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Principe de la radio logicielle
Introduction Aujourd’hui, la radio logicielle est la convergence entre la radiocommunication et l’informatique. La radio logicielle exploite la puissance de traitement des technologies informatiques modernes pour simuler le comportement d’un circuit radio. En effet,une radiologicielle est un système de radiocommunication configurable utilisant des techniques detraitement logiciel sur des signaux radio. Elle se présente comme un système qui permet à un terminal de pouvoir interagir avec son environnement, et doit pouvoir aussi traiter plusieurs normes de communications radio ayant des spécifications différentes, à savoir des canaux de communications à bande étroite ou large. Cette dernière est capable de percevoir son environnement, et de s’y adapter. Il pourra donc détecter les fréquences et les utilisés. Dans ce chapitre, nous allons étudier l’architecture, le fonctionnement d’une antenne RTLSDR et leur différent domaine d’utilisations.
Historique La radio logicielle n’est pas vraiment une nouvelle technologie, mais plutôt une évolution logique et une convergence des radios numériques et des technologies logicielles. Le concept de la radio logicielle est né de la recherche militaire américaine. L’origine de la conception radio logicielle est apparu aux années 1987, à partir de la « Air Force Rome Labs » (AFRL) qui a financé le développement de la première radio programmable comme une étape d’évolution après de l’architecture intégrée de communications, de navigation, et d’identification (ICNIA) [1]. Le programme ICNIA initié en 1970 dans le but d’introduire les premières radios VHF multi-modes dans l’armée américaine.[1]. Au début des années 1990, l’AFRL et la « Défense Advanced Research Projects Agency » (DARPA) financent le programme SPEAKeasy afin de pallier aux problèmes d’incompatibilités entre les moyens de communication des différentes branches de l’armée américaine [2]. Les technologies Speakeasy ont ensuite évoluées en 1998 vers le programme « Joint Tactical Radio System » (JTRS) financé par le JointProgram Office (JPO) de l’US Département of Défense (DoD) [1]. En 1998 l’US Navysest doté du Digital Modular Radio (DMR) devenu une radio logicielle restreinte multi modes à quatre canaux RF full duplex dans la bande 2 MHz-2 GHz [1].
Aujourd’hui connu sous le nom de Software Defined Radio (SDR) forum Le terme « radio logicielle » a été inventé officiellement en 1991 par Dr Joseph Mitola, qui travaillé en tant que « program manager » pour la défenseaméricaine, ilpublié le premier article sur le sujet en 1992 .
La radio logicielle (RL)
La RL idéale, principalement définie pour un récepteur, consiste à effectuer la numérisation du signal dès la sortie de l’antenne de réception. Ainsi, tous les traitements de filtrages, les traitements de transpositions fréquentielles et les traitements en bande débrase sont effectués par traitements logiciels et non plus par des composants dédiés. Contrairement à une architecture superhétérodyne l’ensemble des traitements appliqués sur le signal réceptionné est réalisé dans le monde numérique. Cela permet de bénéficier de la flexibilité du traitement numérique totalement mise en œuvre en logiciel, supporté par une plate-forme matérielle composée de processeurs [4]. Il existe encore de nombreux challenges à relever (notamment au niveau du traitement RF), avant de pouvoir prétendre à proposer des systèmes RL idéaux. Afin de réduire la marche entre un système de radiocommunication superhétérodyne et un système RL, une étape intermédiaire est apparue : la RLR (Radio Logicielle Restreinte ou encore plus couramment nommé SDR – Software Defined Radio).
La radio logicielle et ses différents usages
Les radios logicielles tactiques Les militaires ont des besoins évidents de radios logicielles. Une radio logicielle peut changer son codage, sa modulation et/ou son chiffrement en fonction du besoin, ce qui lui donne un avantage important sur le champ de bataille. Les radios logicielles sont considérées comme un élément clé de la communication radio dans le domaine tactique de la « guerre réseau centrée » (NCW – Network CentricWarfare). Le concept de radio logicielle offre une capacité lors d’opérations interarmées et interalliées où les unités combattantes peuvent utiliser différents types de systèmes de communication sans fil implémentant ou non de nouvelles technologies de transmission dans les bandes HF à UHF. Par ailleurs, les radios logicielles permettent des transmissions haut débit à l’aide de formes d’onde spécifiques (WNW – Wideband Networking Waveform) [3].
La radio intelligente (cognitive radio) La radio intelligente s’appuie sur le fondement de la radio logicielle, à savoir la représentation algorithmique et le traitement des signaux radio, pour obtenir des informations sur l’environnement proche afin d’améliorer ses performances radio. La radio intelligente apporte de nouvelles capacités aux radios logicielles tel que la gestion fine des ressources, des protocoles réseau, prestations de services et certification des téléchargements. Pour être intelligente, une radio doit d’abord être étudiée son état est définie à l’aide d’informations qui lui sont ajustées par des capteurs. La possibilité de reconfigurer un réseau de communication en fonction de son environnement est la clé de voûte de la radio intelligente. Les radios logicielles apportent de la flexibilité au niveau des blocs de communication utilisés alors que les radios intelligentes évaluent l’environnement d’exploitation afin de maximiser leurs performances par rapport à un (ou plusieurs) objectif(s) de communication [7].
La relation entre la radio cognitive et la radio logicielle :Bien que de nombreux modèles différents soient possibles, l’un des plus simples modèles conceptuels qui présente la relation entre la radio cognitive et la radio logicielle restreinte est illustré dans la figure II.1. Dans ce modèle, les éléments de la radio cognitive entourent le support radio logicielle restreinte. la partie chargée de l’optimisation ou du contrôle du module radio logicielle restreinte représentée par Le “moteur cognitive” en se basant sur quelques paramètres d’entrée tels que les informations issues de la perception sensorielle ou de l’apprentissage de l’environnement radio, du contexte utilisateur, et de l’état du réseau. La figure suivante résume la relation entre la radio intelligente et la radio logicielle [7].
Radio amateurisme Des radioamateurs ont mis au point leur propre technologie radio logicielle au Cours de ces dernières années. Une configuration typique utilise un récepteur à conversion directe basé sur la détection et l’échantillonnage de signaux en quadrature. Les performances du récepteur sont directement liées à la dynamique des convertisseurs analogique/numérique (CAN) utilisés. Les signaux radiofréquence sont transposés dans la bande de fréquences audio, puis échantillonnés par des CAN à hautes performances.
Une première génération d’équipements utilisait une carte son de PC pour fournir des fonctionnalités de CAN. La dernière génération utilise des CAN embarqués plus performants, offrant une meilleure dynamique d’entrée et une plus grande résistance au bruit et aux interférences RF. Un PC performant effectue ensuite les opérations de traitement numérique du signal à l’aide d’un logiciel spécifique capable d’effectuer tout type de modulation/démodulation, filtrage, amélioration du signal, etc., ouvrant la voie à de multiples expérimentations[3].
RTL-SDR Le RTL-SDR est une plateforme radio logicielle extrêmement bon marché (environ 200DZD), basée sur des d’ongles de récepteur USB DVB-T TV (Digital HDTV) avec la puce RTL2832U. Il a été découvert par le pirate informatique Eric Fry, le développeur de pilotes Linux Antti Palosaari et l’équipe d’Osmocom qui développaient leur propre SDR que la puce RTL2832U avait un mode qui permettait le fonctionnement comme plateforme SDR .
Architecture du dongle RTL-SDR
Diagramme bloc d’un RTL-SDR Les signaux RF sont reçus à l’antenne, les signaux sont convertis par le dongle RTLSDR, et des échantillons In Phase/Quadrature Phase (IQ) sont transmis à l’ordinateur connecté, exécutant un logiciel de traitement à l’image de MATLAB. La conception du récepteur est mise en œuvre à l’aide des algorithmes DSP appropriés pour démoduler le signal en bande de base et extraire le signal d’information. Il peut s’agir de signaux audio, vidéo, images ou de données quelconques.
Le chipset RTL2832U
Définition Le RTL2832U est un démodulateur DVB-T COFDM haute performance qui charge le mode 2K ou 8K avec une bande passante de 6, 7 et 8 MHz [9]. Les modulation, par exemple le débit de code et l’intervalle de garde, sont automatiquement détectés. Ce chipset prend en charge les tuners à fréquence intermédiaires IF : 36,125 MHz, 4,57 MHz ou Zéro-IF à l’aide d’un cristal 28,8 MHz. Ceci lui permet de rendre en charge la radio FMles transmissions DAB et DAB+. Intégré avec un ADC avancé (convertisseur analogique-numérique), le RTL2832U offre une grande stabilité en réception. 13T Cette puce peut être convertie pour réaliser de la radio logicielle restreinte (RLR) à faible couts puisqu’il permet de transmettre les échantillons bruts I (In-phase) et Q (Quadrature-phase) à la station de travail connectée. Les échantillons I/Q en sortie du dongle RTL-SDR sont codés sur 8bits avec une fréquence d’échantillonnage théorique de 3.2MHz. Néanmoins, la meilleure fréquence d’échantillonnage limitant fortement les pertes est de 2.56MHz. Généralement, on utilisera une fréquence d’échantillonnage de 2.048MHz [10].
Le principe du chipset RTL2832U Le RTL2832U est un démodulateur COFDM, qui fait des traitements :
• synchronisation de symboles.
• Réglage fin de fréquence.
• Rotation de phase.
• Estimation et correction du canal.
• Désentrelacèrent interne et externe.
• Décodage de Viterbi.
• Décodage RS et correction d’erreur vers l’avant.
• Rejet d’interférence de canal adjacent et Co-canal.
• Annulation de bruit d’impulsion.
• Correction de la fréquence d’échantillonnage.
L’architecture du chipset RTL2832U Les signaux RF entrant dans le tuner sont convertis vers le bas en une faible fréquence intermédiaire FI à l’aide d’un oscillateur commandé en tension (VCO). Le VCO est programmable et est contrôlé par le RTL2832U via une interface de circuit intégré (I2C). Après une phase de contrôle actif du gain (AGC), qui ajuste dynamiquement l’amplitude du signal d’entrée en fonction de la plage de fonctionnement de l’appareil, le signal FI doit ensuite être ramené à la bande de base [11]. La méthode classique consiste à faire passer le signal FI à travers un filtre antialias, échantillonner la sortie avec un ADC, puis le convertir en bande de base à l’aide d’oscillateurs à commande numérique en quadrature(NCOs) (c.-à-d. un sinus et un cosinus oscillant à la fréquence FI). Lorsque le RTL 2832U fonctionne normalement les données en bande de base IQ seraient démodulées DVB-T et un flux vidéo MPEG2-TS (Moving Picture Experts Group Transmission Stream) est émis sur l’interface USB. Toutefois, lorsqu’il est en « mode test », l’étape finale de démodulation est ignorée les données en bande de base sur 8 bits sont émises sur l’interface USB.
Caractéristique du chipset RTL2832U
• COFDM conforme à NordigUnified 1.0.3, D-book 5.0 et ETSI 300-744
• Mode de transmission automatique et détection d’intervalle de garde
• Circuits d’annulation de bruit impulsif
• Récupération automatique de porteuse sur un large écart (± 800KHz)
• Performances supérieures avec profils d’écho pré / post / long
• Circuit de rejet d’interférence adjacent et Co-canal intégré
• AGC retardé avec point de transfert programmable (TOP)
• ADC 8 bits pour la mesure de niveau des signaux RF
• Filtres PID MPEG-2 matériels
• Huit ports d’E / S à usage général
• Interface USB 2.0
Le convertisseur analogique numérique RTL-SDR (ADC)
ADC est un acronyme pour « Analog to Digital Converter ». C’est une micro puce qui numérise le signal analogique en entrée. Plus un ADC possède de bits, plus la numérisation n’est précise. Par exemple, un ADC 8 bits peut mettre à l’échelle la tension d’entrée analogique en valeurs comprises entre -127 et +127, tandis qu’un ADC 12 bits peut mettre à l’échelle la tension d’entrée de -2047 à +2047[12]. Avec un faible nombre de bits, certains petits détails de l’entrée analogique, tels que des signaux faibles, peuvent être perdus lors de la numérisation. Ceci est particulièrement vrai s’il y a des signaux forts et faibles à proximité. Le RTL-SDR dispose d’un ADC 8 bits, qui est assez faible, mais juste assez grand pour donner des performances décentes. La plage dynamique est la plage entre les valeurs les plus grandes et les plus petites possibles. La plage dynamique d’un ADC peut être calculée approximativement avec : nombre du bits * 6 dB. Cela donne au RTL-SDR une plage dynamiqued’environ 50 dB. Cependant, la plage dynamique peut être légèrement améliorée grâce à l’astuce de sur échantillonnage qui peut être effectuée par logiciel.
Bande passante RTL-SDR
La bande passante maximale du RTL-SDR est de 3,2 MHz, mais la plus grande bande passante stable est de 2,4 MHz ou 2,8 MHz. Le réglage d’une bande passante trop large peut entraîner la perte d’échantillons. La plupart des logiciels compatibles RTL-SDR nous permettent de choisir notre bande passante qui est parfois appelée aussi fréquence d’échantillonnage. Bien que la fréquence d’échantillonnage et la bande passante ne soient pas les mêmes, dans le RTL-SDR régler la fréquence d’échantillonnage à 2 Msps (Megasamples per second) nous donne 2 MHz de bande passante. En le réglant à 2,8 Msps, nous obtenons une bande passante de 2,8 MHz. c’est parce que le RTL-SDR utilise l’échantillonnage I/Q avec deux ADC)
Les interfaces les plus connu pour le dongle RTL-SDR :
• SDR#
• HDSDR
• GNU Radio
• SDR-console (de SDR-Radio. com.)
• SDRUNO .
De nombreux autres programmes, y compris des programmes spécialisés Certains s’appuient sur l’installation de SDR#, d’autres sur une installation spécifique.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : principe de la radio logicielle
I.1Introduction
I.2Historique
I.3Présentation
I.3.1 Définition
I.3.2 Classification du radio logicielle selon leur niveau de configuration
I.3.2.1 La radio matérielle
I.4Objectifs de réalisation d’une radio logicielle
I.5L’impact de la radio logicielle sur les équipements de télécommunication actuelle
I.6 Architecture du radio logiciel
I.6.1Un équipement radio
I.6.2 La radio logicielle (RL)
I.6.3 La radio logicielle restreinte (RLR) ou(SDR)
I.7 Avantages
I.8 Inconvénients de SDR
I.9 Domaine d’application
I.10Conclusion
Chapitre II : Architecture et fonctionnement d’un récepteur RTL-SDR
II.1. Introduction
II.2 Présentation
II.2.1 La radio logicielle et ses différents usages
II.2.1.1 Les radios logicielles tactiques
II.1.1.2 La radio intelligente (cognitive radio)
II.2.1.3 Radio amateurisme
II.2.1.4 RTL-SDR
II.3.1 Diagramme bloc d’un RTL-SDR
II.3.2 Le chipset RTL2832U
II.3.2.1 Définition
II.3.2.2 Le principe du chipset RTL2832U
II.3.2.3 L’architecture du chipset RTL2832U
II.3.2.4 Caractéristique du chipset RTL2832U
II.4 Les Caractéristiques du technique RTL-SDR
II.5 Les interfaces les plus connu pour le dongle RTL-SDR
II.6 Domaine d’application
II.7 Conclusion
Chapitre III : Installation et configuration du logicielle SDR Sharp pour le dongle RTL-SDR
III.1 Introduction
III.2Materiel utilisé
III.3 Installation et mise en Service du dongle RTL-SDR
III.3.1 Configuration
III.3.2 Test du fonctionnement
III.4 conclusion
Chapitre IV : Développement d’un récepteur de détection de l’activité spectrale
IV.1-Introduction
IV.2-Installation du package pour la radio RTL SDR
IV.3- Premier récepteur RTL-SDR sous Simulink
IV.3.1 La solution proposée
IV.3.1.1Les rôles des blocs du schéma réalisé
IV.3.2 Le masque utilisé dans le schéma bloc
IV.4 Programmation du Récepteur
IV.4.1Définition de la densité spectrale de puissance DSP
IV.4-2- initialisation des paramètres
IV.5 Conclusion
Conclusion générale
Bibliographies
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