Analyse spectrale, mesure de bruit et mesures de

TP4 : Analyse spectrale, mesure de bruit et mesures de propagation filaire
Partie1 : Estimation spectrale numérique et mesure de bruit
1 Préparation
Question 1:
L'oscilloscope numérique permet l'analyse fréquentielle d'un signal, c'est-à-dire qu'il effectue une FFT (Fast
Fourier Transform) du signal à analyser. Avant de calculer la FFT, l'oscilloscope pondère le signal.
Pourquoi ?(cf. doc de l’oscillo fournie sous Moodle)
Question 2:
Dans quel cas utilise-t-on une fenêtre de Hanning ? Une fenêtre Flat Top ?
Question 3:
Rappeler, pour une variable aléatoire X normale, quelle est la probabilité que X soit compris entre -3 et 3.
2 Analyse spectrale numérique
• Brancher la voie CH1 de l'oscilloscope à la sortie CH1 du GBF par un cordon BNC-BNC fourni.
• Régler le GBF pour obtenir un signal sinusoïdal de fréquence 33 kHz et d'amplitude 3V (soit 6V crête-àcrête).
• Effectuer l'analyse spectrale du signal, grâce au module FFT (appui sur le bouton Math) de l’oscilloscope
(mettre une fréquence d' échantillonnage de 100 KS/s).
Question 4:
Noter l'amplitude en dB puis en volts, ainsi que la fréquence en hertz de la raie principale. Interpréter les
résultats obtenus.
Observer également l'effet des fenêtres de pondération sur le résultat de l'analyse spectrale.
• Régler la fréquence du signal à 60 kHz. Pour une fréquence d’échantillonnage de 100 kS/s,
aucune composante spectrale ne devrait être visible et pourtant, constater que l’analyseur
fait apparaître une composante.
Question 5:
A quoi cela est-il dû ?
Que faire pour y remédier ?
1
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• Changer la fréquence d'échantillonnage en la mettant à 10 kS/s
• Diminuer la fréquence du signal. Vous constatez alors que l'amplitude change
Question 6:
Expliquer les raisons de ce changement (on précise que le signal est échantillonné sur 2048 points)
3 Application de l'analyse spectrale : mesure du bruit
3.1
Méthode directe
• Le bruit sera généré par un générateur de fonctions Agilent.
• Générer un bruit d’amplitude E=20mV efficace.
• Le visualiser à l’oscilloscope en temps.
Question 7:
A partir de la question sur le bruit en préparation, déduire une méthode permettant de mesurer l’écart type du
bruit.
Question 8:
En déduire la puissance moyenne de bruit reçue par l’oscilloscope (impédance d’entrée 1MΩ).
3.2
Méthode fréquentielle
Question 9:
Visualiser le spectre du signal de bruit précédent.
Noter son niveau.
Donner la puissance moyenne de bruit reçue par l’oscilloscope.
Question 10:
Sachant que le générateur HP délivre ce bruit dans une bande de fréquence allant 0 à 10MHz,
calculer la DSP No du bruit.
Question 11:
La FFT calcule la puissance de bruit dans une bande équivalente Δf=Fech/N (N=2048 pour
l’oscilloscope Tektronix TDS2022B).
Calculer la puissance de bruit PΔf apparaissant dans une bande de fréquence Δf.
En déduire la valeur efficace E’ de la tension de bruit équivalente.
Calculer la valeur théorique que devrait afficher le module FFT de l’oscilloscope.
2
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Partie 2: Mesures de propagation filaire
But du TP : L’objectif de ce TP est de mettre en évidence certains des phénomènes qui se produisent lors de
la propagation d’une onde électrique dans un conducteur. Ces phénomènes deviennent importants lorsque
la longueur du câble utilisé est du même ordre de grandeur que la longueur d’onde du signal qui se
propage…
Le câble étudié dans ce TP est un câble téléphonique à base de paires de cuivre torsadées, semblable à ceux
utilisés au niveau de la boucle locale pour relier un modem ADSL à un DSLAM.
1. Préparation : un peu de pédagogie inversée…
Révisions des phénomènes de propagation vus au premier cycle et recherche préparatoire pour le TP.
Question 12
Faire un bref résumé (1 page max) sur les phénomènes physiques intervenant en présence d’ondes incidentes et
d’ondes réfléchies associées à une tension électrique délivrée par un générateur à une charge en bout de ligne.
(éléments à traiter : impédance caractéristique, désadaptation au niveau de la charge, du générateur,
coefficients de réflexion et de transmission, ondes stationnaires et onde progressives)
Question 13
Rappeler les relations entre :

la vitesse de propagation (ou de phase) v p et la longueur d’onde  d’une onde sinusoïdale.

Les coefficient de propagation  , d’atténuation  et de phase  et entre  ,  et v p .
Trouver les coefficients de réflexion  z au niveau d’une charge ,  g au niveau du générateur et le coefficient de
transmission T .
Question 14
Rechercher les valeurs typiques des paires de cuivre torsadée de catégorie 5 ???:
-
Vitesse de propagation v p
-
Atténuation linéique en dB/m.  dB / km
-
Impédance caractéristique Z c
2 Manipulation
Le matériel dont vous disposez comporte :
3

un câble téléphonique de caractéristiques inconnues,

des boitiers de connexions,
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
des résistances et des potentiomètres de 50  , 100  et 470  ,

d’un générateur de fonctions et d’impulsions,

d’un oscilloscope et de sondes différentielles.
Deux types de tests seront envisagés sur la ligne : en régime harmonique et en régime impulsionnel.
Le montage à réaliser est le suivant :
3 Mesures en régime harmonique
Question 15
Pour une ligne ouverte de longueur l, justifier l’apparition des nœuds et ventres de tension le long de la ligne.
Donner les valeurs théoriques des fréquences qui donnent un nœud de tension en entrée de ligne.
Représenter l'amplitude de la tension le long de la ligne dans le cas où il y a 3 nœuds sur la ligne.
Graduer la ligne en fonction de  .
3.1
Essai à vide : ZR =  ou en circuit ouvert (CO)
Ne pouvant travailler avec des longueurs de câbles variables, nous allons faire varier la fréquence du signal
sinusoïdal…
Le montage étant réalisé, on veut visualiser la tension V0 en entrée ainsi que la tension de sortie VR à l’aide
d’un oscilloscope. Indiquez où placer les points de mesures (faire valider). Justifier l’utilisation de sondes
différentielles.
Question 16
Pour avoir un premier ordre de grandeur, faire l’hypothèse que la longueur de ligne de 400m et que la vitesse de
phase est de 2E8 m/s et calculer la fréquence minimale pour laquelle on devrait avoir un nœud de tension
d’entrée.
On cherche à déterminer précisément la longueur de la ligne.
Visualiser l’amplitude des tensions en entrée et en bout de ligne. En balayant les fréquences à l’aide du
générateur, relever les fréquences pour lesquelles on obtient des minima et des maxima de tension en
entrée (faire un tableau contenant au moins les mesures pour 5 max et 5 min).
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Question 17
En déduire, pour chaque fréquence, la longueur de la ligne. Calculer une longueur moyenne.
3.2
Essai en court-circuit (CC)
Question 18
Mettre la sortie en court-circuit. Visualiser la tension en entrée, et relever les fréquences correspondant aux
maxima et minima de tension. Comparer ces fréquences à celles trouvées précédemment.
3.3
Essai en Charge :
Question 19
On recommence les mêmes tests en charge. Charger la ligne par les différentes impédances disponibles, et
effectuer (rapidement) les mêmes mesures que précédemment. Commenter. A l’aide d’un potentiomètre,
déterminer expérimentalement la charge adaptée à la ligne. (Un ohmmètre est à votre disposition).
4 Mesures en régime impulsionnel
On utilise à présent le générateur comme générateur d’impulsions. Visualiser simultanément les tensions à
l’entrée et la sortie de la ligne. Faire les réglages pour obtenir à l’écran de l’oscilloscope deux impulsions en
entrée de ligne et deux impulsions en bout de ligne (dans la mesure du possible).
Question 20
Proposer une méthode pour estimer le temps de propagation d’un signal électrique entre l’entrée et la sortie du
câble. Evaluer expérimentalement ce temps.
Comment justifier l’élargissement de l’impulsion à la sortie de la ligne ?.
Question 21
Déterminer la longueur du câble, vérifier la vitesse de propagation utilisée pour l’étude en régime harmonique.
Question 22
Evaluer l’atténuation linéique de la ligne en dB/m. La comparer à celle trouvée dans la préparation.
Question 23
A l’aide du potentiomètre, déterminer expérimentalement la charge adaptée à la ligne. Comparer cette valeur
celle trouvée en régime harmonique.
Question 24
Observer et comparer les essais : à vide, en court-circuit et en charge. Conclure.
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