Maîtriser l'accord de fréquence ultra-large avec les radios logicielles

Une radio logicielle (SDR) exploite un CPU à usage général pour effectuer le traitement numérique du signal qui serait traditionnellement géré par des circuits analogiques dédiés. Le résultat est un dispositif beaucoup plus flexible, offrant une plage dynamique plus élevée, et coûtant souvent moins que ses homologues tout-analogiques.

Bien que les SDR remplacent de nombreux blocs analogiques par des équivalents logiciels, elles ont toujours besoin de composants frontaux clés tels que les amplificateurs qui s'interfacent avec l'antenne. Un mélangeur est également essentiel pour décaler la fréquence du signal ; les SDR utilisent des mélangeurs numériques qui traitent les signaux comme des nombres complexes, permettant des décalages de fréquence jusqu'au DC — ce que les mélangeurs analogiques ne peuvent pas faire.

Puisque les SDR supportent généralement de larges bandes passantes instantanées autour de leur fréquence centrale, elles peuvent surveiller et réaccorder à travers un vaste spectre sans ajustements matériels fréquents. Cette capacité se traduit par des bandes passantes instantanées élevées s'étendant du DC à plus de 18 GHz, selon le design.

L'accord de fréquence peut se produire à n'importe quel point dans la chaîne de signal — analogique, numérique, ou hybride. Cet article explore les principaux mécanismes d'accord : échantillonnage direct, mélange IQ (en phase/quadrature), et mélange super-hétérodyne.

Qu'est-ce que la mécanique de fréquence ?

Dans ce contexte, la mécanique de fréquence fait référence au processus de décalage d'un signal haute fréquence vers une plage adaptée à l'échantillonnage par un ADC et aux traductions de fréquence subséquentes qui peuvent se produire une fois le signal numérisé. Un chemin radio spécifique est choisi en fonction de la fréquence du signal ; différents chemins sont optimisés pour différentes plages. Au sein de chaque chaîne, la fréquence peut être mélangée par des convertisseurs analogiques (décalage vers le haut ou le bas) ou par des moyens numériques dans le FPGA.

Échantillonnage direct

L'échantillonnage direct capture le signal RF directement depuis l'antenne avec des composants analogiques intermédiaires minimaux ou nuls. La bande RF entière est numérisée et passée au logiciel pour traitement. Bien que simple, cette approche nécessite des ADC et horloges haute vitesse, et est limitée par le taux d'échantillonnage.

Les ADC commerciaux peuvent échantillonner jusqu'à 3 GSPS, permettant la capture de plusieurs bandes de fréquence — incluant de nombreuses bandes cellulaires commerciales — en un seul passage. Sur les SDR large bande, la chaîne d'échantillonnage direct est automatiquement sélectionnée lorsque la fréquence de fonctionnement tombe en dessous de la plage supportée par le convertisseur analogique descendant.

Figure 1 : L'échantillonnage direct transmet les signaux directement depuis l'antenne avec des composants analogiques minimaux. Source : Per Vices

Mécanique de transmission en bande de base

En mode émission, l'application utilisateur génère des échantillons que le FPGA reçoit via les ports qSFP+. Le FPGA effectue le rééchantillonnage et la conversion numérique montante en utilisant un oscillateur à contrôle numérique (NCO). Les échantillons numériquement décalés sont envoyés à un DAC, qui les convertit en signal analogique. Les filtres anti-image suppriment ensuite les images parasites avant que le signal ne soit amplifié et rayonné à travers l'antenne.

IQ direct

L'échantillonnage IQ direct (en phase/quadrature) est une variante de l'échantillonnage direct qui divise le signal RF entrant en deux composants déphasés, échantillonnés par deux canaux ADC. Un filtre anti-repliement analogique limite la bande passante à la zone de Nyquist de l'ADC. Après numérisation, le FPGA convertit numériquement le signal vers le bas en mélangeant avec un NCO, suivi d'une décimation à la bande passante définie par l'utilisateur.

Figure 2 : Le récepteur IQ direct utilise deux canaux pour échantillonner des signaux déphasés. Source : Per Vices

Super-hétérodyne

Un récepteur super-hétérodyne mélange le signal RF entrant avec un oscillateur local pour produire des fréquences intermédiaires (FI) plus faciles à traiter avec l'électronique analogique. Typiquement, la FI est choisie au-dessus de la gamme audible pour réduire les interférences d'image. Un mélangeur analogique, suivi d'une carte de génération d'OL, crée la FI. La FI est ensuite numérisée et peut être traitée numériquement.

Figure 3 : La FI du récepteur super-hétérodyne est sélectionnée pour simplifier le traitement analogique. Source : Per Vices

Comprendre les compromis

Lors de la sélection d'une méthode d'accord, considérez la fréquence de fonctionnement et la bande passante requise. Les modes bande de base ou échantillonnage direct évitent les mélangeurs analogiques mais sont limités par la vitesse d'horloge de l'ADC. Les fréquences plus élevées nécessitent généralement un ou plusieurs étages de mélange analogique, comme un frontal super-hétérodyne, pour amener le signal dans la plage de l'ADC. Chaque approche introduit des compromis : les mélangeurs analogiques peuvent générer des artefacts d'image ; les ADC haute vitesse augmentent le coût et la consommation d'énergie.

Choisir un fournisseur avec une expérience prouvée dans la conception SDR large bande est essentiel. Évaluez leurs spécifications produits, applications supportées, et la capacité à personnaliser le matériel pour les besoins spécifiques de fréquence et bande passante de votre projet.

>> Cet article a été publié à l'origine sur notre site frère, EDN.

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

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