Prototypage de systèmes radar et de guerre électronique avec Ettus USRP X440

Le spectre électromagnétique est à la fois vaste et encombré. Avec des milliards d’appareils connectés fonctionnant dans le monde, ces dispositifs, qu’ils soient commerciaux ou militaires, sont en lice pour l’utilisation du spectre. Cette concurrence nécessite d’étendre des dispositifs de communication dans les portions de fréquences plus élevées du spectre afin de fournir la bande passante appropriée et assurer ainsi le fonctionnement des dispositifs. Même si c’est bénéfique pour les appareils utilisant le spectre, cela élargit également la zone de recherche des récepteurs de renseignement d’origine électromagnétique qui visent à maximiser les chances d’interception des signaux d’intérêt. Il est difficile de suivre toute la gamme de fréquences utilisables, car il faut plusieurs radios ou récepteurs à large bande pour couvrir les multiples options de fréquences disponibles pour les appareils connectés.

Qu’il s’agisse de l’introduction de systèmes à large bande, de techniques cognitives, de la formation de faisceaux entièrement numériques ou de toute autre capacité inédite, les fonctions doivent être évaluées et validées de manière appropriée, généralement par simulation logicielle et avec du matériel réel, avant de passer au déploiement sur le terrain. Les radios logicielles (SDR) permettent de combler le fossé entre l’expérimentation en laboratoire et l’utilisation tactique. 

L’architecture de la radio logicielle Ettus USRP X440 est différente de celle des autres périphériques USRP. L’Ettus USRP X440 est doté d’une architecture d’échantillonnage direct à couplage balun qui permet d’accéder aux C N/A et aux C A/N du Xilinx Zynq RFSoC embarqué. Il permet d’échantillonner directement des fréquences atteignant 4 GHz, ou être connecté à des frontaux externes pour étendre la couverture à des fréquences plus élevées. Ces frontaux pourraient être optimisés pour des applications telles que le prototypage de communications par satellite (SATCOM), le déploiement de stations terrestres SATCOM ou la recherche sur les ondes millimétriques et sub-THz 6G.

^{Figure 1 : Schéma fonctionnel du dispositif de radio logicielle Ettus USRP X440}

L’absence de circuits RF dans l’appareil permet de gagner de l’espace et ainsi d’incorporer davantage de canaux sans accroître l’encombrement. La radio logicielle Ettus USRP X440 dispose de 8 canaux TX et de 8 canaux RX par appareil. Il est possible de rendre ces canaux cohérents en phase grâce au partage des horloges d’échantillonnage. Le X440 est donc idéal pour des applications telles que la radiogoniométrie et la recherche et le prototypage de radars.

L’Union internationale des télécommunications (UIT) définit l’exactitude de la radiogoniométrie comme « la valeur efficace de la différence entre l’azimut réel et le relèvement affiché ». Cette exactitude avec la radio logicielle (ou tout autre matériel) repose sur une synchronisation étroite et un décalage de phase minimal entre les canaux. Dans un seul dispositif Ettus USRP X440, la stabilité de phase RX typique est inférieure à 0,1° RMS. Même lors de la synchronisation de canaux sur plusieurs appareils, la stabilité de la phase RX reste inférieure à 1° RMS. Cette stabilité fournit une exactitude exceptionnelle pour la radiogoniométrie. Si la formation de faisceaux est nécessaire, la stabilité de phase TX est inférieure à 0,5° RMS dans un dispositif Ettus USRP X440, et inférieure à 1° RMS d’un périphérique à l’autre. Reportez-vous aux spécifications du périphérique Ettus USRP X440 pour obtenir la liste complète des valeurs par fréquence de l’horloge maîtresse et pour la méthodologie de mesure.

^{Figure 2 : L’Ettus USRP X440 offre un décalage de phase minimal d’un canal à l’autre pour la formation de faisceaux et la radiogoniométrie.} 

Comme indiqué précédemment, la technologie à large bande est un facteur important pour la détection et l’enregistrement des signaux adverses, mais elle présente également de grands avantages en termes d’efficacité des systèmes amis. Les systèmes radars à large bande passante peuvent par exemple atteindre une résolution plus élevée, ce qui leur permet de détecter des objets plus petits ou de faire la distinction entre des objets très proches les uns des autres. Cette capacité améliore à son tour l’identification et la classification des cibles, ce qui réduit le risque d’erreur en la matière et renforce l’exactitude du ciblage. De plus, les systèmes à bande passante plus large sont généralement plus agiles en termes de fréquence et permettent de passer d’une fréquence de fonctionnement à l’autre sans qu’aucun nouveau réglage ne soit nécessaire. Il est plus difficile de détecter et de surveiller ces systèmes, mais aussi de les brouiller et de les perturber.

Le prototypage des capacités à large bande en laboratoire nécessite du matériel de radio logicielle doté d’une large bande passante appropriée. Le RFSoC Xilinx embarqué dans l’Ettus USRP X440 est capable d’échantillonner à 4 Géch. par seconde et fournit ainsi une bande passante instantanée de 3,2 GHz à travers le périphérique. Cette bande passante peut être allouée jusqu’à 1,6 GHz par canal pour une implémentation à 1 ou 2 canaux ou jusqu’à 400 MHz par canal pour huit canaux. Il s’agit là d’une augmentation significative par rapport aux modèles USRP précédents ; le X440 est donc particulièrement adapté aux applications radar et de guerre électronique à large bande.

^{Figure 3 : L’Ettus USRP X440 étend la bande passante instantanée de manière significative et va au-delà de ce que proposaient les modèles USRP précédents.}

Le matériel USRP X440 permet d’échantillonner directement le spectre pour les bandes inférieures à 4 GHz (bande S, bande L et bandes HF/VHF/UHF). L’architecture de l’Ettus USRP X440 permet d’exploiter toute la bande passante du Xilinx RFSoC. Cependant, comme il n’y a pas de conditionnement intégré du signal FI, un certain degré de planification de la fréquence est nécessaire pour éviter les effets susceptibles de déformer le signal en question. L’USRP Ettus X440 est capable d’échantillonner à des fréquences supérieures à celle de Nyquist, définie comme la moitié de la fréquence d’échantillonnage du convertisseur C A/N (F_s). Cette méthode introduit malheureusement des effets de repliement : les signaux indésirables apparaissent sous forme d’images miroir autour de multiples de la fréquence de Nyquist (F_s/2). Cela crée une gamme de fréquences inutilisable autour de chaque limite de la zone de Nyquist. Il convient donc d’effectuer une planification minutieuse pour éviter que les signaux d’intérêt ne couvrent plusieurs zones de Nyquist, ce qui entraînerait une distorsion des signaux d’intérêt ou d’interférence dans le spectre mesuré.

^{Figure 4 : Il convient de sélectionner les fréquences de l’horloge maîtresse avec soin pour éviter que les limites de la zone de Nyquist n’interfèrent avec les signaux concernés.}

Pour en savoir plus sur la planification des fréquences et la sélection de la fréquence de l’horloge maîtresse avec X440, rendez-vous sur : https://kb.ettus.com/About_Sampling_Rates_and_Master_Clock_Rates_for_the_USRP_X440.

Les systèmes radars utilisent souvent des bandes supérieures à la couverture de 4 GHz qu’offre l’Ettus USRP X440. Par exemple, de nombreux radars météorologiques, de surveillance, de contrôle du trafic aérien et de suivi de la défense fonctionnent en bande C, en bande X et au-delà. Malgré les limitations de fréquence, les dispositifs Ettus USRP X440 sont d’excellents émetteurs-récepteurs à fréquence intermédiaire (IF), en liaison avec des frontaux RF externes afin de gérer la conversion ascendante et descendante vers et depuis les fréquences d’intérêt. Il faut veiller à sélectionner les frontaux qui accepteront et fourniront des IF à moins de 4 GHz, afin qu’ils puissent être échantillonnés par un dispositif Ettus USRP X440. Les frontaux doivent également accepter un signal de contrôle numérique qui peut être fourni par le port DIO sur le panneau avant du périphérique X440. Le driver matériel USRP (UHD) utilise un framework d’extension qui permet à l’USRP de contrôler un frontal externe via l’API UHD. Pour en savoir plus sur le framework d’extension, rendez-vous sur https://files.ettus.com/manual/page_extension.html.

^{Figure 5 : Le dispositif Ettus USRP X440 peut facilement être associé à des convertisseurs élévateurs et abaisseurs de fréquence externes afin d’adresser des bandes de fréquence plus élevées.}

Les chercheurs et les ingénieurs système qui conçoivent de nouvelles capacités destinées aux systèmes aérospatiaux et de défense ont besoin d’un matériel flexible et reconfigurable permettant de tester les concepts avec un minimum de modifications matérielles. L’Ettus USRP X440 a été conçu afin de répondre à ces besoins, mais aussi de satisfaire aux exigences de large bande passante pour le contrôle du spectre et les radars à haute résolution. Il vise également à fournir une cohérence de phase multicanal pour la radiogoniométrie ou l’orientation des faisceaux.

​Regardez une démonstration relative à l’Ettus USRP X440 dans la vidéo suivante.

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