Equipements de caractérisation

Plusieurs appareils de mesures sont nécessaires à l’étalonnage en absolu d’une chaîne de réception GNSS :

- Un compteur d’intervalle de temps - Un analyseur de réseau vectoriel - Un oscilloscope

3.1.1 Compteur d’intervalle de temps

Un compteur d’intervalle de temps, aussi appelé intervallomètre, est un instrument de mesure permettant de déterminer des intervalles de temps, des temps de montée, des largeurs d’impulsion, de réaliser des mesures de fréquences, de phases entre deux signaux ou de compter des événements [104].

Pour les applications de cette thèse, seul le mode de mesure d’intervalle de temps sera utilisé. Le signal reçu à l’entrée A fournit l’impulsion de départ alors que le signal fourni à l’entrée B déterminera l’impulsion d’arrêt. L’appareil mesure ensuite le temps écoulé entre les deux signaux. Le lecteur intéressé par une description détaillée du fonctionnement de cet équipement pourra se référer à l’Annexe E.

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3.1.2 Analyseur de Réseau Vectoriel

Un analyseur de réseau est un instrument de mesure destiné à caractériser un dipôle (ou quadripôle) actif ou passif en mesurant ses paramètres S qui décrivent le comportement du dispositif sous test. Ce type d’équipement peut être scalaire, c'est-à-dire qu’il permet de mesurer le module du signal ou vectoriel et fournira alors le module et la phase du signal. Une description précise du fonctionnement de cet équipement est présentée dans l’Annexe E.

o Paramètres S

Les paramètres S (de l'anglais Scattering parameters), aussi appelés paramètres de répartition, sont utilisés pour décrire le comportement de réseaux électriques linéaires en fonction des signaux d'entrée [105].

Un diagramme de fluence⁹ peut être utilisé pour analyser le comportement d’un système électronique [106]. Avec cette méthode, un quadripôle est représenté par deux entrées composées de deux nœuds à chaque port, un pour l’onde incidente et l’autre pour l’onde réfléchie.

Considérant le quadripôle suivant :

Figure 3.1 : Schéma d’un quadripôle à 2 voies

L’onde incidente sur les deux ports est représentée par les nœuds a et l’onde réfléchie par les nœuds b. Quand l’onde incidente entre par la voie 1 au nœud a1, la partie réfléchie au travers de S11 ressortira par le nœud b1. La partie restante sera transmise au travers du paramètre S₂₁ et quittera le réseau par le nœud b₂. Si l’onde incidente entre par la voie 2, l’onde réfléchie sortira par le nœud b₂ au travers de S₂₂. L’autre partie de l’onde transitera au travers de S12 et quittera le circuit au nœud b1.

D’après le diagramme de fluence, on peut écrire :

b1=a1S11+a2S12 (3.1)

b2=a1S21+a2S22 (3.2)

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Un digramme de fluence est une représentation graphique d’un système d’équations linéaires permettant d’analyser un système électronique.

b_{1 a2} S11 S12 S22 Voie 1 Voie 2 a_{1 S} b₂ 21

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En conséquence, si a2=0, ce qui signifie que la sortie du quadripôle est adaptée, alors S11 est le coefficient de réflexion vue à l’entrée et S21 le coefficient de transmission de l’entrée vers la sortie.

De la même manière si a₁=0, ce qui signifie que l’entrée du quadripôle est adaptée, alors S22 est le coefficient de réflexion en sortie et S12 est le coefficient de transmission de la sortie vers l’entrée. Il est donc possible d’exprimer les paramètres S de la manière suivante : G ^{G F ME éPEé " M¢ L 1}_{G F ME M¢ L 1 M |}^£ ž_Œ8W ^(3.3) G, ^{G F ME M K M¢ L 2}_{G F ME M¢ L 1} ^£_{M |}^, ž_Œ8W ^(3.4) G , G F ME M K M¢ L 1 G F ME M¢ L 2 M,^{£ |ž}‹8W ^(3.5) G, _{G F ME} ^{G F ME éPEé " M¢ L 2} _{M¢ L 2 M}^£, ,|ž_‹8W ^(3.6)

Les mesures effectuées avec un analyseur de réseau vectoriel sont elles aussi entachées d’un certain nombre d’erreurs [107] :

- Des erreurs systématiques qui sont dues aux imperfections de l’appareil. Elles sont invariantes dans le temps et peuvent être corrigées par un étalonnage.

- Des erreurs aléatoires dont la principale cause est le bruit interne des composants. Elles sont imprévisibles et ne peuvent pas être corrigées.

o Mesure de Temps de Propagation de Groupe

Dans le cadre de cette thèse, l’Analyseur de Réseau Vectoriel est utilisé pour déterminer le TPG (Temps de Propagation de Groupe) d’un élément sous test pour la mesure du paramètre S21 (coefficient de transmission entrée-sortie). Cette mesure permettra ensuite de calculer le retard induit par des câbles, des liens RF ou des antennes sur le temps de propagation du signal.

L’utilisation d’un analyseur de réseau vectoriel nécessite une bonne connaissance de l’appareil puisque plusieurs paramètres doivent être définis de manière spécifique selon les mesures réalisées. Une étude est nécessaire pour chaque type d’acquisition afin de déterminer la configuration la plus appropriée pour obtenir un maximum d’information tout en minimisant le bruit de mesure.

o Paramètres influents

- Ouverture (Aperture)

Lors d’une mesure de TPG, l’ARV fait l’acquisition de la phase à deux fréquences puis calcule la pente de phase correspondante. L’intervalle de fréquence entre les deux points de mesure de phase est appelé l’ouverture. Une variation de ce paramètre peut modifier

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la valeur du temps de propagation de groupe mesuré. Il est donc recommandé d’accompagner chaque résultat de mesure de la valeur de l’ouverture utilisée.

Figure 3.2 : Variation de l’ouverture fréquentielle

Par défaut, l’ouverture correspond à la largeur de la bande de fréquence étudiée divisée par le nombre de points sur l’écran. Il est important de conserver une différence de phase entre deux points adjacents de mesure inférieure à 180° afin de ne pas fausser l’information de phase.

Le choix de ce paramètre consiste donc à trouver un compromis permettant d’avoir un maximum de détails tout en minimisant les effets du bruit.

- Puissance (Power)

Lorsque l’on mesure des éléments passifs en bande L [1-2 GHz], comme des câbles de quelques mètres à quelques dizaines de mètres, la valeur de la puissance injectée n’a pas d’influence sur le résultat obtenu. Par contre, lors de mesures d’éléments actifs, il est nécessaire de contrôler l’influence de la puissance afin de vérifier l’impact de ce paramètre sur le résultat des mesures.

Il existe trois techniques différentes pour réduire le bruit : l’application d’une moyenne, la variation de l’IF bandwidth ou le lissage. Ces trois paramètres sont utilisés simultanément.

- Moyenne (Average)

Afin de réduire au maximum le bruit de mesure, il est possible de modifier le paramètre de moyenne "sweep-to-sweep" qui permet de calculer la moyenne de N mesures successives pour chaque point du balayage. Un haut facteur de moyenne donne un meilleur rapport signal à bruit mais ralentit de temps d’acquisition.

- IF bandwidth

Ce paramètre est utilisé pour modifier numériquement la bande passante à l’entrée du dispositif sous test. Sa réduction abaisse le bruit de mesure en filtrant les réponses non voulues comme les harmoniques impaires, les pics ou le bruit spectral haute fréquence.

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- Lissage (Smoothing)

Afin de réduire le bruit de mesure, un lissage des mesures peut être effectué. Il agit sur chaque point en calculant une moyenne glissante de plusieurs points adjacents. Ce paramètre est à manipuler avec précaution car il permet de supprimer le bruit mais également l’information utile contenue dans le signal.

3.1.3 Oscilloscope

Un oscilloscope est un instrument de mesure fournissant une représentation graphique d'un signal électrique ou de diverses autres grandeurs physiques, préalablement transformées en tension en fonction du temps [108]. L’axe vertical représente l’amplitude du signal traduit par une tension électrique alors que l’axe horizontal représente le temps. Il existe deux types d’oscilloscope : analogique ou numérique. Les équipements analogiques fonctionnent par déflexion électrique d’un faisceau d’électrons en fonction de la tension mesurée. Ces équipements sont en voie d'obsolescence et sont de plus en plus remplacés par les appareils numériques qui sont plus performants et moins encombrants (Cf. Annexe E). L’appareil utilisé dans le cadre des travaux de cette thèse est un oscilloscope numérique Tektronix DPO7000 [109].