Contexte et spécificités multi-canaux multi-résolution
Cet analyseur fait partie de la réalisation du projet Oscillator Instability Measurement Platform (Oscillator IMP), labellisé Equipex et financé par l’ANR dans le cadre du Programme d’Investissement d’Avenir (PIA). Les partenaires de ce projet sont l’Institut FEMTO-ST et le laboratoire UTINAM à Besançon. Le financement est de 4.2 M€ de l’ANR (2012-2022) et de 4 M€ de co-financement acquis.
La mesure des oscillateurs, ainsi que la conception des oscillateurs ultra-stables du futur (HF/VHF/micro-ondes), nécessite de l’analyse spectrale à plusieurs voies synchrones pour résoudre une série de problèmes expérimentaux tels que :
- réduire le bruit du détecteur dans la mesure du bruit de phase (PM) et du bruit d’amplitude (AM) par corrélation entre deux détecteurs, et
- identifier et corriger des artefacts par corrélation entre le bruit AM et PM, ou entre ces types de bruit et la fluctuation de paramètres internes de l’oscillateur.
L’on vise la mesure entre 1 mHz (voir 1 µHz) et plusieurs MHz de fréquence d’analyse, avec un palier de pureté spectrale visé de –180 à –200 dBc/Hz (bruit blanc, pour f>10 kHz) en deux temps, avec des modules PXIe-4481 (f≤500 kHz) et des modules PXIe-7975R (f≤10 MHz), sur un support PXIe-1082 et ordinateur en technologie Xeon PXIe-8880 pour permettre l’analyse d’un flux tendu d’une longue durée (semaines) avec un très petit taux d’erreurs hardware.
Il faut préciser que l’instrumentation actuelle pour la mesure du bruit AM et PM est affectée par des erreurs conceptuels qui limitent la sensibilité et qui ne permettent pas d’atteindre la pureté spectrale visée. Ce problème a fait l’objet de trois workshops internationaux organisés par E. Rubiola (PI d’Oscillator IMP) entre 2014 et 2017. Il est ainsi impératif de disposer de l’instrumentation « faite maison » dont on maitrise hardware et algorithmes.
Travaux réalisés en lien avec l'aspect multi-canaux
L'interface Homme/Machine suivante montre les résultats du développement dans la bande inférieure à 500 kHz. Déployée sur la cible xeon PXIe-8880 (sous Windows 7 PRO) avec un conditionneur de signaux PXIe-4481, elle offre les fonctionnalités suivantes :
- Visualisation en temporel d'un signal analogique choisi parmi les 6 entrées disponibles et numérisé à 1,25 Mech/s
- Visualisation de la répartition du signal en amplitude sur un histogramme avec paramétrage du nombre de bande d'analyse et moyennage
- Visualisation de la densité spectrale de puissance d'un signal analogique parmi 6 entrées disponibles et moyennage
- Visualisation du cross-spectre de deux signaux analogiques parmi 6 entrées disponibles et moyennage
- Sélection de la méthode de fenêtrage pour la densité spectrale de puissance et le cross-spectre
Travaux en cours en lien avec la cible FPGA
Les fonctionnalités présentes sur l'IHM ci-dessus sont en cours de développement sur le châssis PXIe doté de la carte FlexRIO PXIe-7975R avec pour objectif de pouvoir analyser des signaux parmi 4 entrées analogiques disponibles, et ce dans une bande inférieure à 10 Mhz. La fréquence d'échantillonnage est de 120 Mech/s pour chacune des 4 voies synchrones. L'utilisation du FPGA permet d'implémenter les calculs parallélisés de FFT et de multiplications complexes cadencées à l'aide d'une horloge de 920 Mhz de fréquence. Les filtres FIR seront intégrés dans la phase des perspectives.
Perspectives en lien avec la notion "multi-résolution"
La multi-résolution spectrale paramétrique est obtenue en calculant les FFT par parties sur les 4096 échantillons numériques quantifiés à chaque itération. La FFT globale, comme le cross-spectre, est alors obtenue par réassemblage des parties en question. L'utilisation de filtres à réponse impulsionnelle finie (FIR) appliqués au signal numérisé et filtré détermine les parties souhaitées.