion spectrale.
Celle-ci peut avoir plusieurs causes. La plus
connue, c’est la présence d’harmoniques et
on parle alors de distorsion harmonique. Il
y a aussi la distorsion d’intermodulation
(IMD, pour InterModulation Distorsion),
plus pernicieuse car elle se traduit par la présence de signaux spectraux parasites à l’intérieur même de la bande de fréquences de
fonctionnement normal.
La distorsion
L’essentiel
d’intermodulation est
due à une intermodulation indésirable entre
 Lorsqu’un dispositif non
deux ou plusieurs frélinéaire doit transmettre un
signal contenant plusieurs
quences contenues
fréquences, il crée des
dans le signal “utile”.
composantes harmoniques
Lorsque l’équipement
et d’intermodulation.
présente des non li Certaines des composantes
néarités significatives,
d’intermodulation sont
la distorsion d’intergênantes car elles “tombent”
modulation est imporen plein dans la bande de
tante et elle entraîne
base de l’équipement et il est
une dégradation imdonc impossible de les filtrer.
portante de la perfor Pour s’assurer qu’il n’y aura
mance globale du syspas de problème de
tème. Lorsque les
distorsion, il est donc
composantes d’interimportant de tester la zone
modulation se troude linéarité de l’équipement.
vent à l’intérieur du
 Pour cela, l’arrivée des
canal de fonctionnegénérateurs arbitraires et des
ment, c’est particuliègénérateurs vectoriels
rement gênant car
permet de simplifier
celles-ci interfèrent
notablement les équipeavec le signal d’intérêt
ments de test.
et il est impossible de
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ment, puis d’observer la sortie à l’aide d’un
analyseur de spectres. Le signal appliqué,
composé des signaux élémentaires à fréquence fixe, est appelé signal composite.
Lorsque l’on a affaire à un amplificateur à
comportement non linéaire, la distorsion d’intermodulation est en général mesurée en appliquant à l’entrée un signal composite comprenant deux fréquences discrètes de même
Avec l’arrivée des générateurs
vectoriels comportant un
modulateur I/Q, les modules RF non
linéaires peuvent désormais être
testés en faisant appel à un
minimum d’instruments.
les filtrer. Lorsque les composantes d’intermodulation se trouvent en dehors du canal
de fonctionnement, c’est a priori moins gênant, sauf qu’il y a un risque qu’elles viennent perturber un autre canal, et donc le
fonctionnement d’autres équipements travaillant dans ce canal.
Etant donné qu’il n’est pas possible de corriger la distorsion non linéaire par des techniques d’égalisation, la caractérisation quantitative du comportement non linéaire des
composants, modules et sous-systèmes
constitue un aspect important à prendre en
compte lors de la conception et bien sûr le
test des émetteurs/récepteurs télécoms.
Comment caractériser
la performance IMD
Pour mesurer la distorsion d’intermodulation, la technique la plus simple consiste à
appliquer simultanément deux ou plusieurs
fréquences de test au module ou à l’équipe-
puissance, situées à l’intérieur de la gamme de
fonctionnement de l’amplificateur. De façon
plus générale, pour caractériser la distorsion
non linéaire d’un module ou d’un équipement, le nombre de signaux élémentaires du
signal composite appliqué à l’entrée dépend de
l’étendue de la bande passante. Plus la bande
passante est élevée, plus le signal composite
devra comporter de fréquences élémentaires
afin de couvrir l’étendue de la gamme.
Si on regarde l’évolution dans le domaine
temporel de ce signal composite, on voit
qu’il présente une distorsion. Plus il y a de
signaux élémentaires (avec des fréquences et
des phases différentes), plus la distorsion est
importante. En général, on définit cette distorsion par le facteur de crête, qui est le rapport entre la valeur de crête et la valeur
moyenne. En règle générale, plus le facteur
de crête du signal composite est élevé, plus
on a de chances de faire travailler le dispositif sous test dans sa zone de comportement
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ents non linéaires RF
non linéaire, et donc plus importants seront
les produits d’intermodulation.
Toute la difficulté est de trouver le signal composite qui va permettre de qualifier la distorsion
de l’équipement sous test. L’allure (dans le domaine temporel) du signal composite varie avec
les fréquences qui le composent, mais aussi les
relations de phase entre ces différents signaux
élémentaires. Même si la distorsion d’intermodulation dépend en grande partie de ces relations de
phase, les résultats de test montrent qu’un test
réalisé avec un jeu de déphasages donné ne donne
pas les mêmes résultats qu’un test réalisé en se
basant sur un autre jeu de déphasages. En d’autres
termes, lorsque l’on réalise un test avec un jeu de
déphasages donné, il n’est pas possible de prévoir
ce que donnerait le test avec un autre jeu de déphasages. Si on applique un déphasage aléatoire,
les relations de phase des signaux élémentaires
varient au fil du temps, et les caractéristiques de
distorsion non linéaire du dispositif sous test varient de façon non prévisible.
Comme il n’est pas envisageable d’utiliser
des signaux de test avec toutes les relations de
phase qu’est susceptible de rencontrer le dispositif sous test dans des conditions de fonctionnement réalistes, il est préférable d’utiliser
un seul jeu de déphasages mais celui-ci doit
être bien choisi afin que le signal composite
obtenu présente un facteur de crête élevé de
façon à être sûr de simuler un fonctionnement dans les conditions les plus difficiles.
Deux approches pour générer
le signal de test composite
La génération de signaux multifréquences
pour le test de la distorsion d’intermodulation
peut s’effectuer selon deux méthodes différentes. La méthode traditionnelle fait appel à plusieurs générateurs de signaux, un pour chaque
fréquence de test, tandis qu’une méthode plus
récente repose sur l’utilisation d’un seul générateur de signaux vectoriels, associé à un générateur de signaux arbitraires à large bande passante.
Le choix d’une approche plutôt que l’autre dépend de plusieurs facteurs, notamment les caractéristiques du dispositif à tester.
Voyons d’abord l’approche traditionnelle. Le
système de test comporte plusieurs générateurs de signaux dont les sorties sont comMESURES 795 - MAI 2007 - www.mesures.com
Lorsqu’un signal traverse un composant ou un module non linéaire, il est déformé. Ceci est représenté ici pour un signal comportant
deux fréquences. On voit qu’il existe des composantes harmoniques mais aussi des composantes d’intermodulation. Ces dernières sont
plus particulièrement gênantes car elles peuvent se trouver à l’intérieur de la bande de base et elles sont donc impossibles à filtrer.
Pour vérifier la linéarité (ou la non linéarité) d’un composant ou d’un module non linéaire, le choix des signaux de test n’est pas une
mince affaire. Cette illustration montre le principe utilisé : on part de signaux ayant une fréquence fixe, que l’on mélange entre eux
pour obtenir un signal composite. C’est ce dernier qui sera appliqué au dispositif sous test.
binées afin de créer un signal de test multifréquences. Afin de limiter les risques
d’interférence entre les différents signaux et
minimiser ainsi la distorsion d’intermodulation, des isolateurs sont placés en sortie des
générateurs. Les isolateurs typiques assurent
20 dB d’isolement sur le trajet retour, mais
ils introduisent une perte de 0,5 à 1 dB sur
le trajet aller. Un amplificateur placé en sortie de chaque générateur de signaux permet
d’effectuer le réglage fin de la puissance sans
avoir à modifier le niveau de sortie des générateurs, tout en maintenant la distorsion
d’intermodulation à un niveau constant. Des
filtres passe-bas sont également présents sur
chaque voie afin de minimiser les composantes spectrales hors bande du stimulus de
test. Les différents signaux mono-fréquence
issus des générateurs sont ensuite additionnés
de façon à obtenir le signal combiné appliqué
au dispositif sous test. Cette opération est réalisée par un “combineur”, qui doit lui aussi
avoir certaines qualités, notamment présenter
un isolement suffisant, une faible perte, et ne
pas introduire de distorsion. En sortie du
combineur, un atténuateur variable permet de
régler le niveau du signal composite présenté
à l’entrée du dispositif sous test, sans qu’il soit
nécessaire d’ajuster manuellement chaque
générateur de signaux.
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On voit ici le montage de test traditionnel utilisé pour générer le signal de test composite à appliquer à l’entrée du dispositif non
linéaire à tester. Ce montage consiste à utiliser autant de générateurs que le signal composite comporte de fréquences linéaires.
Avec cette approche, les générateurs utilisés
sont relativement simples et à bas prix. Autre
avantage, on peut régler aisément et indépendamment l’amplitude des différents signaux élémentaires qui composent le signal
composite. Mais cette approche présente
également quelques inconvénients.
Tout d’abord, il s’agit d’un montage complexe qui, si les connexions ne sont pas de
qualité, peut générer des résultats non reproductibles. Si l’équipement à tester nécessite
d’ajouter des fréquences supplémentaires,
on doit augmenter encore le nombre de générateurs de signaux et des autres matériels
(isolateurs, filtres) associés, ce qui complique encore plus le montage.
Autre inconvénient, les réglages des fréquences
et des puissances sont réalisés manuellement,
et les résultats de test obtenus ne sont donc pas
forcément reproductibles. Ajoutons que sur la
plupart des générateurs en ondes entretenues,
il est très difficile de régler systématiquement
la phase du signal de sortie (par rapport à la
phase des signaux des autres générateurs).
Enfin, au-delà de ces aspects techniques, il y
a l’aspect économique. Cette approche, avec la
multiplication du nombre de générateurs de
signaux et des matériels associés pour réduire
les risques de distorsion du signal composite,
se traduit par un coût de test très élevé.
C’est plus simple
avec un générateur vectoriel
Une nouvelle approche consiste à générer
les signaux de test multifréquences avec un
générateur de signaux vectoriels, c’est-àdire un générateur de signaux RF intégrant
un modulateur IQ, auquel est appliqué le
signal de test généré à l’aide d’un générateur de signaux arbitraires à sortie IQ (rappelons que les générateurs à sortie IQ délivrent des signaux dans le plan “complexe”,
c’est-à-dire en séparant la partie “en phase”
et la partie “en quadrature” de phase). Le
Avec les générateurs vectoriels (qui permettent de jouer sur la phase, en plus de l’amplitude et de la fréquence) équipés d’un modulateur
I/Q, le montage de test est notablement simplifié. Le signal de test composite de base est issu d’un générateur de signaux arbitraires (qui
permet de créer la forme de signal désiré). Celui-ci est ensuite transmis sur une porteuse à l’aide d’un générateur vectoriel.
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générateur de signaux arbitraires permet de
créer des signaux multifréquences (deux
ou plus) dans la bande de base. Ensuite,
grâce au modulateur I/Q interne au générateur de signaux RF, ces signaux multifréquences sont véhiculés par la fréquence
porteuse désirée.
En utilisant un générateur de signaux vectoriels (associé à un générateur de signaux
arbitraires) avec la fonctionnalité multifréquences, on réduit considérablement la
procédure globale de test. Il suffit le plus
souvent de régler quelques paramètres de
base des signaux : nombre et espacement
des fréquences, puissance affectée à chaque
fréquence, distribution de phase fixe ou
aléatoire. Etant donné qu’il est facile de mémoriser une configuration de test, il est
facile de renouveler ultérieurement le test
et d’obtenir des résultats reproductibles. De
plus, la capacité de séquencement des signaux du générateur de signaux vectoriels
permet de réaliser des configurations de
test multiples (par exemple présentant chacune des réglages de phase différents).
Grâce à cette capacité, il devient possible de
réaliser plus de tests en moins de temps,
d’où une réduction considérable du coût
global du test.
Cependant, la solution basée sur un générateur vectoriel présente aussi quelques limitations que l’ingénieur de test doit garder à
l’esprit.Tout d’abord, la puissance disponible
délivrée par le générateur de signaux est partagée entre chacune des fréquences générées
(selon le réglage choisi). Plus on génère de
fréquences, plus la puissance disponible pour
chacune d’elles est réduite. Si la limite de puissance est atteinte et qu’un dispositif sous test
spécifique nécessite une puissance supérieure
pour une fréquence donnée, il faudra ajouter
un amplificateur linéaire externe présentant
une bande passante suffisante pour amplifier
le signal multifréquences composite.
Comme on utilise un modulateur IQ pour
obtenir le signal multifréquences, il peut y
avoir une “fuite” de la porteuse lorsque l’on
génère un nombre pair de fréquences.
L’optimisation du gain et/ou des décalages
(en temps et phase) du générateur IQ et/ou
des décalages (en temps et phase) peuvent
permettre de réduire ces inconvénients.
L’espacement relatif des fréquences est limité
à la bande passante de modulation du générateur de bande de base ou la bande passante
du modulateur IQ (donc la plus petite de ces
deux valeurs).
Mike Griffin
Ingénieur marketing produits
Agilent Technologies
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