Chapitre I La radio logicielle
I.1 LIMINAIRE
I.3.1 Radio logicielle idéale
Une radio logicielle idéale se compose d'une ou plusieurs antennes pour capter le signal radioélectrique, d'un filtrage RF composé d'un filtre large bande ‒ soit un amplificateur faible bruit (LNA – Low Noise Amplifier) en réception ‒ soit un amplificateur de puissance en émission, d'un filtre bande utile, d'un CAN large bande pour le circuit de réception ‒ ou d'un convertisseur numérique/analogique (CNA) pour le circuit d'émission, et d'un processeur de traitement numérique du signal (PTS, ou DSP en anglais – Digital Signal Processor) pour extraire les informations utiles (sélection du canal, démodulation, décodage...) ou pour les mettre en forme (modulation, codage,...). Le synoptique suivant présente l'architecture type d'une radio logicielle idéale.
Figure 2 : Architecture simplifiée d'une radio logicielle idéale5
Une radio logicielle idéale présente les composants suivants :
- Antenne large bande : Une gamme de fréquence d'au moins cinq octaves6 est nécessaire, avec un gain de 0 dBi. Actuellement aucune antenne n'est capable de telles performances ;
- Circulateur ou duplexeur : Un circulateur idéal est utilisé pour séparer le chemin des signaux en émission et en réception. On suppose que ce circulateur est très large bande, assure une isolation parfaite entre les signaux émis et reçus et est parfaitement adapté aux impédances de l'antenne et à l'amplificateur de puissance, ce qui est irréalisable
5 Adapté de [kenington] 6
CHAPITRE I - LA RADIO LOGICIELLE
actuellement. Dans une architecture multibande et multistandard, ces exigences sont impossibles à atteindre avec un duplexeur conventionnel (à base de filtres), car ce dernier n'est pas adapté aux fréquences élevées de commutation, aussi cherche-t-on à le remplacer progressivement par des circulateurs à ferrite. [zahwe] ;
- Amplificateur de puissance RF : L'amplificateur de puissance doit garantir une transformation idéale de la modulation RF du CAN en un signal de forte puissance approprié pour la transmission, avec de faibles émissions (idéalement aucunes) dans les canaux adjacents au canal utile. La linéarisation des amplificateurs de puissance a fait l'objet d'importantes recherches ces dernières années, aussi existe-t-il bon nombre de techniques candidates. Beaucoup de systèmes à bande étroite ont employé la technique à boucle cartésienne, offrant des taux d'intermodulation de l‟ordre de -70 dBc. Pour des systèmes à bande passante plus large, la prédistorsion RF, la prédistorsion numérique et les techniques de correction aval (feed-forward) sont également utilisées. À l'heure actuelle, la prédistorsion numérique est une solution réalisable et convient bien à l'architecture d'une radio logicielle (elle est souvent employée dans les stations de base de téléphonie mobile).
- Convertisseur analogique/numérique : Le CAN doit disposer d'une forte résolution (de l'ordre de 20 bits), échantillonner à haute fréquence7 (plus d'une dizaine de milliards d‟échantillons par seconde) et comporter (ou être associé à) un filtre antirepliement8. L'emploi d'un tel CAN n'est pas pour le moment envisageable car il impliquerait une consommation électrique prohibitive. Il est toutefois possible de faire chuter la fréquence d'échantillonnage à l'aide de la technique du sous-échantillonnage, mais cela suppose que le filtrage RF et l'entrée analogique du CAN soient d'excellente qualité ;
- Convertisseur numérique/analogique : Les contraintes imposées au CNA sont du même ordre que celles du CAN. Mais compte tenu d'une complexité de réalisation moindre, la conception de CNA pour radio logicielle idéale est envisageable, mais toujours au prix d'une consommation énergétique élevée ;
- Traitement numérique du signal : Le sous-système logiciel doit être suffisamment performant (idéalement un processeur infiniment rapide !) pour supporter des opérations de traitement numérique (transformée de Fourier, modulation, démodulation, sélection de
7
D'après le critère de Nyquist, la fréquence d'échantillonnage doit être au moins double de la bande passante du signal à exploiter.
8 Le filtre antirepliement est un filtre fréquentiel passe-bas placé avant l'opération d'échantillonnage
proprement dite, dont la fréquence de coupure est théoriquement égale à la moitié de la fréquence d'échantillonnage.
CHAPITRE I - LA RADIO LOGICIELLE
canaux, établissement de protocoles, égalisation, etc.) sur un ou plusieurs signaux potentiellement issus de standards différents [godard]. La technologie des DSP (processeurs de traitement numérique du signal et technologies équivalentes) progresse rapidement, et la principale question qui se pose à l'heure actuelle pour un équipement mobile est celle de sa consommation énergétique. Des combinaisons de matériels configurables (par exemple FPGA) et de processeurs entièrement programmables sont susceptibles de fournir les meilleurs rendements énergétiques.
Compte tenu de contraintes techniques pesant sur ses composants, la radio logicielle dite idéale s'avère irréalisable dans un proche avenir. En attendant, une déclinaison sous-optimale mais réalisable est mise en œuvre, il s‟agit de la radio logicielle restreinte.
I.3.2 Radio logicielle restreinte (SDR)
Une radio logicielle Restreinte (RLR, ou en anglais SDR – Software Defined
Radio) est un système de transmission radio où certaines fonctions sont réalisées par du
matériel dédié, paramétrable et contrôlable par logiciel, et où d'autres fonctions telles que le traitement numérique du signal sont programmables par logiciel. Le terme de radio logicielle restreinte est apparu pour la première fois en 1992 dans l'article scientifique « Software Radios : Survey, Critical Evaluation and Future Directions » [mitola3]. Le schéma suivant présente le schéma bloc des différents étages de traitement d'une SDR. Il est composé de :
- une tête RF analogique configurable, composée de filtres, coupleurs, mélangeurs, oscillateurs locaux à fréquence intermédiaire, amplificateurs de puissance à large bande et à faible bruit,
- un étage de conversion analogique/numérique (CAN) et numérique/analogique (CNA),
- une section numérique programmable assurant la mise en forme du spectre, l'adaptation et le traitement numérique en bande de base,
- une section logicielle assurant le contrôle, la commande et la configuration logicielle des différents étages.
CHAPITRE I - LA RADIO LOGICIELLE
Figure 3 : Architecture de radio logicielle restreinte9
Des frontaux RF configurables et modulaires permettent de communiquer dans différentes bandes de fréquences. Pour adapter le taux de transfert des données entres les CAN/CNA et les fonctions de traitement numérique du signal généralement exécutées sur un ordinateur hôte, une section numérique est insérée, principalement pour réaliser des opérations de conversion de taux d'échantillonnage et de traitement en bande de base, voire également de modulation, de démodulation, d'encodage et de décodage. Les opérations de traitement numérique du signal sont généralement assurées par différents types de processeurs (on peut les associer) tels qu'un DSP (Digital Signal Processor), un circuit spécialisé (ASIC - Application-Specific Integrated Circuit, ASIP - Application-Specific
Instruction-set Processor), un circuit intégré programmable (FPGA - Field Programmable Gate Array), un processeur à usage général (GPP – General Purpose Processor, dont le PC
traditionnel fait partie), voire même depuis peu un processeur graphique (GPU - Graphics
Processing Unit), chacun de ces processeurs étant plus ou moins adapté à certaines
fonctions ou calculs.
L'usage d'équipements type FPGA et de DSP, en plus d'un ordinateur traditionnel, permet de partager voire de prendre en compte une grand partie de la charge de calcul, en contrepartie d‟une moindre flexibilité. Une attention particulière doit être portée sur le choix du protocole de transfert de données entre ces différents éléments lorsqu'ils
9
CHAPITRE I - LA RADIO LOGICIELLE
constituent des équipements distincts10. Pour obtenir de bonnes performances en gestion multistandard, des liaisons haut débit de dernière génération (exemples : Gigabit Ethernet, PCI Express, InfiniBand et USB 3.0) sont à privilégier. Une étude détaillée des éléments constitutifs d‟une SDR est consultable en annexe B.
La radio logicielle est une forme émergente d'architecture radio, englobant un large éventail de techniques de conception afin de réaliser un système d'émission/réception véritablement flexible et adaptatif. Son domaine technologique est très large car il englobe la conception des matériels analogiques RF, FI et bande de base, la conception de matériels numériques et le génie logiciel. La radio logicielle apporte certes une plus grande adaptabilité vis à vis de différents standards radio grâce à une simple mise à jour logicielle, mais cette migration vers le "tout logiciel" amène d'autres contraintes telles que la sûreté et la sécurité de fonctionnement, et la difficulté à certifier des systèmes à comportement électromagnétique facilement modifiable.
I.3.3 Architectures des récepteurs de radio logicielle
Le circuit de réception est le point le plus délicat lors du design d'une radio logicielle car il concentre l'essentiel des contraintes technologiques de conception. En réception, la sélection d'un canal utile est réalisée en une ou plusieurs étapes par filtrage analogique et/ou numérique. La première étape est la sélection de la bande de réception à l‟aide de filtres ayant des facteurs de qualité très élevés. Ces filtres, généralement à onde de surface (SAW – Surface Acoustic Wave), ne peuvent pas faire l'objet d'une miniaturisation. Le passage des fréquences RF aux fréquences basses s'effectue également en une ou plusieurs étapes, généralement à l'aide de mélangeurs et d'un CAN pour la numérisation. Enfin, un processeur numérique restitue les informations attendues. Les diverses architectures possibles d'un récepteur de radio logicielle peuvent être différenciées à l'aide de quatre paramètres [as37] :
- Transmission monocanal ou multicanal : la tendance monocanal tend à disparaître avec la montée en puissance des terminaux multicanaux et l'apparition de bandes de fréquences non soumises à licence. Le choix de l'un de ces deux modes de transmission a une conséquence directe sur la démodulation et la largeur des filtres RF/FI ;
Remarque : le concept d'architecture de réception multicanal est une extension de l'architecture de réception monocanal où l'on remplace le mot « canal » par « bande
CHAPITRE I - LA RADIO LOGICIELLE
passante comprenant plusieurs canaux ». En comparaison d'une approche multirécepteur, l'approche multicanal a pour principal avantage de permettre de surveiller simultanément un grand nombre de canaux, mais s'ajoutent les contraintes suivantes : augmentation de la résolution d‟échantillonnage et augmentation des contraintes de linéarité sur les circuits d‟amplification.
- Transposition de fréquence : l'utilisation d'une fréquence intermédiaire (FI) est représentative d'une SDR car c'est un palliatif à la radio logicielle idéale tant que ne seront pas réglés les difficultés de numérisation directe du signal RF et de limitation de la consommation énergétique des composants haute fréquence.
- Sous-échantillonnage : Le sous-échantillonnage est une technique qui permet d‟éviter l‟utilisation du CAN aux fréquences élevées du signal RF.
- Démodulation numérique ou analogique : cela correspond au passage du signal à fréquence porteuse (RF ou FI) aux symboles complexes en bande de base. La démodulation analogique s‟effectue avec un déphasage de π/2 pour obtenir les deux voies I et Q, et n'est utilisée que pour la réception monocanal. La démodulation numérique est obtenue par suréchantillonnage de la fréquence symbole.
Les récepteurs de radio logicielle peuvent également être classés en fonction de la position du CAN dans la chaîne de réception (en RF, en FI ou en bande de base) et par rapport au nombre et au type de transposition de fréquence utilisés. Le schéma suivant reprend l'esprit de cette classification.
Figure 4 : Classification des récepteurs de radio logicielle
Une étude détaillée des principales architectures de récepteur de radio logicielle est consultable en annexe A. Le tableau V synthétise les résultats de cette étude.
CHAPITRE I - LA RADIO LOGICIELLE
Tableau V : Comparaison entre les principales architectures de récepteur de radio logicielle
I.3.4 Architectures des émetteurs de radio logicielle
Comme pour les circuits de réception de SDR, plusieurs types de circuit d'émission existent. Ces différentes architectures utilisent des techniques similaires à celles des récepteurs : superhétérodyne, Low-IF et conversion directe, avec des avantages et inconvénients mentionnés précédemment. Les contraintes de conception des émetteurs de SDR sont moindres que celles des récepteurs et ne seront pas abordées.