Mesurer le bruit d'un signal

[soulhh]

Bonjour à tous,
Dans le cadre d'un exercice je cherche à mesurer à l'oscilloscope le bruit présent sur un signal analogique, digital et pwm, le plus fidèlement possible.
N'étant pas habitué à ce type de problématique, je vous fais part de mes recherches et de ma réflexion afin d'avoir des retours dessus.


1) J'ai cherché à quantifier le bruit généré par mon dispositif de mesure pour le soustraire à ma mesure de bruit

En regardant la data de mon oscillo j'ai vu que le bruit RMS valait 150 uV + 8% du réglage V/div pour une utilisation de toute la bande passante de l'oscillo.
J'ai lu qu'une sonde passive était le meilleur choix pour mesurer un signal sans le bruiter d'avantage, je ne suis pas sur d'avoir compris pourquoi et je ne sais pas si il y a d'autres choses sur lesquelles il faut faire attention pour ce point.


2) La mesure du bruit en elle même

Lorsque l'on mesure seulement un signal de bruit j'ai lu qu'en utilisant la méthode de mesure "oscilloscopique tangentielle" (p18: http://www.ta-formation.com/acrobat-cours/bruit.pdf) , on pouvait mesurer plus précisément le bruit qu'en plaçant simplement des curseurs sur la partie non fluctuante du signal.
Seulement quand est-il lorsque le bruit à mesurer est présent sur un signal de type pwm ou analogique ? Cette méthode est-elle applicable ? Existe-il une méthode similaire ou une meilleure que les autres ?
J'avais pensé à mettre en voie 2 de l'oscillo un signal similaire à celui dont je veux déterminer le bruit, soustraire les deux signaux pour n'avoir que le bruit, puis doubler le signal résultant sur l'écran de l'oscillo pour enfin appliquer cette méthode oscilloscopique tangentielle.

Merci pour tout commentaire, pistes ou suggestions de lecture.
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[jiherve]

Bonsoir
Le bruit sur une PWM sera essentiellement un bruit de phase donc dans le domaine fréquentiel, le jitter est estimable au moyen des curseurs temporels et une bonne synchronisation.
Le bruit sur un signal analogique sera un bruit d'amplitude.
le bruit sur un signal digital peut être les 2 voir diagramme de l'oeuil.
Il faut disposer d'un oscillo ad hoc pour faire des mesures car il y a de la FFT à faire.
JR

[Patrick_91]

Bonjour,

Le scope n'est pas l'outil idéal pour faire des mesures de bruit. Sauf compléter l'équipement par des filtres de bande aux fréquences d'intéret et de disposer d'un ampli log
cela sera acrobatique.
Il faut un analyseur de spectre . A quelle Fréquence travaillez vous , quelles amplitudes de signaux quels types de signaux (periodiques ou autres ?).
A plus

[soulhh]

Bonjour, merci de vos réponses.
Je n'avais pas pensé au bruit en fréquence, merci.

Je dispose seulement d'un oscilloscope, en regardant sa doc j'ai vu qu'on pouvait faire de la FFT dessus. L'oscillo n'est pas idéal pour le bruit en amplitude et/ou celui de phase ?
Les signaux sont des PWM et des digitaux (0 à 12V pour les deux et allant du Hertz à la cinquantaine de KHz pour le PWM), et des analogiques de 0 à 5V environ.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Patrick_91]

Bonjour,

Oui les niveaux de bruit autour d'une porteuse (raie) varient avec la fréquence (cas du bruit de phase) et de plus les niveaux de bruit par rapport aux signaux sont si bas que pour travailelr il vous faut un ampli logarithmique faute de quoi vos mesures se cantonnerons dans une faible dynamique (10 dB grand maximum).

La fonction FFT peut certainement vous apporter un début de bonnes réponses si les filtres (numériques dans ce cas) et la vitesse échantillonnage vous permettent d'obtenir la résolution suffisante permettant d'observer les variations de bruit au pied des porteuses . Vu vos fréquences de travail LA FFT est en effet préférable à l'analyse spectrale a balayage.
a plus

[soulhh]

Bonjour,

Dans mes tentatives de mesures d'un bruit en amplitude, bruit produit grâce à la fonction dédiée d'un générateur, j'ai constaté que le RMS mesuré par mon oscilloscope était systématiquement le double de celui réglé sur le générateur.
Parfois j'ai constaté, en générant des signaux périodiques, que l'oscilloscope superposait au signal généré un signal périodique similaire déphasé. Peut être qu'un second signal similaire à celui que je mesure est systématiquement rajouté, faussant mes mesures ? Mais dans ce cas le RMS devrait être multiplié par √2 et non multiplié par 2 je pense.

Auriez vous une idée de la raison ?
Quand je pourrais j'essaierai d'utiliser un autre générateur et oscilloscope pour voir.

[Patrick_91]

Hello
Oh quelle est la manip, exactement (génération du signal)
Quel est le moyen de mesure ? le scope ? une fonction RMS toute faite ?
A plus

[soulhh]

Bonjour,

Mon générateur est un Hewlett Packard 33120A : http://www.libertytest.com/assetmana...126-33120a.pdf
En fouillant dans cette doc j'ai vu que la fonction de bruit génère un bruit blanc de bande passante 10MHz.

Je n'ai pas de câble coaxial pouvant relier directement le scope au géné. Donc je branche l'extrémité d'un câble au générateur et je viens mettre ma sonde sur l'autre extrémité (qui est composée d'un câble pour le signal et d'un autre pour la masse). J'utilise la fonction de mesure RMS de mon oscillo. Je n'ai pas trouvé la manière dont cette mesure est faite dans la doc.

[Patrick_91]

Bonjour,

Oui mais quel niveau de bruit blanc , quelle est la bande passante du scope ? description de la manip c'est une mesure en fonction de la Fréquence ou du temps ?
A plus

[soulhh]

Le bruit blanc est de l'ordre de la dizaine de mVrms. La bande passante de mon oscillo est 350MHz. Je trace le signal en fonction du temps.

[Patrick_91]

Bonjour,

mettons 10 mV sur une bande de 10 MHz .... impédance du générateur 50 Ohms ?

Que voulez vous mesurer ?? au scope ??
Faut passer en mode FFT et faire une mesure du niveau de bruit au milieu de la bande (5 Mhz) et avec un filtre de largeur connue (300 kHz ou 1 MHz par exemple )
en supposant la même impédance (50 Ohms).
Il faut calculer la densité spectrale du bruit en dBm/Hz (puissance/Hz en mW ou µW/Hz ) que sort le générateur de Bruit ou dBm / MHz.
En principe le niveau de bruit est égal à KTB .: Pb (W/Hz ou mW/Hz ou µW/Hz) = KTB
K = Contante de Boltzman
T= Température en degrés K (prenez 300 K)
B= Bande passante en HZ

Avec un analyseur de spectre correct vous devriez retomber sur la densité spectrale que sort le générateur si vous tenez compte de la bande passante de mesure , qu'il vous faut ramener au Hz par le calcul , ou au MHz si vous disposez d'un filtre de 1 MHz ... cela fait moins de calcul.
Pour résumer, ces mesure se font avec un analyseur de spectre, ou alors avec un appareil de mesure RMS dont la bande passante est tres inférieure au spectre du bruit que vous voulez mesurer.(votre scope ayant une largeur de bande de 350 MHz cela n'ira pas).
A plus

[Patrick_91]

Hello ,

En principe le niveau de bruit est égal à KTB .: Pb (W/Hz ou mW/Hz ou µW/Hz) = KTB
K = Contante de Boltzman
T= Température en degrés K (prenez 300 K)
B= Bande passante en HZ

Faut lire bien sur :
En principe le niveau de bruit de fond Thermique est égal à KTB .: Pb (W/Hz ou mW/Hz ou µW/Hz) = KTB
K = Contante de Boltzman

cela permet de comparer la densité de bruit générée par le générateur BF .. avec le bruit thermique naturel.
A plus

[soulhh]

Je ne savais pas qu'il fallait faire tout ça !

"Faut passer en mode FFT et faire une mesure du niveau de bruit au milieu de la bande (5 Mhz) et avec un filtre de largeur connue (300 kHz ou 1 MHz par exemple )
en supposant la même impédance (50 Ohms)"

A quoi sert ce filtre ?

"Pour résumer, ces mesure se font avec un analyseur de spectre, ou alors avec un appareil de mesure RMS dont la bande passante est très inférieure au spectre du bruit que vous voulez mesurer.(votre scope ayant une largeur de bande de 350 MHz cela n'ira pas)."

Je ne comprend pas pourquoi il faut que la bande passante de l'appareil soit inférieure à celle du bruit ?
Le bruit mesuré dépend du rapport entre les deux ? Comment ?
Du coup comment faire pour mesurer un bruit dont on ne connais pas à priori la bande passante ? On la connaîtra en passant en mode FFT ?

[Patrick_91]

hello,

Je ne comprend pas pourquoi il faut que la bande passante de l'appareil soit inférieure à celle du bruit ?

La bande d'analyse doit être inférieure , un vrai bruit blanc (purement théorique) possède un spectre infini ...
Votre bruit blanc (10 MHz) vu par un appareil dont la bande passante est 350 MHz , s'il fait une mesure de puissance large bande mesurera la somme des puissances de bruits entre 0et 10 MHz (signal généré par le générateur + le bruit thermique de l'appareil), puis au dessus de 10 MHz seulement le bruit thermique jusque 350 MHz .
Donc on ne sait pas bien ce que l'on mesure , la mesure est faussée par le fait que le signal n'est pas un bruit blanc.
Aucun appareil ne prétend d’ailleurs faire cela.
Si maintenant vous faites une mesure au travers d'un filtre de 1 MHz , que vous déplacez entre 0 et 10 MHz par petits bonds , vous obtiendrez une mesure de la puissance de Bruit fournie par le générateur, et le bruit de fond thermique en fonction de la fréquence dans une fenêtre de 1 MHz glissante.
Ceci permet de vérifier la nature du bruit: le bruit blanc offre une amplitude (puissance) constante dans bande d'existence. La mesure est une mesure de densité de bruit qui s'exprime en w/Hz ou plus souvent en mW/Hz ou dBm/Hz. La puissance mesurée est proportionnelle à la bande de mesure.
Exemple si vous faites une mesure avec un filtre de 1 MHz , puis une deuxième avec un Filtre de même forme de 100 kHz de bande équivalente de bruit, vous aurez une puissance de bruit mesurée 10 fois plus faible.
La forme des filtres a son importance, un filtre gaussien de 1 MHz de bande a -3dB est équivalent à un filtre de 600 kHz rectangulaire (vue de l'esprit , c'est impossible a réaliser) , donc le coeff de 0,6 dans le cas du fitre Gaussien est a prendre en compte pour calculer une puissance, il y a d'autres coefficients en fonction des différentes formes de filtres bien sur.

C'est la façon de faire , avec un analyseur de spectre (FFT ou balayage), bien sur il existe des mesureurs de bruit qui automatisent tout , mais ce n'est plus du sport , de plus , il vaut mieux apprendre à faire cela avec des moyens non spécialisés au plan didactique il n'y a pas photo...

Du coup comment faire pour mesurer un bruit dont on ne connais pas à priori la bande passante ? On la connaîtra en passant en mode FFT ?

Oui en balayant dans la bande d’intérêt , jusqu’à la limite et au delà vous observerez les variation du niveau de bruit fourni.

A PLUS

[soulhh]

La bande d'analyse doit être inférieure , un vrai bruit blanc (purement théorique) possède un spectre infini ...
Votre bruit blanc (10 MHz) vu par un appareil dont la bande passante est 350 MHz , s'il fait une mesure de puissance large bande mesurera la somme des puissances de bruits entre 0et 10 MHz (signal généré par le générateur + le bruit thermique de l'appareil), puis au dessus de 10 MHz seulement le bruit thermique jusque 350 MHz .
Donc on ne sait pas bien ce que l'on mesure , la mesure est faussée par le fait que le signal n'est pas un bruit blanc.
Aucun appareil ne prétend d’ailleurs faire cela.

Est ce que cette remarque est aussi valable pour le bruit que l'on visualise sur l'oscilloscope quand on affiche tout simplement le signal (sans faire la mesure RMS) ?

[Patrick_91]

Hello,
Je je comprend pas cette question ?
A plus

[Patrick_91]

Hi
A l’oscilloscope sur sa bande passante de 350 MHz vous ne mesurerez en poussant le gain y a fond que le bruit de fond du scope et de ses amplificateurs quelel que soit la fesure que vous fassiez. C'est bien pour cela que ce genre de mesure se fait avec un analyseur de spectre (analyse en fonction de la Fréquence et non pas du temps).
La fonction fft du scope peut servir pour une mesure en fonction de la Fréquence grace aux filtres de bande mais ces fonctions ne sont pas toujours tres performantes , faut voir..
Quel type de scope utilisez vous ?
A plus

[soulhh]

Bonjour,
D'accord je comprend.
J'utilise cet oscilloscope : http://fr.farnell.com/tektronix/mdo3...z-2/dp/2381340
(Je n'ai pas l'option analyseur de spectre)

[soulhh]

Je peux changer la bande passante de mon oscillo. Donc j'ai fait des mesures de bruit en amplitude en fonction du temps avec la fonction rms de mon oscillo pour les différentes possibilités. Pour un bruit réglé à 10mVrms sur le géné j'obtiens :
- 20.8 mVrms à 350 Mhz
- 20.8 à 250 Mhz
- 20.0 à 20 Mhz

Ces proportions se conservent pour toute autre valeur de bruit (si réglé à 30 j'aurai 60 environ etc).
Ma sonde est atténuatrice avec un facteur 10 mais elle est compensée.

A moins que le bruit double entre 10 et 20 Mhz et n'augmente quasi plus après, le facteur 2 pourrait venir de mon montage. Il faudrait que je trouve un moyen de tester à 10 Mhz

[Patrick_91]

Bonjour,

Plutot que les brochures mondaine, je préfère les data-shhet et celle de votre scope est ici <<<----

C'est un sacré truc, un couteau Suisse.
Mon impression , si non ma certitude est que la fonction mesure RMS ne doit pas etre utilisable sur du bruit. Ces mesures en général sont faite pour les signaux périodiques (détection de periodes récurentes, échantillonnage, élévation au carré puis moyennage) . cela ne donnera rien de cohérent sur du bruit blanc.
En revanche vous avez l'analyseur de spectre :
Spectrum Analyzer
•
Frequency range
–
Standard: 9 kHz – oscilloscope bandwidth
–
Optional: 9 kHz – 3 GHz
•
Donc vous avez un analyseur de spectre 9 kHz - 350 MHz ? c'est ce que dit la doc ?
c'est cela qu'il faut utiliser pour analyser votre bruit blanc entre 9 kHz et 10 MHz mais vous parliez de FFT c'est de l'analyse spectrale , sur quelle bande de fréquence ?

A plus

[soulhh]

Merci,
Je vais aller essayer. Pour le FFT je ne sais pas encore.

[Antoane]

Bonjour,

Je peux changer la bande passante de mon oscillo. Donc j'ai fait des mesures de bruit en amplitude en fonction du temps avec la fonction rms de mon oscillo pour les différentes possibilités. Pour un bruit réglé à 10mVrms sur le géné j'obtiens :
- 20.8 mVrms à 350 Mhz
- 20.8 à 250 Mhz
- 20.0 à 20 Mhz

Les 10 mV spécifiés au générateur ne spposent-ils pas que la sortie soit adapté 50 Ohm ? cela expliquerait le ration 1/2.

Mon impression , si non ma certitude est que la fonction mesure RMS ne doit pas etre utilisable sur du bruit. Ces mesures en général sont faite pour les signaux périodiques (détection de periodes récurentes, échantillonnage, élévation au carré puis moyennage) . cela ne donnera rien de cohérent sur du bruit blanc.

Les bons oscillos récents proposent souvent deux méthodes d'estimation de la tension RMS :
- par intégration sur une période ;
- par intégration sur toute la fenêtre de mesure.
Dans le second cas, la mesure devrait être pertinente.

[Vincent PETIT]

Salut,
Ton générateur de bruit blanc est caractérisé pour une bande passante de 10MHz (c'est ce que je lis dans la doc page 2 "Frequency characteristics") donc si tu mesures à l'oscillo avec un filtre supérieur à cette fréquence, tu vas ajouter le bruit en dehors de la bande passante du générateur.

Il te faut un filtre de 10MHz (ou moins) sur l'oscillo pour ne pas dépasser, en mesure, la bande passante du générateur.

[Patrick_91]

Hi

Absolument, si non oui pour les adaptations 50 Ohms, mais la je crois que la mesure n'est pas pertinente.
Autant avec un analyseur de spectre cela devient simple, autant au scope je n'ai jamais vu de mesure de bruit ... de plus il faut vraiment un ampli log pour travailler ..
A plus

[soulhh]

Merci pour vos réponses.

Voici le générateur :

https://www.calstatela.edu/sites/def...usersguide.pdf

A la page 298 du document (293 du pdf) on évoque la résistance de 50 ohms " amplitude (into 50 ohms") " etc . Je ne comprend pas comment cela ferait apparaître le 1/2 ?

[Patrick_91]

Hello, oui une spécif de niveau est sous entendue pour une charge nominale = impédance carracteristique (50 Ohms).
a +

[Antoane]

Bonjour,

Voici le générateur :

https://www.calstatela.edu/sites/def...usersguide.pdf

A la page 298 du document (293 du pdf) on évoque la résistance de 50 ohms " amplitude (into 50 ohms") " etc . Je ne comprend pas comment cela ferait apparaître le 1/2 ?

C'est du à l'effet combiné de la résistance interne du GBF et de la charge, c'est expliqué p276/281 du pdf.
Accessoirement, pour ne pas avoir à faire la multiplication par 2, tu peux configurer l'instrument pour qu'il affiche la tension délivrée à vide ou sur charge adaptée.

[Patrick_91]

Hello,

Oui si le scope est en haute impédance on mesure le double (pas la moité), mais en RF cela provoque pas mal d'erreurs de mesure.
En mettant le générateur on ou off on voit la différence ??
A plus

[Patrick_91]

Hello Extrait de la datasheet



Il y a bien un analyseur de spectre 9kHz - 350 MHz incorporé
A plus