La radio logicielle (ou SDR, Software-Defined Radio) a parcouru un long chemin depuis sa toute première conception il y a une trentaine d'années.
Les solutions actuelles, hautement intégrées, ont très largement dépassé les attentes de ceux qui ont initialement conçu cette technologie dans le cadre d'un programme militaire visant à fournir une architecture radio unique capable de prendre en charge plusieurs protocoles et de couvrir un large spectre. Si la radio logicielle n'était alors qu'au stade purement théorique, diverses technologies et techniques ont été développées pour en faire une stratégie pratique par la simplification du matériel, l'introduction de nouvelles fonctionnalités et la prise en charge de plusieurs techniques de modulation. Qui plus est, les nouvelles méthodes sont constamment mises à niveau. Aujourd'hui, les radios logicielles se caractérisent par leur faible coût, leur étroite intégration et leur grande polyvalence, et tranchent par là même avec les conceptions isolées, lourdes et coûteuses d'autrefois. Grâce à des avancées technologiques, et notamment aux modules RF Agile Transceivers monopuce des modèles AD9361 et AD9364 d'Analog Devices, la radio logicielle peut désormais se prévaloir d'offrir d'excellentes performances. Pour couronner le tout, Analog Devices s'est efforcé de rendre la technologie accessible aux concepteurs en proposant un écosystème complet de produits matériels et logiciels reposant sur des conceptions de référence parfaitement documentées et simples d'utilisation.
Née d'une idée révolutionnaire, la radio logicielle possède une riche histoire qui trouve ses origines en 1970, avec un concept de récepteur numérique. Confrontée à de redoutables difficultés techniques, la technologie a eu grand peine à suivre le rythme face à la transformation rapide des systèmes sans fil modernes. Le rêve d'une radio universelle est devenu réalité dans les années 90 grâce la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), qui avait alors entrepris de pérenniser les communications militaires et d'encourager l'interopérabilité. Cette ambition s'est traduite par la mise en place d'un programme de défense américaine pesant plusieurs milliards de dollars, appelé Joint Tactical Radio System (JTRS), et par la création d'une couche d'abstraction baptisée Software Communications Architecture (SCA). Ce projet ambitieux a fini par échouer après une dizaine d'années de recherche et de développement, mais a tout de même marqué un réel tournant dans l'évolution de la technologie adjacente. En dépit de ces avancées, la radio logicielle n'a pas pu trouver sa place sur le marché des produits grand public en raison de son coût, de sa taille et de sa consommation électrique. La technologie est restée attachée au secteur militaire et au domaine des infrastructures jusqu'à ce que certaines innovations récentes, notamment l'AD9361, lui apportent les aspects pratiques et économiques qui lui faisaient jusqu'alors défaut.
Figure 1 : introduction de l'AD9361 Agile Transceiver
L'arrivée des processeurs de signaux numériques à bas coût et les progrès réalisés au niveau de l'intégration analogique et RF dans les procédés CMOS ont marqué un moment charnière pour l'utilisation de la radio logicielle dans les produits de communication commerciaux. Ces innovations ont permis de numériser les sous-systèmes à fréquence intermédiaire (IF) et en bande de base dans les systèmes cellulaires de deuxième génération. Avec la numérisation, les éléments constitutifs de l'architecture radio ont obéi à la loi de Moore. À mesure que la puissance de traitement a évolué, la technologie s'est rapidement enrichie de fonctionnalités algorithmiques sophistiquées, comme la correction d'erreur, les schémas de modulation avancés, des méthodes de codage de données efficaces ou encore l'égalisation de canal. Le développement des capacités de traitement et les améliorations apportées aux logiques reconfigurables ont permis d'implémenter ces éléments sous forme de logiciels pouvant être actualisés et modifiés. L'AD9361 vient compléter idéalement ces plates-formes numériques grâce à sa configurabilité extrêmement souple, à ses interfaces CMOS ou LVDS pratiques et à sa prise en charge de pilotes Linux.
La radio adaptative et la radio cognitive représentent les toutes dernières avancées dans le monde de la radio logicielle. Toutes deux reposent sur des concepts similaires et utilisent l'AD9361 pour atteindre le niveau de puissance et d'intégration requis. Plutôt que d'être affectées à une bande de fréquence fixe ou d'être limitées à un protocole donné, les radios ajustent dynamiquement la configuration du transmetteur (forme d'onde, protocole, fréquence et réseau) pour exploiter au mieux le spectre disponible. Lorsqu'un appareil est déplacé, son environnement change et la connexion RF s'adapte automatiquement en tentant d'utiliser de façon optimale le meilleur service immédiatement disponible. Cette réponse dynamique est assurée grâce à la large bande de fréquence et aux bandes passantes de modulation de l'AD9361. Certaines radios intelligentes intègrent un réseau maillé adaptatif, d'autres proposent d'utiliser la technique OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) pour exploiter le spectre inutilisé selon une approche d'interrogation spectrale. On ignore encore vers quoi tendra la prochaine génération de radios logicielles. Cependant, on sait d'ores et déjà que la radio cognitive à large bande révolutionnera les communications sans fil dès lors qu'elle sera adoptée à grande échelle. Quelle que soit leur orientation, toutes les stratégies potentielles sont confrontées aux mêmes défis de flexibilité et de performances, que peut relever l'AD9361.
En dépit des progrès réalisés dans le domaine du traitement numérique, les transmetteurs doivent toujours pouvoir s'appuyer sur des étages analogiques RF ultra-performants pour l'amplification frontale, le filtrage, la génération de fréquences et la conversion descendante. La radio logicielle a été essentiellement limitée par les difficultés liées à l'intégration de fonctionnalités RF suffisamment performantes et souples. Les tentatives d'intégration d'éléments RF ont impliqué certains compromis en termes de sensibilité, de sélectivité, de linéarité et d'isolation du fait des limites de performances du semiconducteur sous-jacent. L'industrie a donc fini par s'accrocher à l'idée qu'il était purement et simplement impossible d'optimiser la flexibilité et l'intégration sans sacrifier les performances et les fonctionnalités. L'AD9361 d'Analog Devices a totalement changé la donne avec des performances satisfaisant à des spécifications telles que la 4G LTE. Ce système permet aux concepteurs de réduire la taille et le nombre de composants sans compromettre les performances escomptées. Entièrement configurable et évolutif, il peut être utilisé de manière synchrone dans des systèmes à plusieurs puces, pour un maximum de capacités. Ce haut degré de flexibilité et d'intégration contribue à réduire le délai de commercialisation et à limiter la consommation d'énergie ainsi que l'espace de la carte. L'AD9361 peut être utilisé dans diverses applications, comme les systèmes de communication P2P, les stations de base femtocellule/picocellule/microcellule, les systèmes radio à usage général, la radio cognitive à large bande et les systèmes MIMO. Voici la liste de ses principales caractéristiques matérielles :
• Deux transmetteurs entièrement indépendants avec des chemins de signaux distincts, utilisables dans une configuration 2x2 monopuce ou à synchroniser dans des systèmes 4x4, 8x8 ou plus pour certaines applications comme la formation de faisceaux ou les entrées multiples-sorties multiples (MIMO). Chaque récepteur intègre jusqu'à 3 entrées différentielles et 6 entrées monofilaires. L'AD9364 Agile Transceiver est un transmetteur unique dérivé de l'AD9361.
• Deux oscillateurs locaux indépendants et intégrés qui permettent au transmetteur de fonctionner en mode duplex à répartition en fréquence (DRF) ou en mode duplex à répartition dans le temps (DRT). Des synthétiseurs fraction-n intégrés prenant en charge une résolution de fréquence d'accord de 2,5 Hz.
• Plage de fréquence (70 MHz – 6 000 MHz).
• Taux d'échantillonnage configurables par logiciel compris entre 547 kSPS* et 61,44 MSPS avec ADC 12 bits sur puce.
• AGC intégré, correction du décalage CC et correction de quadrature.
• Excellent facteur de bruit du récepteur (2 dB à 800 MHz LO).
• Excellent bruit de fond CME de l'émetteur (-157 dBm/Hz).
• Options d'interface CMOS et LVDS pour une communication pratique avec le processeur de la bande de base.
*Ce chiffre fait actuellement l'objet d'une révision
Figure 2 : cartes d'évaluation AD9361
(a) Carte AD-FMCOMMS2-EZB d'Analog Devices
(b) Carte HSMC ARRADIO d'Arrow Electronics
L'AD9361 est intégré dans un écosystème complet qui permet d'évaluer rapidement l'AD9361 et de développer des produits de radio logicielle. Cette approche révolutionne véritablement le mode de développement des systèmes de communication, puisqu'elle ne nécessite aucun effort initial pour le développement d'un prototype matériel et de pilotes logiciels fonctionnels. Autrement dit, l'équipe de développement est en mesure de concentrer toute son attention sur les éléments différentiateurs de la conception, sans avoir à s'attacher à l'architecture sous-jacente. Le SDK (kit de développement logiciel) comprend une vaste prise en charge logicielle et une modélisation de simulation complète. Analog Devices possède une longue expérience des radiofréquences et de la radio logicielle, avec un environnement de simulation pour l'AD9361 basé sur le kit d'outils SimRF de MathWorks. Bien que cela ne concerne pas spécifiquement l'AD9361, Analog Devices dispose de nombreuses références techniques applicables à la radio logicielle, notamment des techniques de maximisation de la portée dynamique des récepteurs. Ces références comprennent des calculs importants associés au domaine de la radio logicielle, comme le facteur de bruit ADC et le rapport signal-bruit en fonction de l'oscillation des impulsions d'horloge. L'AD9361 est également directement pris en charge par un wiki d'Analog Devices qui regroupe aussi bien le code source du pilote que des guides pas à pas qui documentent des exemples fonctionnels sur des cartes de circuit imprimé d'évaluation. Sur le plan logiciel, les dispositifs et écosystèmes AD9361 et AD9364 possèdent les caractéristiques suivantes :
• Simplicité de configuration grâce à des commandes logicielles conviviales.
• Écosystème de développement de transmetteurs complet, avec une suite comprenant une application utilisateur Linux, des pilotes de périphériques Linux et sans système d'exploitation ; du matériel de référence est également disponible pour simplifier la conception.
• Disponibilité du système de conception de référence matériel ARRadio d'Arrow. Carte mezzanine HSMC compatible avec le kit de développement SoCKit à bas coût basé sur double processeur ARM Cortex-A9 Cyclone V SOC.
• Disponibilité de la conception de référence matériel AD-FMCOMMS2 - EZB EMC. Carte mezzanine FMC compatible avec les cartes de support FMC.
• Le SDK dispose de connecteurs FMC agnostiques qui facilitent la connexion avec n'importe quel système de traitement de la bande de base.
• Le SDK possède une application utilisateur et une conception de référence qui peut générer une DDS pour des tonalités continues dans le cadre de sorties de test, transmettre directement à partir de fichiers de streaming et capturer les sorties du récepteur pour les afficher à l'écran.
• Application d'oscilloscope à entrée-sortie industrielle Linux. Voir les informations du récepteur dans le domaine de temps, la constellation et la FFT du spectre. Permet de faibles niveaux de pic et l'écriture de registres à l'intérieur de l'AD9361 grâce à l'option de débogage.
• Grâce à Linux, les caractéristiques de l'appareil peuvent être modifiées par de simples opérations d'ouverture, lecture, écriture et fermeture de fichiers.
• Disponibilité d'un modèle SimRF Matlab Simulink validé, qui représente avec précision le bruit et les non-linéarités du transmetteur à différents niveaux de puissance et fréquences. Ces données peuvent être utilisées pour prédire les performances de la conception et d'affiner les paramètres dans un environnement virtuel afin de se rapprocher du matériel réel. Le système MathWorks Instrument Control Toolbox™ est capable d'automatiser les mesures RF et de se connecter aux analyseurs de spectre et aux générateurs de signaux pour tester le dispositif à l'aide du matériel de référence.
Figure 3 : systèmes d'évaluation AD-FMCOMMS2 et ARRadio
Parcours du signal SDR de l'AD9361
Les sections double récepteur convertissent les signaux RF en données numériques avant de les transférer au processeur de bande de base. Deux canaux indépendants permettent la prise en charge de systèmes à entrées multiples, sorties multiples (MIMO) tout en partageant un synthétiseur de fréquences commun. Trois entrées peuvent être multiplexées pour chaque récepteur, ce qui permet d'utiliser l'AD9361 dans des systèmes à diversité de récepteurs qui requièrent plusieurs antennes. Le récepteur à conversion directe capte les données d'entrée de l'antenne et les transmet à l'amplificateur à faible bruit. Des amplificateurs en quadrature de phase et des éléments de mixage interviennent ensuite. Les filtres passe-bande mettent en forme les signaux et suppriment le spectre de repliement puisque les RF sont décimées sur la bande de base. Pour un degré d'amplification ou de sélectivité supplémentaire, il est possible d'incorporer un amplificateur à faible bruit ou un filtrage externe en amont du dispositif. La commande automatique de gain peut ajuster les niveaux de signal automatiquement ou par commande BBP. Une mesure de la puissance en réception du signal reçu (RSSI, Received Signal Strength Indication), un suivi de décalage CC et le circuit nécessaire à l'autocalibrage sont également intégrés. Les taux d'échantillonnage des ADC 12 bits peuvent être ajustés. Les signaux numérisés peuvent être encore décimés par une série de filtres et par un filtre à réponse impulsionnelle finie (RIF) de longueur 128. Les deux émetteurs à conversion directe reçoivent les données numériques du BBP, où elles sont interpolées grâce à un filtre FIR de longueur 128 programmable et à une série de filtres d'interpolation. Un DAC 12 bits à taux d'échantillonnage réglable convertit le signal numérique en données analogiques. Les canaux en quadrature ainsi obtenus sont convertis en RF par les mélangeurs. Les signaux en quadrature sont combinés avant d'être acheminés dans les filtres passe-bande pour leur mise en forme. Le signal RF est envoyé à l'amplificateur de sortie pour transmission. Chaque canal possède des atténuateurs ajustables, une capacité d'autocalibrage en temps réel et un moniteur de puissance Tx.
La radio cognitive, une solution SDR militaire pérenne
Les soldats utilisent actuellement des radios logicielles JTSR telles que l'AN/PRC-154 Rifleman de Thalès.
Ces radios intelligentes sont capables de s'autoformer et de s'autoréparer instantanément ; elles prennent en charge les réseaux voix et données en simultané et possèdent une capacité logicielle de mise à niveau et d'interopérabilité. Elles peuvent également jouer le rôle de répéteurs pour d'autres radios. Les radios logicielles militaires peuvent s'adapter à divers protocoles et fonctionner dans les organisations aussi bien militaires que civiles. À l'avenir, la fonctionnalité SDR permettra aux communications militaires non seulement de s'adapter de façon dynamique aux environnements spectraux congestionnés et brouillés, mais également d'améliorer l'efficacité et la bande passante en utilisant la meilleure connexion disponible : la radio cognitive. La meilleure connexion pourrait consister à exploiter un spectre actuellement inutilisé, autrement dit une variable dynamique. À l'instar des réseaux de téléphonie cellulaire et des systèmes radio à bande étroite partagée, les autorités de défense civile et organismes gouvernementaux ont la possibilité d'empêcher les utilisateurs d'accéder au système pour garantir la continuité de service. Cet aspect est essentiel dans les situations d'urgence impliquant la défense civile. Les radios cognitives militaires peuvent ne pas utiliser simplement le spectre de façon passive : elles sont capables de la capture de manière agressive lorsque cela est nécessaire. On appelle « étiquette » le mode d'interaction entre une radio cognitive et son environnement spectral.
La radio logicielle est réputée particulièrement sensible aux situations grâce à l'optimisation de la connectivité à large bande. Les possibilités de mise à jour et de mise à niveau représentent d'autres avantages de la radio logicielle dans le domaine militaire. Grâce à la possibilité de mettre à niveau les radios en y intégrant les codes, fonctionnalités et bases de données les plus récents, le système est capable de s'adapter aux nouvelles exigences et capacités. Le système radio devrait ainsi également gagner en espérance de vie. Les militaires perçoivent la radio cognitive comme le prolongement d'un processus appelé « boucle OODA » (observer, orienter, décider, agir). Les radios cognitives font partie intégrante de ce processus.
Étant donnée l'importance croissante des fonctionnalités associées à la connectivité au réseau sans fil moderne pour la communication sur le champ de bataille, le secteur militaire tend à s'orienter vers un concept de téléphone cellulaire tactique. Comme pour tous les équipements d'infanterie, toute la difficulté consiste à réduire le poids et la taille du dispositif tout en prolongeant son autonomie, ce qui suppose des niveaux d'intégration plus étroits. Les transmetteurs SDR basés sur l'AD9361 peuvent répondre à ce besoin. Ce futur téléphone cellulaire tactique devra pouvoir s'appuyer sur les fonctionnalités d'une radio cognitive, voire même prendre la forme d'une radio intelligente avec apprentissage automatique intégré afin d'optimiser les performances de manière dynamique. Comme sur le marché de l'électronique grand public, les soldats ont eux aussi besoin de divers appareils connectés, de type tablettes, ordinateurs portables ou caméras/appareils photo. Véhicules intelligents, avions, systèmes autonomes de type drones, robotique, et même exosquelettes : tous ces dispositifs auront peut-être un jour besoin des fonctionnalités d'une radio cognitive (et donc de la radio logicielle) pour pouvoir interagir et se connecter au réseau sur le champ de bataille. Des recherches sont en cours pour intégrer dans les radios logicielles militaires la possibilité d'effectuer des contre-mesures électroniques, comme le brouillage. Les chercheurs tentent également d'ajouter des liaisons de commande pour la robotique et la surveillance des données de capteurs. La surveillance des capteurs en arrière-plan par des réseaux de radio cognitive peut permettre de produire des données de terrain dynamiques sur les niveaux chimiques, biologiques ou même de rayonnement afin d'offrir une représentation totale du champ de bataille.
Conclusion
La radio logicielle (ou SDR) enregistre encore une évolution rapide face à l'intensification de la demande d'appareils plus intelligents, capables d'utiliser un spectre limité et congestionné. L'AD9361 et son cousin plus économique, l'AD9364 à transmetteur unique, sont parfaitement positionnés pour répondre aux besoins des générations de radios logicielles actuelle et à venir. L'AD9361 est un excellent dispositif pour la prise en charge des systèmes de radio cognitive. Son haut degré d'intégration et de flexibilité contribue à réduire le nombre et la taille des composants ainsi que la consommation d'énergie. Grâce à un kit de développement complet et simple d'utilisation ainsi qu'à des conceptions de référence parfaitement documentées, le développement de produits transmetteurs est aujourd'hui un véritable jeu d'enfant. Il existe des conceptions de référence matérielles compatibles avec les kits de développement SOC FPGA Xilinx et Altera. Cette compatibilité permet de développer rapidement des systèmes RF et BBP à partir de SOC FPGA à bas coût équipés d'un double processeur ARM Cortex A9. La suite de conception est complétée par des pilotes Linux éprouvés conçus pour simplifier le processus de développement logiciel.