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Analyseur de spectre et VNA 0-3GHz

Introduction

Plusieurs sympathisants de l'Electrolab ont porté de l'intérêt au projet de Scotty Sprowls visant à développer un analyseur de spectre modulaire. Ce projet, entièrement open source tant sur le plan hardware que software, a attiré l'attention du tout nouveau groupe d'intérêt "Radiofréquences" de l'association. Il a donc été décidé de construire un ou plusieurs de ces appareils essentiellement pour les raisons suivantes :

• Ajouter un équipement performant et maintenable au laboratoire
• Apprendre en faisant
• Apporter support et contributions à ce beau projet

En effet, après réalisation du premier exemplaire, la volonté est de poursuivre l'aventure en faisant évoluer le design, bien évidemment, toujours de manière libre.

Les informations étant pour le moins éparses sur le sujet (mais nombreuses), ces pages se veulent aussi à la fois un recueil et un point de repère pour toute personne ayant la volonté de se lancer dans l'aventure.

Descriptif

La description originale de Scotty Sprowls est visible, sur le web, à cette adresse : http://www.scottyspectrumanalyzer.com/

Démarré en janvier 2001, c'est bien entendu un projet qui a beaucoup évolué avec le temps. D'un analyseur de spectre relativement rudimentaire 0-1GHz dans ses premières versions, c'est devenu au fil de temps un bel appareil 0-3GHz, avec générateur de tracking intégré, et la fonction d'analyseur de réseaux vectoriel.

La raison de cette vigoureuse évolution du projet est une conception extrêmement modulaire dès les toutes premières versions. Aujourd'hui, il s'agit d'une vingtaine de circuits imprimés au fonctions très distinctes. Il a donc été facile aux divers contributeurs d'améliorer telle ou telle fonction en modifiant (voire en reconcevant) tel ou tel circuit.

Il faut noter ici que Scotty n'a jamais commercialisé aucune version de son design, pas même sous forme de kit de PCB ou de de composants. La description est donc bien uniquement une description au sens où les schémas, fichiers de routage, et descriptifs de mise au point de chaque carte constituant l'appareil sont disponibles et en libre accès.

Pour illustrer l'aspect très modulaire du "Scotty", on peut voir que différents niveaux de "finition" sont possibles :

• Basique : c'est un "noyau" permettant d'extension aux niveaux suivants. Il s'agit de l'analyseur de spectre fonctionnant en trois gammes : 0-1GHz, 1-2GHz, et 2-3GHz (voire plus haut si l'on utilise un mélange harmonique)

• Niveau 2 : Ajout du générateur de tracking (avec des fonctions plutôt plaisantes comme la possibilité d'introduire un offset de fréquence entre la fréquence générée et celle d'analyse). On peut, à ce stade, effectuer de l'analyse de réseaux scalaire (pas d'information de phase). Un outil logiciel permettant de faire de l'analyse de quartz est disponible.

• Niveau 3 : Ajout de la fonction d'analyse vectorielle de réseaux (VNA). Il s'agit d'ajouter l'information de phase à l'appareil niveau 2. Les possibilités sont gigantesques, et de nombreux outils logiciels permettent de faciliter la vie de tout électronicien (mesure d'impédance, analyse de filtres, mesure de composant, conversion de modèles série / parallèle, mesure de caractéristiques de lignes de transmission, analyse d'antenne...).

Bien entendu, l'appareil auquel nous nous intéressons est celui répondant à l'éventail de besoins le plus large. Toutes les considérations qui viennent ci-après concernent donc un appareil "niveau 3".

La dynamique de l'analyseur de spectre modulaire (MSA) dépend du filtre de résolution utilisé. Avec un filtre de 2kHz, la dynamique est de l'ordre de 100dB. En mode vectoriel, la mesure de phase est valide sur une dynamique de l'ordre de 90dB.

Specifications du MSA (version de base)

Système à double changement de fréquence. Première F.I. à 1013,3 MHz, seconde F.I. à 10.7 MHz. Plage de fonctionnement : 10 KHz à 1 GHz, 1-2 GHz (Option filtre 2G), et 2-3 GHz Résolution en fréquence < 6 Hz Sensibilité -110 dBm Dynamique supérieure à 85 dB, selon la résolution de la bande passante Resolution d’amplitude 0.04 dB ou mieux Resolution de bande passante selon le filtre adopté (l’auteur utilise des filtres 1 kHz, 4 kHz et 30 kHz) Facteur de bruit <23 dB Bruit de phase -91 dBc/Hz, @ 1 MHz, 10 KHz de la porteuse Réjection de la fréquence image (dans la bande) meilleure que -100 dBc Intermodulation (IMD) -60 dBc ou mieux Puissance Max du signal HF d’entrée = +13 dBm; DC= 20 ma Nombre de modules SLIM :11, et un filtre à cavités coaxiales Coût $300 à $500, selon options. Bien inférieur avec une « boite à çà peut servir » bien remplie

Specifications du générateur de tracking MSA/TG

Fréquence de sortie < 1 Hz à 1000 MHz @ -11 dBm, +/- 1 dB (différence) 2000 MHz à 3000 MHz @ -14 dBm, +/- 2 dB (somme) 1000 MHz à 2000 MHz @ -20 dBm, +/- 2 dB (feedthru) 1000 MHz à 2000 MHz @ +9 dBm, +/- 1 dB (bypass option) Nombre de modules SLIM 3 qui s’ajoutent au MSA « version de base » Coût $85 à $100, selon options

Specifications de l’extension Analyseur Vectoriel (VNA), MSA/TG/VNA

Plage de fonctionnement identique à celle du MSA de base (0-1 GHz, 1-2 GHz, 2-3 GHz) Plage dynamique instantanée plus grande que 70 dB Résolution de phase : 0,1 degré ou mieux Nombre de modules SLIM 2 qui s’ajoutent au MSA /TG Coût $16 à $25, selon options

Architecture

Le schéma d'architecture présenté ci-dessous est celui d'un appareil "niveau 3", avec la fonction VNA.

Fonctionnement du MSA

Configuration commune à toutes les bandes (0-1, 1-2 et 2-3GHz)

Un double changement de fréquence est utilisé pour minimiser la génération de signaux parasites. Une FI finale de 10.7MHz est choisie pour pouvoir profiter des filtres standards disponibles dans le commerce. Le détecteur d'amplitude est un détecteur logarithmique ayant une dynamique de 100dB. Le signal qui en est issu est numérisé par un convertisseur 16 bits.

Il y a donc deux oscillateurs locaux (LO1 et LO2), pilotant les deux mélangeurs (Mixer 1 et Mixer 2). LO1 est un synthétiseur hybride (verrouillage de phase classique dont la référence est générée par une sythèse numérique directe -cartes PLO1 et DDS1-). LO2 dispose simplement d'un verrouillage de phase et génère une fréquence fixe de 1024MHz. Un oscillateur maître à 64MHz est utilisé comme référence.

Une carte de contrôle interface le MSA avec le port parallèle d'un PC.

Opération dans la bande 0-1GHz

La gamme de fréquence d'entrée du MSA est 0-1000MHz, et l'entrée est J2 de Mixer 1. L'oscillateur PLO1 balaye en fréquence entre 1013.3 et 2013.3MHz. Il est utilisé pour effectuer un changement de fréquence supradyne. La sortie de MIXER1 est sélectionnée à 1013.3MHz à l'aide d'un filtre à cavité coaxiale pour assurer la réjection d'image. Sa sortie est mélangée dans MIXER2 avec le signal issu de PLO2 à 1024MHz. La fréquence FI finale est donc de 10,7MHz.

Cette FI est amplifiée et filtrée en passant dans le filtre de résolution sélectionné par l'utilisateur.

L'amplitude du signal FI, image du signal d'entrée, est convertie en tension DC par un détecteur logarithmique intégré. Cette tension, homogène à une amplitude en dB, est numérisée par un convertisseur, puis la valeur sous forme digitale est transmise au PC via la carte de contrôle.

Opération dans la bande 2-3GHz

Les signaux dans la bande 2000-3000MHz sont appliqués à l'entrée de MIXER1. PLO1 balaye en fréquence entre 986.7MHz et 1986.7MHz. On utilise donc pour cette bande le produit de mélange infradyne de MIXER1. A la sortie de MIXER1, La fréquence à analyser est sélectionner à 1013.3MHz avec le même filtre à cavité coaxiale de manière à rejeter les fréquences images. Sa sortie est mélangée avec PLO2 à une fréquence fixe de 1024MHz afin de produire l'ultime fréquence FI à 10.7MHz.

    L'entrée de MIXER1 a des performances dégradées pour des fréquence
    supérieures à 1000MHz. Bien que système puisse fonctionner ainsi, de
    meilleurs résultats sont obtenus en inversant les ports IN et OUT de
    MIXER1. L'entrée du MSA devient J3, et la première FI sort sur J2.

Opération dans la bande 1-2GHz

Pour cette bande, la structure du MSA est modifiés pour ne plus avoir qu'un seul changement de fréquence.

PLO1 balaye en fréquence entre 1010.7MHz et 2010.7MHz. Ce signal d'OL est utilisé sur MIXER1 pour effectuer un mélange supradyne. La FI à 10.7MHs est directement issue de MIXER1, et est simplement passée dans un filtre passe-bas. Après amplification le signal traverse alors le filtre de résolution sélectionné.

    Là encore, comme pour la bande 2-3GHz, de meilleurs résultats sont obtenus
    en retournant les ports in et out de MIXER1.

    Le principe de ce simple changement de fréquence (simple hétérodyne) ne permet
    pas la réjection d'image effectuée pour les autres bandes avec le filtre à cavité
    coaxiale. Ceci signifie que MIXER1 va produire la même conversion à 10.7MHz pour
    les fréquences dans la bande 1021.4 à 2041.4MHz... Les signaux d'entrée peuvent
    donc être à la fois à 10.7MHz SOUS LO1, et 10.7MHz SUR LO1.

Le MSA avec générateur de tracking

L'analyseur de réseaux vectoriel

Analyse du système

Gain de conversion

Bilan des puissances :

• MIXER1 : -6.5dB
• Cavité coaxiale : -7dB
• MIXER2 : -6.5dB
• Ampli FI : +40dB
• Filtre de résolution : # -4dB pour bande passante de 2.2kHz.

Total : +16dB

Bien entendu, ce n'est qu'un ordre de grandeur... Les sources de dispersions sont nombreuses, en particulier au niveau des filtres homemade (filtre de résolution et cavité).

Sensibilité

Pour un analyseur de spectre, la sensibilité peut être définie comme étant la puissance minimale d'un signal CW à l'entrée de l'appareil permettant de le mesurer et de quantifier sa sa puissance. Ici, la sensibilité est essentiellement dépendante du détecteur logarithmique, mais le filtre de résolution joue aussi un rôle déterminant (voir paragraphe sur le niveau de bruit).

On considèrera ci-après que le filtre de résolution a une bande passante de 2.2kHz.

• Pour la mesure d'amplitude :

C'est le niveau de puissance à l'entrée qui cause une augmentation du niveau de bruit. Analog Devices spécifie le niveau de bruit de l'AD8306 comme étant -91dBV (28.18µV). Grâce au transformateur d'un rapport 1:4 sur l'entrée 50Ohms du module de détecteur logarithmique, la tension à ce point doit donc être de 7.045µV (-90dBm). Le gain du MSA étant de 16dB, cette puissance est obtenue pour un signal d'entrée à -106dBm.

• Pour la mesure de phase :

C'est la puissance d'entrée qui cause une déviation de plus de 2° de la sortie limitée du détecteur logarithmique. Analog Devices spécifie cette puissance pour l'AD8306 à -73dBV. C'est équivalent à -72dBm à l'entrée du module de détection log. En prenant en compte le gain de conversion de 16dB du MSA, on arrive donc à une puissance d'entrée minimale de -88dBm pour effectuer une mesure de phase.

Puissance d'entrée maximale

• Puissance maximale avant destruction : selon les spécifications du Mini-circuits pour le mélangeur d'entrée (AD-11X), il ne faut pas dépasser +17dBm (50mW).

• Puissance maximale avant dégradation des performances :
  • Mesure d'amplitude :+9dBV sur l'AD8306 selon les spécifications d'Analog Devices, et donc -6dBm / 50Ohms à l'entrée de l'analyseur.
  • Mesure de phase : +3dBV sur l'AD8306 selon les spécifications d'Analog Devices, et donc -18dBm / 50Ohms à l'entrée du MSA

Dynamique

La dynamique est la différence entre la puissance maximale et la puissance minimale acceptable à l'entrée du MSA.

• Mode analyseur de spectre : de -106dBm à -6dBm = 100dB
• mode VNA : de -88dBm à -16dBm = 70dB

     Les essais réels montrent des résultats bien meilleurs, notamment 
     pour la dynamique en mode VNA. Les opérations de calibration permettent
     de travailler bien au-delà des spécifications de l'AD8306.

Niveau de bruit

L'analyse préliminaire réalisée ci-dessus concernant les bilans de puissance prend pour hypothèse que le niveau de bruit de l'analyseur est déterminé par le niveau de bruit du détecteur logarithmique. Ce paragraphe décrit les raisons de cette hypothèse :

Citation de Scotty Sprowls :

"The Input Noise Floor of the MSA is determined by the self generated noise of all the circuits within the MSA. That is, it is assumed that there is no "real" signal entering the MSA to be measured by the Log Detector. This is a reality if the MSA is commanded to any frequency that does not create spurious signals. Spurs are explained near the end of this page. The devices, Mixer 1 and Mixer 2 do create noise, but their total level is below the physical noise floor of -174 dBm/sqrtHz (a 1 Hz bandwidth).

Therefore, the total noise created in the MSA is the combination of the two I.F. Amplifiers and the Log Detector. The first I.F. Amplifier has a noise figure of 3 dB and a gain of 20 dB. The broad-band noise generated by the first amplifier is = -174dBm +3dB(amp noise figure) +20dB(gain) = -151 dBm /sqrtHz. The second amplifier (20 dB gain) increases the noise to -131 dBm /sqrtHz. The total output noise is decreased by the bandwidth of the Final Xtal Filter, plus its loss. (Assume the bandwidth is 2.2 KHz, with -4 dB loss). The total noise at the input to the Log Det SLIM = -131 dBm /sqrtHz + 10logBW(2.2KHz) - 4dB(filter loss) = -131 +33.4 -4 = -101.6 dBm. This total noise value of -101.6 dBm is much lower than the input noise floor (-90 dBm) of the Log Detector. This means that the Log Detector is determining the noise floor and that previous assumption that the MSA Dynamic Range of 100 dB is valid.

If the 2.2 KHz Final Xtal Filter is replaced with a 15 KHz bandwidth filter, the noise floor will increase. The total noise at the input to the Log Det will be: Total noise = -174dBm +3dB(amp noise figure) +20dB +20dB +10logBW(15KHz) -4dB(filt loss) = -89.2 dBm. This total noise level is .8 dB greater than the -90 dBm noise floor of the Log Detector. Therefore, the circuitry in front of the Log Detector Module determines the MSA input noise floor, not the Log Detector. Using the MSA Gain figure of 16 dB, the minimum signal level at the input to the MSA is now -105.2 dBm. Therefore, the Dynamic Range of the MSA with the 15 KHz filter is 99.2 dB (-105.2 dBm to -6 dBm)."

Réalisation

Validation

Ressources

Description

Le "machin" : http://www.scottyspectrumanalyzer.com/

Manuels et usages : http://www.wetterlin.org/sam/

Appro des composants

• "kit" de pcb et boitiers de blindage réalisé par BG6KHC (Yanjun Ma) : http://www.qsl.net/bg6khc/my_version2.htm

-> Le 1/2/2011 : 45$ pour les 20 PCBS, 50$ pour les boîtiers alu usinés + 30$ de frais de port (les 20 boîtiers sont lourds).

• "kit" composants Mini-Circuits :

Mini-Circuits europe (UK) a sur demande un kit spécial "scotty" qui a pour référence KXMA-1+. Le tarif est fortement ristourné (après vérification sur le site web, c'est effectivement de la philanthropie de la part de Mini-Circuit).

->Le 18/11/2011 : 82€ + 20€ de frais de port = 102€.