Avantages des architectures d'échantillonnage RF direct

Aperçu

La technologie des convertisseurs continue d'évoluer chaque année. Les convertisseurs analogique-numérique (C A/N) et les convertisseurs numérique-analogique (C N/A) de grandes entreprises de semi-conducteurs effectuent des échantillonnages à des vitesses plus rapides que leurs prédécesseurs il y a dix ans. Par exemple, en 2005, les C A/N les plus rapides au monde échantillonnaient avec une résolution de 12 bits à 250 Méch./s. En 2018, les C A/N 12 bits peuvent échantillonner 6,4 Géch./ s. Ces avancées en termes de performances permettent d'utiliser des convertisseurs pour numériser directement des signaux à des fréquences RF et atteindre une plage dynamique suffisante pour les systèmes de communications et les radar modernes.

Bien qu'il soit nécessaire d'envisager des compromis lorsque vous utilisez des convertisseurs avec des taux d'échantillonnage aussi élevés (principalement une plage dynamique), cette technologie vous permet d'échanger des architectures RF hétérodynes largement utilisées en faveur d'architectures RF directes pour certaines applications. Par exemple, dans les applications RF à large bande passante qui nécessitent des formats plus compacts ou un coût réduit, le frontal simplifié des instruments RF directs peut être une option importante. En particulier, cette technologie a pris de l'ampleur dans certaines applications de l'aérospatiale et de la défense, telles que les radars et la guerre électronique.

Contenu

En quoi consiste l'échantillonnage RF direct ?

Pour comprendre l'architecture RF directe, il est important de savoir en quoi elle diffère des autres architectures RF.

Dans une architecture hétérodyne, une fois que le récepteur a reçu le signal à des fréquences RF, il convertit le signal en une fréquence intermédiaire inférieure (FI) où il est numérisé, filtré puis démodulé. La figure 1 montre un diagramme du récepteur hétérodyne. Comme vous le constatez, l’instrument possède un frontal RF composé d’un filtre passe-bande, d’un amplificateur faible bruit, d’un mélangeur et d’un oscillateur local (LO).

Figure 1. Ce diagramme de récepteur hétérodyne représente un instrument doté d'une interface RF composée d’un filtre passe-bande, d’un amplificateur faible bruit, d’un mélangeur et d’un oscillateur local.

Cependant, une architecture de récepteur d'échantillonnage RF direct consiste uniquement en un amplificateur faible bruit, des filtres appropriés et le C A/N. Le récepteur de la figure 2 n’utilise pas de mélangeur ni d'oscillateur local. Le C A/N numérise directement le signal RF et l'envoie à un processeur. Dans cette architecture, vous pouvez implémenter de nombreux composants analogiques du récepteur en DSP. Par exemple, au lieu d’un mélangeur, vous pouvez utiliser la conversion numérique directe (DDC) pour isoler vos signaux cibles. Par ailleurs, dans la plupart des cas, vous pouvez remplacer une grande partie du filtrage analogique par un filtrage numérique, à l'exception des filtres anti-repliements ou de reconstruction.

Comme la conversion de fréquence analogique n'est pas nécessaire, la conception matérielle globale d'un récepteur d'échantillonnage RF direct est beaucoup plus simple, ce qui permet de réduire le format et les coûts de conception.

Figure 2. Une architecture de récepteur d'échantillonnage RF direct peut être uniquement constituée d'un amplificateur faible bruit, des filtres appropriés et du convertisseur analogique-numérique.

Comment effectuer un échantillonnage direct ?

Avant l’évolution des technologies de conversion au cours des dernières années, l’architecture d’échantillonnage direct n’était pas pratique en raison des limites de la fréquence d’échantillonnage et de la résolution du convertisseur. Les fabricants de semi-conducteurs ont pu étendre la résolution à des fréquences d'échantillonnage plus élevées en utilisant de nouvelles techniques pour réduire le bruit dans le convertisseur. Avec des convertisseurs beaucoup plus rapides dotés d'une résolution accrue, vous pouvez convertir directement les signaux d'entrée RF jusqu'à plusieurs gigahertz.

Cette vitesse de conversion permet la numérisation avec une très large bande passante instantanée sur les bandes L et S À mesure que les convertisseurs évoluent, l'échantillonnage RF direct sur d'autres bandes (telles que les bandes C et X) deviendra probablement possible aussi.

Quand faut-il envisager une architecture d'échantillonnage RF direct ?

Les principaux avantages de l'échantillonnage RF direct consistent en une chaîne de signaux RF plus simple, un coût par voie réduit et une densité de voies plus faible. Avec moins de composants analogiques, les instruments dotés d'une architecture RF directe sont généralement plus compacts et consomment moins d'énergie. Si vous construisez des systèmes à grand nombre de voies, l'échantillonnage RF direct peut réduire l'encombrement et le coût de vos systèmes. Cela peut être particulièrement important lors de la construction de systèmes comme les radars dotés d'antennes réseau à commande de phase, qui forment des faisceaux en déphasant les signaux émis par des centaines, voire des milliers d'antennes. Avec autant de générateurs et d'analyseurs de signaux RF dans le même système, la taille et le coût par voie deviennent des facteurs importants.

Outre la réduction de la taille, du poids et de la puissance (SWaP), l'architecture simplifiée supprime les sources potentielles de bruit, d'images et d'autres erreurs, telles que les fuites LO et les dégradations quadratiques, au sein même de l'instrument RF.

Enfin, les architectures d'échantillonnage RF direct peuvent également simplifier la synchronisation. Par exemple, pour obtenir une cohérence de phase des systèmes RF, vous devez synchroniser l'horloge interne des instruments RF ainsi que des oscillateurs locaux (LO). L'échantillonnage direct, qui ne nécessite aucun oscillateur local, vous permet de vous concentrer uniquement sur la synchronisation d'horloge de tout le matériel. Là encore, pour les applications radar dotées d'antennes réseau à commande de phase comportant plusieurs récepteurs RF qui doivent être en cohérence de phase, cette option peut s'avérer intéressante pour simplifier votre conception.

Quel est le rôle de NI ?

NI fournit plusieurs instruments RF avec de nombreux types d'architecture RF. Toutefois, l'émetteur-récepteur FlexRIO IF est le premier instrument NI à tirer parti de l'échantillonnage RF direct. À mesure que la capacité des convertisseurs à grande vitesse se développe, NI continue à travailler en étroite collaboration avec les fournisseurs pour fournir rapidement ces technologies émergentes à ses clients. Pour en savoir plus sur l'ensemble d'instruments RF proposés par NI, y compris les émetteurs-récepteurs, les récepteurs et les générateurs, consultez la page ni.com/flexrio.