Tête de réception radio-fréquence (RF) et échantillonnage du signal IF

Usuellement, l’échantillonnage d’un signal doit se faire à un taux du double de la fréquence la plus haute du signal comme l’exige le théorème de Nyquist-Shannon (Nyquist, 1928). Comme les signaux GNSS sont de l’ordre de 1,5 GHz, cela impliquerait une fréquence d’échantillonnage d’environ 3 GHz exigeant beaucoup trop de ressources pour les technologies actuelles. Le signal RF est donc replié à une fréquence de l’ordre de quelques Mega Hertz avant d’être numérisé.

La tête RF doit aussi filtrer et amplifier le signal GNSS afin de conserver la qualité du signal. Typiquement, les signaux GNSS ont une puissance variant de -160 dBm à -130 dBm. Il faut donc amplifier ces signaux pour que ceux-ci soient bien numérisés par les convertisseurs analogiques à numériques (ADC – Analog to Digital Converter).

La tête RF utilisée lors des travaux antérieurs a été développée afin de répondre aux besoins du projet actuel. Cette tête RF permet de décaler un signal de 1575,42 MHz vers un signal en fréquence intermédiaire de 15 MHz avec une bande passante de 24 MHz et d’amplifier ce signal. De plus, celle-ci a été pensée de manière à être utilisée pour la plupart des autres signaux GNSS en nécessitant qu’un changement mineur. Le seul élément à modifier pour passer d’une bande de fréquence à une autre est la fréquence du premier oscillateur (LO –

Local Oscillator) de la chaîne, soit 1505,42 MHz pour GPS L1 C/A (Sauriol, 2008). Cette

de 50 MHz et l’amplificateur à faible bruit (LNA) initialement prévu n’ont pas été utilisés lors des travaux antérieurs (Sauriol, 2008). Cela s’explique par le fait que l’antenne active utilisée possédait déjà un LNA et que leur bande passante était restreinte.

Figure 3.1 Schéma de la tête RF développée lors des travaux du récepteur hybride GPS-Galileo.

Adaptée de Sauriol et Landry (2007, p.3)

Cette tête RF a nécessité certaines adaptations afin de répondre aux besoins de flexibilité du projet du récepteur SBAS-GNSS. Les deux paramètres à considérer pour cette sous-section sont la fréquence du signal et sa largeur de bande utile. La fréquence et la bande passante de chacun des signaux GNSS ont été présentées au Tableau 2.2. On y constate que seuls les signaux COMPASS B2 et GALILEO E5 ont une largeur de bande supérieure à 24 MHz. Cette largeur de bande de 24 MHz a été sélectionnée durant les travaux précédents pour des fins de simplicité. En effet, la tête RF a été conçu à partir de composants disponible sur le marché (COTS – Comercial Off-The-Shelf) (Saurio, 2008). Étant donné que ces deux signaux ne sont pas considérés dans ces travaux, les filtres et la fréquence IF de 15 MHz ont été laissés tels quels.

Toutefois, le filtre d’entrée qui n’a pas été utilisé pour les travaux du récepteur hybride GPS- Galileo a dû être ajouté puisque le signal reçu est passé à une bande passante de 600 MHz. L’idéal aurait été d’avoir un filtre par bande pour un total de huit fréquences, comme

présenté au Tableau 2.2. Par contre, cela aurait exigé trop de ressources matérielles pour générer les huit LO nécessaires. Pour cette raison, nous avons divisé les signaux GNSS en deux telles que proposées par M. Lamontagne (Lamontagne, 2009). Ces deux bandes B1 et

B2-5, d’une largeur de 134,76 MHz et de 50,54 MHz respectivement, sont présentées à la

Figure 3.2. Il importe de mentionner que nous ne considérons pas la bande E6 de Galileo pour ces travaux puisque ce signal ne sera pas offert gratuitement aux civils. Les filtres utilisés ont été tirés des travaux de M. Thiam (Thiam, 2009) et des travaux de M. Lamontagne (Lamontagne, 2009). L’objectif de ce filtrage est de réduire la bande passante du signal afin de diminuer le bruit qui sera engendré lors du repliement des signaux. Les caractéristiques de ces filtres sont les suivantes :

• B2  FC = 1209 MHz : BP = 121 MHz,

• B1  FC = 1569 MHz : BP = 120 MHz.

Figure 3.2 Spectre électromagnétique des bandes GNSS. Tirée de Lamontagne (2009, p.14)

L’autre adaptation réalisée a été de mettre en place un mécanisme flexible de génération de fréquence pour le premier LO. Cela permet de ramener n’importe quelle fréquence GNSS à 70 MHz. Cette tâche a été réalisée en grande partie par M. Narbaïts-Jauréguy sous la supervision de M. Fortin et celle de l’auteur (Narbaïts-Jauréguy, 2009). L’idée était de

pouvoir générer n’importe quelle LO (fréquence du signal GNSS moins 70 MHz) et de pouvoir la modifier en temps réel. Nous avons défini que trois LO seraient le meilleur compromis entre ressources matérielles et flexibilité. En effet, en divisant bien notre spectre fréquentiel, il a été possible d’utiliser uniquement trois signaux RF pour couvrir toute la bande GNSS. Cette division est présentée au Tableau 3.1. On y constate que certains signaux, identifiés en gris, ont été utilisés pour générer des fréquences qui ne sont pas considérées dans ce mémoire tel que GALILEO E6. L’objectif de choisir trois tête RF était de pouvoir utiliser trois fréquences pour une même constellation afin de faciliter le développement futur d’algorithme de combinaison linéaire des trois fréquences (tri-laining) tout en conservant la possibilité de développer des algorithmes multi-constellations. La génération des LO s’effectue via une carte de développement d’Analog Device, l’EVAL-ADF4193EB2. Cette carte est composée d’une boucle à verrouillage de phase (PLL – Phase Lock Loop) et d’un contrôleur d’oscillation par tension (VCO – Voltage Controlled Oscillator). C’est principalement le choix des VCO qui a défini la plage fréquentielle de chacune des cartes.

Tableau 3.1 Division du spectre fréquentiel GNSS sur trois bandes

1575,450 1505,450

GPS L1 C/A, GPS L1C, GLONASS L1ROC, GALILEO E1,

COMPASS B1, SBAS L1 1602,000 1532,000 GLONASS L1OF 1561,098 1491,098 Beidou B1-1 1589,740 1519,740 Beidou B1-2 1227,600 1157,600 GPS L2C 1246,000 1176,000 GLONASS L20F 1278,750 1208,750 GALILEO E6 1268,520 1198,520 Beidou B3 1176,450 1106,450 GPS L5, GALILEO E5a, GLONASS L5OC, CPOMPASS

B2a, SBAS L5 1191,795 1121,795 COMPASS B2, GALILEO E5 1207,140 1137,140 COMPASS B2b, GALILEO E5B

1204,704 1134,704 GLONASS L3 1176,000 1106,000 GLONASS L5 VC O 1 VC O 2 VC O 3 Fc - 70 MHz (MHz) Signal Fc (MHz)

À ce point, il est important de souligner que toutes les horloges du récepteur SBAS-GNSS sont synchronisées via une horloge de référence Stanford CG635 possédant une gigue de phase inférieure à 1 ps (Stanford Research Systems, 2003). La Stanford CG635 est aussi utilisée pour générer le 60 MHz qui sera utilisé pour le module IF. En plus, un Agilent 33250A est utilisé pour générer le 55 MHz utilisé par le deuxième étage de repliement des têtes RF. La connectivité des antennes, de la tête RF, des horloges, du module IF et du processeur sont présentée à la Figure 3.3.

Figure 3.3 Schéma des connectivités du matériel. Adaptée de Sauriol (2008, p.86)

Bref, tous les signaux GNSS sont ainsi ramenés à une fréquence de porteuse de 15 MHz, peu importe leur fréquence originale. Ces signaux IF sont numérisés à 60 MHz, puis les échantillons sont traités par le module de démodulation IF qui a pour objectif de retrouver le message de navigation en effectuant l’acquisition et la poursuite des signaux GNSS.