Analyseurs de spectre : de quoi s'agit-il et quels sont les différents types ?

Êtes-vous ingénieur électricien ? Avez-vous déjà utilisé un analyseur de spectre ?

La plupart des ingénieurs électriciens (et espérons tous), voire de nombreux ingénieurs qui travaillent dans d'autres disciplines que l'électricité, savent ce qu'est un oscilloscope et en ont déjà utilisé un. J'imagine que la majorité des ingénieurs électriciens ont découvert l'oscilloscope pendant leur première année d'université. Cependant, en ce qui concerne les analyseurs de spectre, il est possible que certains ingénieurs électriciens en activité ne sachent pas ce que c'est et n'en aient jamais utilisé.

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

Pour de nombreux ingénieurs électriciens, un analyseur de spectre ressemble à un oscilloscope, mais avec plus de fonctionnalités et de graphiques. Cependant, bien qu'un oscilloscope et un analyseur de spectre affichent tous deux l'amplitude d'un signal sur l'axe vertical, c'est ce qui est affiché sur l'axe horizontal qui les différencie. En effet, un oscilloscope affiche le temps, alors que l'analyseur de spectre indique la fréquence. La Figure ci-dessous illustre plusieurs mesures de fréquence affichées sur l'analyseur de spectre DSA815-TG de Rigol.

Figure 1 : Les analyseurs de spectre affichent les mesures de fréquence sur l'axe horizontal. (Source de l'image : Rigol Technologies[1])

Selon Keysight Technologies, un analyseur de spectre « mesure l'amplitude d'un signal d'entrée par rapport à la fréquence dans la plage complète de fréquences de l'instrument. Son utilisation principale est de mesurer la puissance du spectre de signaux connus et inconnus. »^[2] En d'autres termes, un analyseur de spectre permet aux utilisateurs d'analyser un spectre, celui-ci étant défini comme un ensemble d'ondes sinusoïdales combinées afin de produire un signal dans le domaine temporel.

À titre d'exemple, observons le signal d'un oscilloscope (Figure 2).

Figure 2 : Signal affiché sur un oscilloscope. (Source de l'image : Agilent Technologies[3])

Même si ce signal n'est clairement pas une forme d'onde sinusoïdale pure, un analyseur de spectre détermine chacune des formes d'ondes sinusoïdales individuelles qui composent ce signal. Une fois que l'analyseur de spectre a identifié ces formes d'ondes, il trace l'amplitude par rapport à la fréquence de chaque forme d'onde individuelle. Comme vous pouvez le voir sur la Figure 3, le signal de la Figure 2 est composé de seulement deux formes d'ondes sinusoïdales.

Figure 3 : Relation entre un signal dans le domaine temporel (affiché sur un oscilloscope) et des signaux dans le domaine fréquentiel (affichés sur des analyseurs de spectre). (Source de l'image : Agilent Technologies[3])

Types d'analyseurs de spectre : types de technologies et formats

Il existe deux catégories principales d'analyseurs de spectre : les analyseurs à balayage de fréquence et les analyseurs en temps réel, également appelés analyseurs de spectre en temps réel ou RTSA. Utilisés depuis de nombreuses années, ces deux types affichent l'amplitude sur l'axe vertical et la fréquence sur l'axe horizontal, mais ce qui les distingue, c'est leur manière d'analyser un spectre.

Étant donné qu'un analyseur de spectre à balayage de fréquence est « tout simplement un voltmètre à sélection de fréquence avec une plage de fréquences réglée (balayée) automatiquement »^[4], ce n'est pas surprenant de constater que ces types d'analyseurs traditionnels « descendent des récepteurs radio ».^[4] Et comme ces analyseurs de spectre à balayage de fréquence « ne peuvent pas évaluer simultanément toutes les fréquences d'une plage donnée »^[4], ils sont principalement utilisés pour mesurer des signaux constants ou répétitifs. Ces analyseurs sont utilisés par la communauté des ingénieurs responsables de la conformité depuis des dizaines d'années (pensez par exemple aux tests de pré-conformité et aux tests CEM/EMI).

Contrairement aux analyseurs de spectre à balayage de fréquence, les analyseurs de spectre en temps réel peuvent évaluer toutes les fréquences simultanément. Un analyseur de spectre en temps réel fonctionne en acquérant tout d'abord des données dans le domaine temporel, puis en les convertissant dans le domaine fréquentiel grâce à la transformation de Fourier rapide (FFT).

Les analyseurs de spectre se présentent sous différents formats, notamment des versions de table (Figure 4) et des versions portables (Figure 5).

Figure 4 : L'analyseur de spectre de table T3SA3200 de Teledyne LeCroy offre une plage de fréquences de 9 kHz à 3,2 GHz. (Source de l'image : Teledyne LeCroy[5])

Figure 5 : Le modèle 2,4 G RF Explorer de Seeed Technology est un analyseur de spectre portable de 2,35 GHz à 2,55 GHz. (Source de l'image : Seeed Technology)

Les modèles de table sont généralement plus performants que leurs homologues portables, mais leurs prix peuvent être plus élevés. Les analyseurs de spectre portables coûtent moins cher et sont plus petits, mais offrent des capacités inférieures à celles des analyseurs de table. Les analyseurs portables incluent simplement les modèles qui peuvent être emportés sur le terrain grâce à leur batterie (y compris certaines versions de table).

Conclusion

Mêmes si tous les ingénieurs électriciens (espérons-le !) savent ce qu'est un oscilloscope et comment s'en servir, on peut supposer que seuls certains d'entre eux ont déjà utilisé un analyseur de spectre. Bien que les oscilloscopes et certains analyseurs de spectre (les versions de table) se ressemblent tant au niveau du format que de l'affichage, ils sont plutôt différents. Un analyseur de spectre présente ses données acquises en affichant l'amplitude par rapport à la fréquence, tandis qu'un oscilloscope présente ses informations en affichant l'amplitude par rapport au temps. Toutefois, comme pour les oscilloscopes, il existe différents types d'analyseurs de spectre disponibles en fonction des besoins et du budget de chacun.

Références :

1 – Rigol Technologies, "DSA800 Spectrum Analyzer Datasheet" (page 3)

2 – Keysight Technologies, "What is a Spectrum Analyzer?"

3 – Agilent Technologies, "Agilent Spectrum Analysis Basics" (pages 4-5)

4 – Keysight Technologies, "Different Types of Analyzers"

5 – Teledyne LeCroy, "T3SA3100/T3SA3200 Data Sheet" (page 2)