Utiliser des numériseurs à large bande·IF pour résoudre des problèmes de streaming et d'enregistrement de signaux·RF

Aperçu

Ce document décrit les diverses capacités des numériseurs IF large bande dotés de circuits FPGA dans le contexte du streaming de signaux·RF. Les sujets traités incluent : le streaming de signaux large bande, l'enregistrement de signaux variables en rafale et la surveillance de signaux en bande étroite.

Table des matières

  1. Le défi
  2. Streaming large bande
  3. Streaming bande étroite
  4. Bruit de phase - Considérations et améliorations
  5. Conclusion

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

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Le défi

Dans le contexte de tests de vérification et de validation, surveillance du spectre, GNSS multi constellation et récepteurs définis par logiciel, de nombreuses applications nécessitent l'acquisition de signaux·RF, ainsi que le traitement en temps réel et l'enregistrement de ces signaux. La technologie des convertisseurs analogiques/numériques (C·A/N) modernes permet l'échantillonnage direct par des récepteurs fonctionnant à une fréquence de 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 dans les systèmes de radiogoniométrie pour la surveillance du spectre, le radar trans-horizon et passif et les mesures par antenne.

En outre, la demande croissante pour un balayage de spectre plus rapide et de nouveaux types de radar requiert des récepteurs à large bande passante instantanée et un traitement du signal en temps réel.

Normalement, les systèmes de streaming·RF actuels prennent deux formes·: le streaming à bande passante élevée et sans perte, et le streaming à bande étroite. Le premier type enregistre toute la bande passante disponible ce qui, dans les applications modernes, implique des gigaoctets par seconde de données pour l'échantillonnage de systèmes à 2·Géch./s ou plus. Les systèmes radar actifs tirent généralement parti du streaming à large bande.

Souvent, cependant, la plupart des informations utiles se concentrent autour d'une bande particulière plus étroite. C'est là que le deuxième type de streaming entre en scène. Le streaming à bande étroite permet la réduction des données et le traitement du signal inline. De tels systèmes nécessitent le streaming vers des signaux HDD qui occupent des bandes relativement étroites avec plusieurs fréquences centrales.

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

Les tests de récepteur GNSS multi constellation sont d'autres exemples pour le streaming à bande étroite, où les exigences forcent à utiliser à la fois les signaux GPS L5/L2 et les signaux GLONASS G1 et·G2. Les utilisateurs peuvent concentrer leur intérêt sur des signaux d'une largeur de seulement quelques mégahertz, mais pouvant être espacés de plusieurs centaines de mégahertz.

Figure 2. Classification des applications de streaming décrites dans ce document

 

Après l'acquisition de signaux à large bande, ces systèmes de transmission en continu (streaming) nécessitent une conversion par abaissement de fréquence (décalage de fréquence), une décimation, une égalisation et un étalonnage ultérieurs. Le signal à bande étroite résultant est ensuite démodulé et décodé, davantage filtré, amplifié et stocké sur disque dur (HDD) ou toute combinaison de ces fonctions.

À un niveau élevé, les applications de diffusion et de canalisation typiques peuvent être divisées comme le montre la figure·2.

 

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Streaming large bande

Pour mieux comprendre les défis liés au streaming à large bande, il faut d'abord comprendre les spécifications techniques du récepteur·IF. Ce document cible 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 oscillateur local (LO). L'architecture de l'analyseur de signaux vectoriels de l'exemple est décrite dans le white paper Introduction to the PXIe-5668R—High-Performance 26.5 GHz Wideband Signal Analyzer.

La fréquence intermédiaire·IF est caractérisée par la gamme de fréquence de 5·MHz à 2·GHz et la bande passante de 800·MHz·typique (consultez les spécifications techniques pour en savoir plus). Après avoir ajouté un signal de bruit (dither) à bande limitée, qui aide à réduire les effets de quantification du convertisseur C·A/N et à améliorer les performances spectrales, le convertisseur échantillonne le signal jusqu'à 2·Géch./s avec une résolution de 12·bits. Le FPGA embarqué traite ces échantillons et transfère les données aux autres instruments (contrôleur PXI Express, RAID) par le biais du PCI Express Gen·2x8, qui permet le streaming de données à des vitesses théoriques pouvant atteindre 4·Go/s. Dans le cas du streaming large bande, le FPGA n'effectue qu'une seule conversion numérique par abaissement de fréquence (DDC) pour toutes les données en entrée, contrairement à plusieurs conversions DDC indépendantes dans le cas de la bande étroite, comme mentionné plus loin dans ce document.


Figure 3. Diagramme du numériseur IF PXIe-5624R

 

Bit Packing

Lorsque l'on parle de streaming à large bande, il faut considérer non seulement la bande passante théorique disponible du bus PCI Express, mais aussi ses limites pratiques (c'est-à dire contrôler les messages qui utilisent le même bus). La première implémentation (et la plus simple) pour l'envoi de données sur le bus PCI Express consisterait à envoyer des échantillons 16·bits, l'un après l'autre, même si les données du convertisseur C·A/N ne sont que de 12·bits. Cependant, cette approche conduit à des limites théoriques de 4·Go/s par liaison PCI Express disponibles dans le module PXIe-5624R (2·octets par échantillon à 2·Géch./s donnent 4·Go/s), ce qui ne permet pratiquement pas le streaming continu. Toutefois il existe une solution astucieuse, le bit packing. Le bit packing permet de compresser quatre échantillons de 12·bits en trois mots de 16·bits. Par conséquent, cette méthode réduit le débit de données de 4·Go/s à 3·Go/s, permettant ainsi le streaming continu des données.

 

Synchronisation inter-modules

Souvent, il est nécessaire d'effectuer un streaming continu à partir de plusieurs modules du même type. Ces systèmes RF synchronisés et multivoies permettent certaines applications telles que la radiogoniométrie. En analysant la différence de phase du signal en entrée entre différents canaux, le système peut déterminer la direction de la source du signal.

Dans ce cas, les numériseurs sont verrouillés sur la même horloge de référence. Par défaut, il s'agit de l'horloge 100·MHz du fond de panier du PXI·Express. De ce fait, la synchronisation permet de démarrer l'acquisition sur plusieurs instruments en même temps, ou plus précisément à quelques dizaines de picosecondes les uns des autres. Mais il est essentiel que le décalage entre les numériseurs soit le même d'un cycle à l'autre, tant que la température est la même, de sorte que le décalage puisse être amélioré avec l'étalonnage. Aucun module de temporisation ou câblage externe n'est requis pour que la synchronisation fonctionne. La synchronisation utilise deux lignes de déclenchement sur le fond de panier du PXI Express.

 

Mode rafale

En mode rafale, les données sont transmises à l'hôte seulement après le signal de déclenchement. Le signal de déclenchement peut être connecté directement à la carte numériseur·IF à l'aide du connecteur PFI0, ou être déclenché par logiciel. En mode rafale, les utilisateurs peuvent définir la logique du FPGA pour configurer quelques paramètres·:

  • Longueur de l'enregistrement (Nx)
  • Période de l'enregistrement (Mx)
  • Nombre d'enregistrements par déclenchement
  • Nombre d'échantillons avant déclenchement

Figure 4. Exemple de scénario d'acquisition en rafale

Un tel scénario d'acquisition en rafale peut être implémenté de manière à permettre des longueurs et des délais d'enregistrement variables. Les descriptions de scénarios peuvent être définies sur la machine hôte et transmises ultérieurement vers le FPGA. Le signal de déclenchement peut cependant produire des échantillons avec une incertitude d'environ 8·ns, car le signal PFI0 est échantillonné à 125·MHz.

Figure 5. Incertitude du déclenchement résultant de l'échantillonnage du PFI0 à 125·MHz

 

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Streaming bande étroite

Le streaming en bande étroite est souvent nécessaire dans les applications de validation GNSS, de surveillance du spectre, de radar passif et de radiogoniométrie. Dans de tels cas, les utilisateurs sont souvent intéressés par de multiples signaux à bande étroite relative qui se trouvent dans un composant à large spectre défini et qui proviennent souvent de plusieurs antennes distribuées.

Les exigences strictes requièrent l'acquisition simultanée des signaux, ce qui rend impossible l'utilisation d'analyseurs de signaux vectoriels traditionnels balayés. La solution pour résoudre un tel défi s'appelle un canaliseur (channelizer)·: c'est une application qui acquiert un signal à large bande contenant tous les signaux à bande étroite concernés, puis les sépare en utilisant un convertisseur abaisseur (DDC) sur un FPGA, ce qui réduit considérablement le débit des données.

 

Conversion numérique par abaissement de fréquence (DDC)

En raison de sa structure parallèle, il est possible de mettre en œuvre de nombreux blocs logiques DDC sur un FPGA, permettant ainsi l'analyse simultanée de plusieurs signaux à bande étroite. La première étape du convertisseur abaisseur de fréquence (DDC) utilise un mélangeur numérique en quadrature qui décale un signal vers la bande de base à partir de n'importe quelle fréquence dans la gamme du numériseur. L'étape suivante décime (réduit la vitesse d'échantillonnage). Les filtres passe-bas FIR programmables numériques avant chaque étape de décimation empêchent le repliement de spectre (aliasing) lorsque la fréquence d'échantillonnage est réduite. Les utilisateurs peuvent récupérer les données décimées en phase et en quadrature.

En outre, les utilisateurs peuvent effectuer un traitement de signal numérique pour la correction numérique d'imperfections analogiques dans le système, telles que·:

  • Gain numérique — Contrôle numériquement les amplitudes des signaux I·et·Q
  • Offset numérique — Contrôle numériquement les offsets des signaux I·et·Q
  • Égalisation — Filtre les données I/Q pour égaliser la réponse analogique d'un matériel
  • Dégradations I/Q — Modifie les données I/Q pour corriger ou appliquer les dégradations I/Q telles que le déséquilibre de gain, le décalage en quadrature ou l'offset DC

Un module PXIe-5624R doté d'un circuit Xilinx Kintex-7 XC7K410T peut accommoder jusqu'à 12·convertisseurs DDC avec des fréquences I/Q de 37,5·MHz, ou 8·convertisseurs DDC avec des fréquences de 93,75·MHz (contacter NI pour plus de détails). Les sous-bandes peuvent être transférées en continu (streaming) sur RAID et/ou analysées en ligne sur la machine hôte.

 

Convertisseurs DDC multi antennes utilisant des récepteurs·IF

Ainsi qu'il est mentionné plus haut, plusieurs modules PXIe-5624R peuvent être synchronisés pour des fonctions d'acquisition à partir de nombreuses antennes, par exemple pour des applications de radiogoniométrie. Dans de tels cas, les utilisateurs peuvent définir jusqu'à 12·fréquences centrales avec des débits I/Q sélectionnés, et plusieurs modules·IF abaisseront les signaux provenant de plusieurs antennes. La solution PXI Express simplifie la synchronisation de multiples convertisseurs analogiques/numériques PXIe-5624R.

  • Les paramètres suivants peuvent être définis dans un tel cas·:
  • Fréquences centrales des voies
  • Fréquence I/Q des voies
  • Source de l'horloge de convertisseur C·A/N
  • Horloge en sortie
  • Taille des rafales (pour acquisition en rafale)
  • Fenêtre d'attente entre chaque rafale, en nombre d'échantillons
  • Paramètre du filtre de mise en forme

Figure 6. Exemple de fenêtre de configuration d'une application de canalisation multivoies et multimodules

 

Figure 7. Paramètres du filtre de mise en forme

 

Figure 8. Options possibles pour la réduction du bruit de phase

 

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Bruit de phase - Considérations et améliorations

L'architecture ouverte des récepteurs IF du PXIe-5624R permettent d'utiliser des signaux d'horloge externes dans des applications où le maintien du bruit de phase à un minimum joue un rôle critique. Les utilisateurs peuvent choisir la meilleure façon de fournir des signaux d'horloge au convertisseur analogique-numérique (C·A/N) en fonction des besoins du système et du budget disponible. La figure·8 illustre plusieurs configurations possibles de la source de cadencement d'horloge. Le PXIe-6674T est un module de cadencement et de synchronisation développé pour les systèmes multimodules et multichâssis (bruit de phase marqué en vert sur la figure·8), alors que le PXIe-5653 est un générateur LO de bruit de phase basse (marqué en bleu et violet sur la figure·8). Le module PXIe-5653 permet d'obtenir le bruit de phase le plus faible, alors que le PXIe-6674T propose un compromis entre le coût et les performances.

 

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Conclusion

Les récepteurs IF de NI basés sur PXI (PXIe-5624R) dotés de FPGA sont des dispositifs puissants qui autorisent 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, permettent une expansion aisée sur plusieurs voies, avec une synchronisation de phase et une cohérence garanties.

Par ailleurs, l'approche modulaire de NI permet aux utilisateurs d'ajouter des composants tels que des mélangeurs (avec des fréquences centrales allant jusqu'à 26,5·GHz en format PXI·Express, ou 72·GHz à 76·GHz avec des têtes radio), des commutateurs, des amplificateurs·/atténuateurs de puissance et des modules présélecteurs.

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