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Radio logicielle

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Une radio logicielle, en anglais : software radio ou software-defined radio (SDR), est un récepteur et éventuellement émetteur radio réalisés principalement par logiciel et dans une moindre mesure par matériel.

Dans le sens réception, la partie matérielle consiste soit en la numérisation directe, par un convertisseur analogique-numérique (CAN), des signaux hautes fréquences de la bande à recevoir, soit en leur conversion dans une bande de Fréquence Intermédiaire (FI) avant la numérisation.

Les traitements qui suivent peuvent ensuite être réalisés de façon logicielle : filtrage, décimation, démodulation, décodage, etc. Ces traitements sont réalisés à l'aide d'un microprocesseur destiné au traitement du signal (DSP, Digital Signal Processor), d'un composant destiné au traitement du signal (ASIC : Application Specific Integrated Circuit), d'un composant électronique programmable (FPGA, Field Programmable Gate Array), ou directement sur le processeur d'un PC traditionnel. Cela confère une universalité et une grande adaptabilité à l'émetteur/récepteur. En effet, il suffit de changer ou d'adapter le logiciel pour fonctionner avec un système radio différent.

Dans un système radio classique, l'émission/réception est assurée par des composants matériels (oscillateurs, filtres…) spécifiques et adaptés aux systèmes auxquels il est destiné. Il n'est donc souvent pas possible d'utiliser d'autres systèmes sans changer le matériel et donc l'intégralité du récepteur.

Le domaine des radios logicielles est en constant développement depuis que la première a été créée par les forces armées des États-Unis dans les années 1990.

Historique

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La radio logicielle a été conceptualisée à partir du début des années 1990 par Joseph Mitola. Celui-ci a défini la radio logicielle idéale comme étant constituée uniquement de deux composants : une antenne pour recevoir les ondes et un convertisseur analogique-numérique. Cet idéal n'a pas encore été atteint, les radios logicielles sont toujours composées de nombreux éléments matériels[1]. La première radio logicielle, SpeakEasy, a été développée par l'armée des États-Unis entre et [2].

Principe de fonctionnement

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Synoptique d'un récepteur AM à conversion directe.

Dans un récepteur radio, le signal est reçu par une antenne, filtré, amplifié et enfin démodulé. Les récepteurs classiques effectuent cette étape à l'aide d'un circuit spécifique au type de signal (un mélangeur pour l'AM ou la BLU, un discriminateur pour la FM, etc.). Un récepteur radio logiciel verra ce composant remplacé par un convertisseur analogique-numérique afin que le signal soit traité par un processeur (microcontrôleur, CPU, DSP, etc.) ou par un circuit logique programmable. La fréquence du signal peut être abaissée avant sa numérisation à l'aide d'un mélangeur en quadrature (tel qu'un mélangeur de Tayloe). Cette conception permet de démoduler de n'importe quel type de signal ou d'implémenter d'autres fonctionnalités (comme un contrôle automatique du gain ou un silencieux (en)) sans matériel spécifique — contrairement aux radios classiques — ce qui la rend très flexible.

Schéma des composants d'une radio logicielle.

Dans un émetteur, le modulateur est remplacé par un processeur et un convertisseur numérique-analogique. La fréquence du signal obtenu peut être augmentée à l'aide d'un mélangeur en quadrature. Il est aussi possible de recourir à la synthèse numérique directe (en).

Défis technologiques

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Une radio logicielle est composée de cinq composants clés : l'antenne, les filtres radiofréquences, la conversion d'un signal analogique en un signal numérique, le traitement de signal numérique, l’interconnexion entre ces composants. Chacun de ces composants apporte son lot de défis technologiques.

Antenne

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Le principal défi qui est rencontré concernant les composants matériels vient du fait que les antennes ne sont capables d'opérer que sur une petite plage de fréquences. Augmenter la taille de l'antenne permet d'augmenter sa plage de fréquences mais cela augmente également le bruit reçu par cette antenne et réduit également sa sensibilité en réception. En couplant plusieurs antennes, il est possible de recevoir des signaux de 500 MHz à 5,5 GHz en évitant de recevoir trop de bruit[3]. De nouvelles technologies permettent également de disposer d'antennes qui sont capables d'adapter leur fréquence. Les technologies microsystème électromagnétiques ont ouvert de nouveaux champs d'études sur ce sujet. Des interrupteurs qui permettent de faire varier la plage de fréquences d'une antenne ont notamment été développés grâce à ces technologies[4]. D'autres problématiques compliquent la réalisation d'une antenne performante dans les radios logicielles. Pour répondre à ces problématiques, différents types d'antennes existent : les antennes à résonance, à fréquences indépendantes, et les antennes à bandes ultra-larges, en anglais : Ultra-Wideband (UWB)[5].

Filtres radiofréquences

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La problématique majeure pour ce type de composant réside dans la sélection et le rejet des interférences reçues[6]. Le développement des technologies microsystème électromagnétiques a apporté des améliorations de performance sur ces composants[7].

Traitement de signaux

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Le moteur de traitement du signal de la radio logicielle doit jongler avec plusieurs critères pour être optimal. Parmi ces critères, la facilité à programmer, le niveau d'intégration, le cycle de développement, la performance de traitement du signal ainsi que la consommation d'énergie de ce moteur[8].

Communication

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La radio logicielle a l'avantage d'établir un lien radio en utilisant des blocs reconfigurables. C'est donc un outil de communication unique car il permet de mettre en réseau des entités hétérogènes. Pour cela, une radio logicielle doit tirer parti des standards existants, implémenter des protocoles variés, être capable de traiter le signal reçu à une vitesse qui suit l'évolution du marché et posséder une architecture qui permette une bonne connectivité entre les composants de la radio. Plusieurs architectures d'interconnexion entre ces composants existent : l'architecture sous forme de bus, l'architecture en arbre et l'architecture switch fabric[8] (matrice de commutation).

Temps-réel

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Un des problèmes de la radio logicielle est de pouvoir traiter en temps-réel un signal qu'elle reçoit. En effet, de nombreuses fonctions doivent être appliquées au signal avant que celui-ci ne soit exploitable. Cela implique de disposer de suffisamment de puissance de calcul[9]. C'est en partie pour cette raison que les processeurs classiques (GPP) sont généralement exclus des radios logicielles mais que l'on préfèrera des architectures plus adapté à un traitement de signal en temps-réel[10].

Consommation d'énergie

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Les radios logicielles s'appliquent généralement à des domaines dans lesquels le système doit être portable, comme dans le domaine automobile où la radio logicielle se développe petit à petit[9]. La consommation d'énergie est donc un des critères principaux pour implémenter une radio logicielle. En effet, dans un système dont la source d'énergie est une batterie, on cherche généralement à optimiser la consommation d'énergie pour garder une autonomie optimale[11],[12],[13].

Exemples d'utilisations

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Les radios logicielles possèdent des fréquences variables, entre quelques centaines de mégahertz et quelques gigahertz. Cette caractéristique fait de la radio logicielle un objet métamorphe. En effet, cette adaptabilité permet à cet objet de respecter de nombreux standards parmi lesquels Bluetooth, EGSM, WLAN et bien d'autres encore. Ces technologies permettent de réutiliser la radio logicielle pour des utilisations très variées[14].

WebSDR

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WebSDR[15] est un projet permettant d'écouter plusieurs bandes de fréquences radio, en plusieurs modes, grâce à un réseau de SDR répartis dans le monde. Les bandes disponibles à l'écoute changent selon le récepteur utilisé. L'écoute peut se faire à l'aide d'un simple navigateur web. En , le réseau couvre principalement l'Europe, les États-Unis, et une partie de l'Asie et de l'Amérique du sud.

Communications sans fil

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Les applications de radio logicielle sur les téléphones mobiles se développent de plus en plus. En effet, des applications permettant de transformer un téléphone portable en radio logicielle sont désormais disponibles, notamment sur la plateforme Android[16]. Les radios logicielles offrant de nombreuses possibilités, d'autres applications reliées à la téléphonie sont également possibles. Il est notamment possible de faire communiquer des téléphones via des radios logicielles implémentant un système de Voix sur IP, en anglais Voice Over IP (VOIP). Cela est possible en utilisant, par exemple, le logiciel Open Base Transceiver Station qui est fait pour mettre à disposition un point d'accès sans fil destiné à la téléphonie mobile[17]. Il est également possible d'utiliser une radio logicielle comme un émetteur / récepteur Wi-Fi[18].

Communication satellitaire

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Le fait qu'une radio logicielle soit très adaptable et facilement reconfigurable pourrait jouer un rôle clé dans la communication avec les satellites, ces radios étant capables de dialoguer avec différents relais, envoyant des signaux variés et selon des techniques de modulation de signaux tout aussi variées.

Applications commerciales

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Les radios logicielles sont de plus en plus présentes sur le marché et sont disponibles au grand public. En voici quelques exemples :

Radios logicielles disponibles dans le commerce
Nom Fréquence min. (MHz) Fréquence max. (MHz) Bande Passante (MHz) Prix ($)

RTL-SDR 2831

24

1 766

2,4

10-20

Funcube Pro+

420

2 050

0,192

200

HackRF One

1

6 000

20

300

BladeRF 2.0

47

6 000

61,44

400-650

USRP B200

10

6 000

56

700

MatchStiq

70

6 000

50

4 500

Pluto-SDR 325 3 800 20 100-200

Variantes

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Les radios logicielles sont très pratiques car, à tout moment, il est possible d'en modifier le comportement en reprogrammant certains composants logiciels de celles-ci. D'autres types de radios logicielles ont été étudiés pour limiter ces reprogrammations.

Radio autonome

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Ce type de radio logicielle ne nécessite pas de reprogrammer les composants de la radio pour être capable de démoduler un signal. En effet, une radio logicielle doit connaître les différents paramètres du signal : la fréquence porteuse, le type de modulation, la bande passante du signal, etc. Une radio autonome n'a pas besoin de connaître ces paramètres au préalable pour être capable de recevoir un signal. Un composant est ajouté à la radio. Celui-ci est capable de détecter les différents paramètres du signal avant que ce dernier ne soit démodulé[19].

Exemples d'applications

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Les techniques de radio logicielle sont par exemple utilisées dans les réseaux mobiles (GSM, UMTS, etc.) au niveau des stations de base (BTS, Base Transceiver Stations, Node B). Elles présentent les avantages suivants :

  • possibilité d'émettre (et de recevoir) des signaux simultanément dans plusieurs canaux, à l'aide d'un unique émetteur/récepteur ;
  • possibilité de mettre à jour logiciellement les BTS pour supporter de nouvelles modulations (exemple : migration de la norme GSM à la norme EDGE) ;
  • adaptation à son environnement en radio intelligente.

Exemples de réalisations d'amateurs

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Carte USRP B210 conçue par Ettus Research.

Plusieurs réalisations de radios logicielles ont aujourd'hui été mises au point par la communauté radio amateur (voir les liens externes).

Les réalisations les plus simples utilisent une conversion de fréquence générant un signal en quadrature (I/Q) numérisable par une simple carte son de PC stéréo. L'échantillonnage se fait typiquement à 44 kHz, 96 kHz ou 192 kHz, autorisant le traitement numérique par un PC d'un bloc complet de spectre de largeur 22 kHz, 48 kHz ou 96 kHz respectivement.

Les réalisations les plus perfectionnées utilisent des convertisseurs analogique-numérique dédiés, fonctionnant à plus de 100 mégaéchantillons par seconde. Le signal brut ainsi numérisé est ensuite converti en un signal numérique I/Q à plus bas débit, puis transféré par USB ou Ethernet vers un PC, qui prend en charge le traitement des échantillons (démodulation, calcul de spectre, etc.). Cette technique autorise le traitement numérique par un PC[21],[22] d'un bloc complet de spectre de largeur 2,5 MHz et plus.

Parmi les convertisseurs pour amateurs, citons l'USRP et le FUNCube[23].

Un tel récepteur peut être réalisé de manière simple à l'aide d'un périphérique USB initialement faite pour la réception de la télévision numérique. En effet certains circuits décodeurs de télévision numérique à base de circuit intégrés RTL-2832U[24] couplés à un logiciel comme SDR#[25] permettent la démodulation de signaux radio à moindres frais.

De tels récepteurs sont également utilisés pour capter les signaux ADS-B émis par les avions (et les mettre en commun sur Flightradar24, par exemple).

Des circuits intégrés analogiques ont été développés et démontrent la faisabilité de la radio-logicielle aux radiofréquences suivant une méthodologie de conception dédiée inspirée par Pr. Yann Deval. Ils sont basés sur le traitement du signal échantillonné sous le nom de SASP (« Sampled Analog Signal Processor »)[26].

Exemple d'utilisation militaire

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Les postes de radio logicielle qui doivent équiper les forces armées françaises vers 2020[27] permettront « une transmission simultanée et hautement sécurisée de voix et de données », et vont constituer « un élément essentiel de la sécurité et de la capacité d’action tactique des fantassins et des véhicules blindés déployés en opération »[28].

Concrètement, ces radios ont plusieurs fonctionnalités, comme évidemment la phonie de combat mais aussi la messagerie, la vidéo, la géolocalisation, etc. Et cela de manière simultanée et différenciée en termes de qualité de service, c’est-à-dire que les données les plus importantes sont échangées en priorité[29].

Notes et références

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  1. ↑ Machado-Fernandez 2015, p. 81
  2. ↑ Grayver 2013, p. 1
  3. ↑ Nesimoglu 2010, p. 88
  4. ↑ Haghighat 2002, p. 378
  5. ↑ Yang et al. Nealy, p. 164
  6. ↑ Nesimoglu 2010, p. 89
  7. ↑ Haghighat 2002, p. 379
  8. ↑ a et b Haghighat 2002, p. 380
  9. ↑ a et b Haziza et al. Kaltenberger, p. 85
  10. ↑ Goeller et Tate 2014, p. 1468
  11. ↑ Nesimoglu 2010, p. 90
  12. ↑ Haghighat 2002, p. 381
  13. ↑ Dardaillon, Marquet et Risset 2015, p. 2
  14. ↑ Choi et al. Lee, p. 1
  15. ↑ (en) « websdr.org », sur http://websdr.org/ (consulté le ).
  16. ↑ Machado-Fernandez 2015, p. 90
  17. ↑ Monfared, Bannazadeh et Leon-Garcia 2015, p. 570
  18. ↑ Cushman et al. 2016, p. 245
  19. ↑ Shilian et Ziwei 2012, p. 1-2
  20. ↑ http://www.ssi.gouv.fr/uploads/IMG/pdf/cesar2011-papier-radio-logicielle-kasmi-ebalard-ricordel.pdf
  21. ↑ Un exemple de récepteur numérique: SDR# (SDRSharp)
  22. ↑ Un exemple de récepteur numérique: HDSDR
  23. ↑ Voir aussi Liste de récepteurs de radio logicielle (en)
  24. ↑ Liste des clés USB DVB-T (TNT) utilisables avec les logiciels de radio logicielle
  25. ↑ SDR# (SDRSharp)
  26. ↑ Rivet F, Deval Y, Begueret J et al. A disruptive receiver architecture dedicated to software-defined radio, Circuits and Systems II: Express Briefs, IEEE Transactions on, 2008;55:344-348
  27. ↑ https://forcesoperations.com/belgique-feu-vert-pour-lacquisition-de-radios-synaps/
  28. ↑ « L’État adopte la radio logicielle de Thales », sur Ouest France Entreprises, (consulté le )
  29. ↑ Synaps, la nouvelle gamme de radios logicielles tactiques de Thales opex360.com, le 14 juin 2016

Bibliographie

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  • (en) H.S. Choi, Q.D. Bui, S.Y. Kang, J.Y. Jang, U.B Lee, C.H. Chun, I.Y Oh et C.S. Park, « A 0.75-6.75 GHz Receiver with a Digitally Controlled LO Generator for Software-Defined Radio », IEEE Conference Publications,‎ , p. 1 - 4 (ISBN 978-1-4244-5751-9, e-ISSN 978-1-4244-5753-3[à vérifier : ISSN invalide], DOI 10.1109/IMWS.2010.5441002)
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Voir aussi

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Liens externes

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