Utilisation de numériseurs IF à large bande pour relever les défis du streaming et de l’enregistrement de signaux RF

Figure 1. Exemple de signaux dans la bande 5 MHz – 2 GHz

De nombreuses applications liées aux tests de vérification et de validation, à la surveillance du spectre, au GNSS multiconstellation et aux récepteurs logiciels nécessitent l’acquisition, le traitement en temps réel et l’enregistrement de signaux RF. La technologie moderne de convertisseur analogique-numérique (C A/N) permet d’utiliser des récepteurs à échantillonnage direct fonctionnant à 2 GHz ou plus. Cela simplifie l’architecture des récepteurs, principalement dans le cas des systèmes multivoies, qui nécessitent une synchronisation étroite entre les voies. C’est le cas des systèmes de radiogoniométrie pour la surveillance du spectre, des radars passifs et over-the-horizon, ainsi que des mesures d’antennes.

En outre, la demande croissante d’un balayage plus rapide du spectre et de nouveaux types de radars nécessite des récepteurs dotés d’une large bande passante instantanée et d’un traitement des signaux en temps réel.

Normalement, les systèmes actuels de streaming RF se présentent sous deux formes : le streaming à large bande et sans perte et le streaming à bande étroite. Le premier type de streaming enregistre toute la largeur de bande disponible, ce qui, dans les applications modernes, implique des gigaoctets de données par seconde pour les systèmes échantillonnant à 2 Géch./s ou plus. Les systèmes radars actifs tirent généralement parti du streaming à large bande.

Cependant, la plupart des informations utiles se concentrent souvent autour d’une bande plus étroite. C’est là que le deuxième type de streaming intervient. Le streaming à bande étroite permet de réduire les données et de traiter les signaux inline. Ces systèmes nécessitent un streaming vers les signaux HDD qui occupent des bandes relativement étroites avec plusieurs fréquences centrales.

Les signaux à bande étroite acquis, diffusés et analysés (ou enregistrés) par les applications radar passives peuvent provenir d’émetteurs DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial) ou ATSC (Advanced Television Systems Committee) qui se caractérisent par des largeurs de bande de 6 à 8 MHz, selon le pays, et se situent dans les gammes de fréquences VHF/UHF.

Les tests de récepteur GNSS multiconstellation sont eux aussi un exemple de streaming à bande étroite. Il s’agit dans ce cas d’utiliser à la fois les signaux GPS L5/L2 et GLONASS G1 et G2. Les utilisateurs peuvent s’intéresser à des signaux dont la largeur n’est que de quelques mégahertz, mais parfois espacés de plusieurs centaines de mégahertz.

Figure 2. Classification des applications de streaming abordées dans le présent document

Une fois ces signaux à large bande acquis, les systèmes de streaming doivent réaliser une conversion en une résolution plus basse (décalage de fréquence), une décimation, une égalisation et un étalonnage. Le signal à bande étroite qui en résulte est ensuite démodulé et décodé, filtré, amplifié et stocké sur le disque dur ou toute combinaison de ces fonctions.

À un niveau élevé, il est possible de diviser les applications typiques de streaming et de canalisation, comme indiqué sur la figure 2.

Pour mieux comprendre les défis liés au streaming à large bande, il faut d’abord connaître les spécifications techniques du récepteur IF. Cet article porte sur le module PXIe-5624R. Les récepteurs IF font généralement partie de l’analyseur de signaux vectoriels qui comprend le mélangeur, le récepteur IF et les sources de signaux pour l’oscillateur local. L’architecture de l’exemple d’analyseur de signaux vectoriels est décrite dans le livre blanc intitulé Introduction au PXIe-5668R — Analyseur de Signal Large Bande 26,5 GHz Haute Performance.

L’IF se caractérise par une gamme de fréquences comprise entre 5 MHz et 2 GHz et une largeur de bande type de 800 MHz (voir les spécifications techniques pour plus de détails). Après l’ajout d’un signal de bruit à bande limitée (dither), qui permet de réduire les effets de quantification du C A/N et d’améliorer les performances spectrales, le C A/N échantillonne le signal à une vitesse pouvant atteindre 2 GÉch/s avec une résolution de 12 bits. Le FPGA embarqué traite ces échantillons et transfère les données à d’autres périphériques (contrôleur PXI Express, RAID) via le PCI Express Gen 2x8, ce qui permet un streaming de données avec des débits théoriques allant jusqu’à 4 Go/s. Dans le cas du streaming à large bande, le FPGA n’effectue qu’une seule conversion descendante numérique (DDC) pour l’ensemble des données entrantes, contrairement à plusieurs conversions descendantes indépendantes avec une bande étroite, comme indiqué plus loin dans le document.

Figure 3. Diagramme du numériseur IF PXIe-5624R

Compression de bits

Lorsqu’il est question de streaming à large bande, il faut non seulement tenir compte de la largeur de bande théorique disponible du bus PCI Express, mais aussi de ses limites pratiques (c’est-à-dire les messages de contrôle qui circulent sur le même bus). La première implémentation, qui est également la plus simple, pour l’envoi de données sur le bus PCI Express consisterait à envoyer des échantillons de 16 bits, l’un après l’autre, même si les données provenant du C A/N ne sont que de 12 bits. Cette approche s’accompagne toutefois de limitations théoriques de 4 Go/s par liaison PCI Express disponible dans le module PXIe-5624R (2 octets/échantillons à 2 GÉch./s équivalent à 4 Go/s), ce qui limite considérablement le transfert continu. Il existe toutefois une solution astucieuse : la compression de bits. Grâce à ce procédé, quatre échantillons de 12 bits sont compressés dans trois mots de 16 bits. Cette méthode réduit donc le débit de données de 4 GB/s à 3 GB/s et assure un transfert continu de données.

Synchronisation entre modules

Il est souvent nécessaire de diffuser en continu à partir de plusieurs modules du même type. Ces systèmes RF synchronisés multivoies permettent certaines applications telles que la radiogoniométrie. Le système analyse la différence de phase du signal entrant entre les différents canaux et détermine ainsi la direction de la source du signal.

Dans ce cas, les numériseurs sont verrouillés sur la même horloge de référence. Il s’agit par défaut de l’horloge de fond de panier PXI Express 100 MHz. La synchronisation permet donc de démarrer l’acquisition sur plusieurs appareils en même temps, plus précisément, à quelques 10 ps l’un de l’autre. Il est toutefois essentiel que le décalage entre les numériseurs soit le même d’une exécution à l’autre tant que la température est la même, de sorte qu’un étalonnage permet d’améliorer le décalage. La synchronisation fonctionne sans aucun module de cadencement ou câblage externe. Elle utilise deux lignes de déclenchement sur le fond de panier PXI Express.

Mode rafale

En mode rafale, les données ne sont transmises à l’hôte qu’une fois le signal de déclenchement émis. Le signal de déclenchement peut être connecté directement à la carte du numériseur IF à l’aide du connecteur PFI0, ou il peut être déclenché par logiciel. En mode rafale, les utilisateurs peuvent définir la logique du FPGA de manière à configurer quelques paramètres :

• Longueur d’enregistrement (Nx)
• Période d’enregistrement (Mx)
• Nombre d’enregistrements par déclenchement
• Nombre d’échantillons de pré-déclenchement

Figure 4. Exemple de scénario d’acquisition en rafale

Un tel scénario d’acquisition en rafale peut être mis en œuvre pour permettre des longueurs d’enregistrement et des délais variables. Il est possible de définir les descriptions des scénarios sur la machine hôte, puis de les transmettre au FPGA. Il est toutefois possible que le signal de déclenchement produise des échantillons avec une incertitude d’environ 8 ns, car le signal PFI0 est échantillonné à 125 MHz.

Figure 5. Incertitude de déclenchement résultant de l’échantillonnage de PFI0 à 125 MHz

Le streaming à bande étroite est souvent nécessaire pour la validation du GNSS, le contrôle du spectre, les radars passifs et les applications de radiogoniométrie. Dans de tels cas, les utilisateurs sont généralement intéressés par de multiples signaux à bande relativement étroite qui se trouvent dans une composante de spectre définie et plus large et qui proviennent souvent de différentes antennes réparties dans l’espace.

Les signaux doivent être acquis simultanément, ce qui rend impossible l’utilisation d’analyseurs de signaux vectoriels traditionnels à balayage. La solution à ce problème est appelée « channelizer ». Il s’agit d’une application qui acquiert un signal à large bande contenant tous les signaux à bande étroite d’intérêt, puis les sépare à l’aide d’un DDC sur un FPGA. Cela permet de réduire considérablement les débits de données.

Conversion par abaissement numérique

Grâce à sa structure parallèle, il est possible de mettre en œuvre de nombreux blocs logiques DDC sur un FPGA, ce qui permet d’analyser en simultané plusieurs signaux à bande étroite. La première étape DDC utilise un mélangeur numérique en quadrature qui déplace un signal vers la bande de base à partir de n’importe quelle fréquence dans la gamme du numériseur. L’étape suivante consiste à décimer (réduction de la fréquence d’échantillonnage). Des filtres passe-bas numériques RIF programmables avant chaque étape de décimation empêchent le repliement lorsque la fréquence d’échantillonnage est réduite. Les utilisateurs peuvent récupérer les données décimées en phase et en quadrature.

Les utilisateurs peuvent également effectuer un traitement numérique du signal pour la correction numérique des imperfections analogiques du système telles que :

• Gain numérique : contrôle numérique des amplitudes des signaux I et Q
• Gain offset : contrôle numérique des offsets des signaux I et Q
• Égalisation : filtrage des données I/Q afin d’égaliser la réponse analogique d’un appareil
• Déficiences I/Q : modification des données I/Q pour corriger ou appliquer des déficiences I/Q telles qu’un déséquilibre de gain, un décalage en quadrature ou un offset CC

Un dispositif PXIe-5624R avec son Xilinx Kintex-7 XC7K410T peut contenir jusqu’à 12 DDC avec des taux I/Q de 37,5 MHz ou 8 DDC avec un taux I/Q de 93,75 MHz (contactez NI pour plus de détails). Il est possible de transmettre les sous-bandes à un RAID et/ou de les analyser en ligne sur la machine hôte.

DDC multi-antennes utilisant des récepteurs IF

Comme mentionné ci-dessus, il est possible de synchroniser plusieurs périphériques PXIe-5624R en vue de l’acquisition à partir de différentes antennes, par exemple, pour les applications de radiogoniométrie. Les utilisateurs peuvent alors définir jusqu’à 12 fréquences centrales avec des débits I/Q sélectionnés et plusieurs modules IF effectueront la conversion abaissante des signaux provenant de différentes antennes. La solution PXI Express simplifie la synchronisation de plusieurs C A/N PXIe-5624R.

• Les paramètres suivants peuvent alors être définis :
• Fréquences centrales des voies
• Fréquence I/Q des voies
• Source d’horloge C A/N
• Sortie d’horloge
• Taille de la rafale (pour l’acquisition en rafale)
• Période d’attente en rafale en échantillons
• Paramètre de filtre de forme

Figure 6. Exemple de fenêtre de configuration pour une application de canalisation multimodule et multivoie

Figure 7. Paramètre de filtre de forme

Figure 8. Différentes options de réduction du bruit de phase

L’architecture ouverte des récepteurs IF PXIe-5624R permet d’utiliser des signaux d’horloge externes dans les applications où le maintien du bruit de phase à un niveau minimum joue un rôle clé. Les utilisateurs choisissent la meilleure façon de fournir des signaux d’horloge au C A/N en fonction des exigences du système et du budget dont ils disposent. La figure 8 montre les différentes configurations possibles de la source d’horloge. Le dispositif PXIe-6674T est un module de cadencement et de synchronisation destiné aux systèmes multimodules multichâssis (le bruit de phase est indiqué en vert sur la figure 8), tandis que le PXIe-5653 est un générateur de LO à faible bruit de phase (il apparaît en bleu et en violet sur la figure 8). Le module PXIe-5653 permet d’obtenir le bruit de phase le plus faible, tandis que le module PXIe-6674T offre un compromis entre coût et performances.

Les récepteurs IF basés sur PXI de NI PXIe-5624R) dotés de FPGA intégrés sont des périphériques puissants qui alimentent certaines des applications de streaming les plus exigeantes telles que le test radar, la validation GNSS, la surveillance du spectre agile et la radiogoniométrie. Leur architecture ouverte, associée à la puissance de la plate-forme PXI, permet une extension aisée vers des voies multiples, ainsi qu’une synchronisation et une cohérence de phase garanties.

L’approche modulaire de NI permet en outre aux utilisateurs d’ajouter des composants tels que des mélangeurs (avec des fréquences centrales atteignant 26,5 GHz dans le facteur de forme PXI Express ou des têtes radio de 72 à 76 GHz), des commutateurs, des amplificateurs de puissance/atténuateurs et des modules de présélection.