Comment les radios définies par logiciel gèrent le réglage de fréquence ultra-large

Une radio définie par logiciel (SDR) utilise un processeur informatique à usage général pour effectuer les aspects du traitement du signal numérique à la place du matériel de circuit analogique. Cela permet une plus grande flexibilité dans l'application, la capacité de traitement et la plage dynamique, souvent à un coût inférieur par rapport aux circuits dédiés. Par rapport à une radio entièrement analogique, un SDR remplace certains circuits analogiques par des implémentations logicielles équivalentes, bien que certains composants analogiques soient nécessaires.

Le principal exemple de composants analogiques requis pour tout SDR est le circuit amplificateur de transmission ou de réception qui s'interface avec l'antenne radiofréquence. Une partie importante de tout système radio est un mélangeur dont le but est de décaler la fréquence d'un signal, vers le haut ou vers le bas en fréquence, un processus appelé hétérodynage. Les SDR utilisent des mélangeurs numériques qui représentent des signaux à l'aide de nombres complexes, ce qui leur confère un avantage significatif par rapport à leurs équivalents analogiques :ils sont capables d'effectuer un décalage de fréquence d'un signal vers le courant continu, tandis qu'un mélangeur analogique n'est capable de décaler un signal que vers une fréquence inférieure.

En règle générale, les SDR ont des bandes passantes plus élevées autour de leur fréquence centrale, ce qui permet de surveiller une plus grande tranche du spectre radio et de s'accorder sur une plage plus large sans avoir à procéder à un nouveau réglage. En d'autres termes, cela signifie que les SDR sont souvent capables d'offrir des bandes passantes instantanées élevées sur une large plage de réglage allant du courant continu à plus de 18 GHz. En raison de la combinaison de ces deux attributs radio hautes performances, le matériel de traitement du signal et de la radio requis pour prendre en charge le réglage des fréquences peut varier.

Il est important de noter qu'en fonction de la conception et de la gamme de fréquences, le mélange et le réglage des fréquences peuvent être mis en œuvre à n'importe quel point de la chaîne du signal, y compris en numérique ou en analogique. Cet article traite des mécanismes spécifiques disponibles pour régler diverses fréquences, y compris l'échantillonnage direct, le mixage en quadrature de phase (IQ) et le mixage super hétérodyne.

Qu'est-ce que la mécanique des fréquences ?

Ce document utilise le terme mécanique de fréquence pour désigner le processus par lequel un signal haute fréquence est décalé vers une plage appropriée pour l'échantillonnage par un convertisseur analogique-numérique (CAN) ainsi que les traductions de fréquence ultérieures qui peuvent surviennent une fois le signal numérisé. Un chemin radio spécifique doit être sélectionné en fonction de la fréquence du signal — différents chemins radio sont optimisés pour différentes plages de fréquences. Au sein de chaque chaîne radio, la fréquence peut être mélangée par des convertisseurs analogiques, décalant efficacement la fréquence vers le haut ou vers le bas.

De même, un signal numérique peut également être décalé, soit au sein du convertisseur, soit au sein du FPGA. Selon la gamme de fréquences choisie, différentes méthodes d'échantillonnage et de conversion sont utilisées. En bref, cet article traite de la mécanique de réglage spécifique, ainsi que de la mécanique de fréquence pertinente pour chaque mode de fonctionnement.

MéthodeComposants de réglage analogiqueEmplacement de réglage de fréquenceÉchantillonnage directAucunLogicielIQMixerMatériel suivi d'un logicielConvertisseur IF super hétérodyne, éventuellement deuxième mélangeurMatériel

Échantillonnage direct

L'échantillonnage direct fait référence à l'échantillonnage (ou à l'envoi) de signaux directement à partir de l'antenne avec un minimum ou aucun composant analogique entre les deux. En d'autres termes, une partie du signal radiofréquence (RF) est échantillonnée, numérisée et transmise au logiciel pour traitement. Bien que simple, les contraintes de cette méthode incluent le bruit et la disponibilité de matériel d'échantillonnage et d'horloges à grande vitesse. Étant donné qu'une grande partie du spectre RF est échantillonnée, les applications multibandes sont possibles sans avoir à procéder à un nouveau réglage.

La capacité de syntoniser différentes fréquences dépend du taux d'échantillonnage du CAN ou du convertisseur numérique-analogique (DAC) lors de la transmission. Les convertisseurs disponibles dans le commerce peuvent échantillonner jusqu'à 3 GSPS (giga échantillons par seconde), ce qui permet de numériser une grande quantité de données en peu de temps. Ces taux d'échantillonnage permettent d'échantillonner des données sur plusieurs bandes de fréquences, y compris de nombreuses bandes de fréquences cellulaires commerciales.

Les SDR sont souvent exploités comme des émetteurs-récepteurs - des appareils capables à la fois d'émettre et de recevoir - et la chaîne d'échantillonnage direct est l'une des nombreuses chaînes possibles sur les SDR à large bande. La chaîne d'échantillonnage direct est automatiquement choisie lors de l'utilisation de fréquences inférieures à celles prises en charge par le down-convertisseur analogique.

Transmission en bande de base

L'antenne externe est connectée au SDR via des commutateurs et des amplificateurs, cependant, notez qu'aucun composant analogique pour la conversion de fréquence n'est utilisé. Tout le rééchantillonnage et la conversion de fréquence sont implémentés dans un logiciel et les circuits analogiques sont utilisés uniquement pour le conditionnement (filtrage) et l'amplification du signal.

cliquez pour l'image en taille réelle

Figure 1 :L'échantillonnage direct fait référence à la transmission de signaux directement à partir de l'antenne avec un minimum ou aucun composant analogique entre les deux. Source :par vices

Lorsque le SDR fonctionne comme un émetteur, les données sont générées par l'application utilisateur et reçues par le FPGA sous forme d'échantillons. Les ports qSFP+ envoient les données numérisées sur une liaison série au FPGA, où le rééchantillonnage et le mélange de fréquences se produisent dans le domaine numérique. Il passe ensuite par la routine d'interpolation basée sur FPGA suivie d'une conversion ascendante numérique basée sur FPGA, à l'aide de l'oscillateur à commande numérique (NCO). Tout décalage de fréquence appliqué par l'utilisateur se produit après interpolation, avant d'envoyer les données au DAC, comme le montre la figure 1. Les données numériques décalées en fréquence sont ensuite converties par le DAC en un signal analogique, qui génère des fréquences d'image dans le cadre du processus de conversion. . Le signal désormais analogique passe à travers des filtres anti-imagerie, à travers les amplificateurs frontaux radio, puis vers l'antenne radio.

Mécanique de transmission en bande de base

Au fur et à mesure que les échantillons se déplacent à travers les différents composants du SDR, les fréquences et les bandes passantes changent. Maintenant que nous avons une bonne compréhension de nos circuits, regardons ce qui arrive au signal à chacune de ces étapes.

Génération d'échantillons

La moitié inférieure de la figure 1 montre trois formes d'onde que nous pourrions chercher à transmettre. Avant que les échantillons ne soient générés, l'utilisateur définit un taux d'échantillonnage (étiqueté A). Le taux d'échantillonnage sert à spécifier la bande passante de l'utilisateur ; un intervalle [-A/2, A/2] qui est centré autour de 0 Hz. Étant donné que ces formes d'onde seront décalées par la fréquence NCO à un stade ultérieur, les ondes sinusoïdales initiales dans certains cas peuvent avoir une fréquence négative, comme le signal noir dans le diagramme. Une fois générés, les échantillons seront envoyés au SDR via une liaison série pour un traitement ultérieur. Il est important de noter que tous les échantillons de la bande passante utilisateur ne seront pas transmis - cela deviendra clair plus tard (voir le signal jaune dans le diagramme ci-dessus).

Interpolation

Après avoir généré des échantillons utilisateur, l'étape suivante consiste à effectuer une interpolation pour obtenir une bande passante plus large. Cette nouvelle bande passante spécifie un intervalle plus grand, également centré autour de 0 Hz, défini par la fréquence d'échantillonnage de l'appareil (325 MSPS pour Crimson TNG, 1 GSPS pour Cyan). La bande passante utilisateur est toujours inférieure à la bande passante de conversion. L'interpolation des échantillons sur une plus grande bande passante est cruciale pour la prochaine étape où la conversion ascendante numérique a lieu.

Conversion ascendante

Après avoir interpolé le signal sur la bande passante de conversion du dispositif, le FPGA peut procéder à la conversion ascendante des échantillons. Rappelez-vous que la conversion ascendante déplace simplement toutes les fréquences vers le haut d'un montant fixe - la fréquence du NCO. Crimson TNG et Cyan ont tous deux des mélangeurs numériques CORDIC qui sont capables à la fois de conversion ascendante et de conversion descendante (DUC, DDC). La conversion ascendante est réalisée en mélangeant les échantillons utilisateur avec un oscillateur local présent dans le FPGA (réglé sur la fréquence NCO). Cela fait augmenter la fréquence de tous nos signaux. L'utilisation de la bande passante de conversion plus large que nous avons obtenue à partir de l'interpolation garantit que nous pouvons capturer davantage de nos produits de mixage.

Dans certains cas (voir le signal en jaune), le mélange de notre signal généré avec la fréquence NCO entraîne une fréquence qui ne se situe pas dans la bande passante de l'utilisateur. Ici, le produit de mélange aura toujours une image qui est tournée pour s'adapter à notre bande passante de capture (voir la ligne pointillée en jaune). Pour les signaux en bande de base, les composantes de fréquence négatives sont rejetées et, par conséquent, cette image n'est pas pertinente et est ignorée.

Le DAC convertit ensuite les signaux sous leur forme analogique. Malgré les performances des DAC modernes, des images Nyquist des signaux originaux existeront; à chaque multiple de notre bande passante de conversion, nous sommes susceptibles de voir des images du signal à leurs décalages correspondants. Des filtres anti-imagerie sont utilisés pour supprimer les images qui s'afficheraient généralement dans les zones de Nyquist les plus élevées, des multiples de la bande passante de conversion. Le signal analogique final peut maintenant être transmis via l'antenne.

QI direct

L'échantillonnage direct IQ ou en quadrature en phase est une variante de l'échantillonnage direct où un signal RF reçu est divisé en deux composants, séparés par 90 degrés en phase. Deux canaux ADC - ou canaux DAC pour la transmission - sont utilisés pour échantillonner ces signaux déphasés. Le processus de réception directe du QI est décrit ci-dessous.

cliquez pour l'image en taille réelle

Figure 2 :Le récepteur Direct IQ, une variante de l'échantillonnage direct, utilise deux canaux pour échantillonner des signaux déphasés. Source :par vices

La première section sur le côté gauche de la figure 2 montre trois ondes sinusoïdales pures et leurs images telles qu'elles sont captées par l'antenne. Un atténuateur variable atténue les fréquences en dehors de la bande d'intérêt. L'étape suivante, le modulateur IQ, combine les composants I et Q pour former le signal RF. Ce processus décale toutes les fréquences vers le bas d'une quantité déterminée par l'oscillateur local (LO). Notez qu'il s'agit d'un processus analogique.

Un filtre anti-aliasing analogique vise à restreindre le signal entrant uniquement à ceux qui tombent dans le domaine du convertisseur. Ceci est important car l'ADC a une plage de fréquence de fonctionnement finie qui est limitée par sa fréquence d'échantillonnage. La bande passante du convertisseur spécifie un grand intervalle centré autour de 0 Hz qui est défini par la fréquence d'échantillonnage de l'appareil (325 MSPS pour Crimson TNG, 1 GSPS pour Cyan). L'ADC convertit les signaux entrants sous une forme numérique.

À ce stade, la bande passante convertie est importante pour le traitement numérique. Pour préparer la décimation, les échantillons sont convertis numériquement. Cela diminue la fréquence de tous les signaux de la fréquence NCO définie sur le FPGA. Le Crimson TNG et le Cyan ont des mélangeurs numériques CORDIC capables à la fois de DUC et DDC. La conversion descendante est réalisée en mélangeant les échantillons reçus avec un oscillateur local présent dans le FPGA, réglé sur ce que l'on appelle la fréquence NCO. Notez qu'après cela, certaines fréquences, comme celle indiquée en rouge, peuvent être négatives.

Avant la réception des échantillons, l'utilisateur définit un taux d'échantillonnage (marqué B). Le taux d'échantillonnage spécifie à son tour la bande passante de l'utilisateur, un intervalle [-B/2, B/2] qui est centré autour de 0 Hz. La décimation garantit que tous les signaux entrants tombent dans la bande passante de l'utilisateur.

Super hétérodyne

Un récepteur hétérodyne mélange le signal RF reçu (f1) avec un signal de référence provenant d'un oscillateur local (f2) pour produire deux signaux à des fréquences intermédiaires de (f1 ± f2). La fréquence intermédiaire (FI) d'un récepteur superhétérodyne (abrégé en super-het) est choisie de telle sorte qu'elle soit plus facile à traiter avec l'électronique analogique et soit par conséquent au-dessus des fréquences normales audibles par l'homme (d'où le préfixe de « super »).

Récepteur super-hét

Un récepteur super-het est illustré à la figure 3. Notez que seul un récepteur est illustré par souci de simplicité - le circuit de transmission équivalent utilisera des composants similaires avec le flux de signal inversé. Les étages analogiques associés sont choisis automatiquement lorsque l'utilisateur sélectionne une fréquence de travail dans la plage super-het. Un récepteur super-het convertit d'abord les RF reçues à l'aide d'un mélangeur analogique. Ceci est réalisé par un circuit séparé approprié étiqueté « carte LOgen » sur la figure 3. L'utilisation du mixage analogique haute fréquence de cette manière produit ce que l'on appelle des fréquences de battement ou des multiples de la FI. Des filtres analogiques sont nécessaires avant la numérisation.

cliquez pour l'image en taille réelle

Figure 3 :La FI du récepteur superhétérodyne est choisie de telle sorte qu'elle soit plus facile à traiter avec l'électronique analogique. Source :par vices

Une deuxième étape de conversion descendante est mise en œuvre à l'aide du modulateur IQ suivi de filtres anti-imagerie pour éliminer les produits de conversion générés par le processus de mixage haute fréquence. L'IF est maintenant numérisé et peut être encore mélangé à l'aide de mélangeurs numériques avant la décimation et l'utilisation finale dans le logiciel.

Comprendre les compromis

En fonction de la fréquence de travail, un SDR à large bande sélectionne parmi les circuits analogiques disponibles. Lorsque vous travaillez avec des fréquences de bande de base ou un échantillonnage direct, aucun mélange analogique n'est possible et la fréquence est limitée par la vitesse d'horloge du circuit. Lorsque vous travaillez avec des fréquences plus élevées, des circuits mélangeurs analogiques sont nécessaires et le nombre d'étages de mélange analogiques dépend à nouveau de la fréquence. Travailler dans la gamme GHz nécessite généralement un circuit analogique ultra-puissant et généralement deux circuits de mélange analogiques afin d'abaisser la fréquence du signal dans la plage de fonctionnement des composants numériques, tels que les CAN ou les DAC.

L'utilisation d'un seul appareil pour le réglage à large bande nécessite une compréhension des compromis de diverses méthodes. Les exemples incluent les artefacts de signal causés par le mixage analogique ou le coût des dispositifs de conversion à grande vitesse si le mixage analogique n'est pas souhaité. Il est important de travailler avec des fournisseurs qui ont de l'expérience dans le développement pour un fonctionnement à large bande et qui ont la capacité de modifier leurs produits pour répondre aux exigences spécifiques associées à un projet donné. Il est préférable de sélectionner un fournisseur en fonction de ses produits disponibles, de ses spécifications, des applications prises en charge et d'une discussion sur ses capacités.

>> Cet article a été initialement publié sur notre site frère, EDN .

---

Victor Wollesen est PDG de Per Vices Corporation. Eldrich Rebello est ingénieur électricien à l'Institut de l'énergie éolienne du Canada.

---

Contenus associés :

• Navigation par satellite et radio définie par logiciel
• Automobiles définies par logiciel :une plate-forme efficace pour une parallélisation essentielle
• Sécurité de l'IoT – Périmètre défini par logiciel et blockchain
• Le projet SDN open source obtient le code Google
• Pourquoi les DSP sont soudainement partout

Pour plus d'informations sur Embedded, abonnez-vous à la newsletter hebdomadaire d'Embedded.