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Feasibility of a Direct Sampling Dual-Frequency SDR Galileo Receiver for Civil Aviation

Blais, Antoine (2014) Feasibility of a Direct Sampling Dual-Frequency SDR Galileo Receiver for Civil Aviation. (Faisabilité d’un récepteur Galileo SDR bi-fréquence à échantillonnage direct pour l’Aviation Civile.)

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Résumé

Cette thèse étudie l'intérêt des architectures SDR à échantillonnage direct pour des récepteurs Galileo dans le contexte particulier de l'Aviation Civile, caractérisé notamment par une exigence de robustesse à des interférences bien spécifiées, principalement les interférences causées par les signaux DME ou CW. Le concept de Software Defined Radio traduit la migration toujours plus grande, au sein des récepteurs, des procédés de démodulation d'une technologie analogique à du traitement numérique, donc de façon logicielle. La quasi généralisation de ce choix de conception dans les architectures nouvelles nous a conduit à le considérer comme acquis dans notre travail. La méthode d'échantillonnage direct, ou Direct Sampling, quant à elle consiste à numériser les signaux le plus près possible de l'antenne, typiquement derrière le LNA et les filtres RF associés. Cette technique s'affranchit donc de toute conversion en fréquence intermédiaire, utilisant autant que possible le principe de l'échantillonnage passe-bande afin de minimiser la fréquence d'échantillonnage et en conséquence les coûts calculatoires ultérieurs. De plus cette thèse s'est proposée de pousser jusqu'au bout la simplification analogique en renonçant également à l'utilisation de l'AGC analogique qui équipe les récepteurs de conception traditionnelle. Seuls des amplificateurs à gain fixe précéderont l'ADC. Ce mémoire rend compte des travaux menés pour déterminer si ces choix peuvent s'appliquer aux récepteurs Galileo multifréquences (signaux E5a et E1) destinés à l'Aviation Civile. La structure du document reflète la démarche qui a été la notre durant cette thèse et qui a consisté à partir de l'antenne pour, d'étape en étape, aboutir au signal numérique traité par la partie SDR. Après une introduction détaillant le problème posé et le contexte dans lequel il s'inscrit, le deuxième chapitre étudie les exigences de robustesse aux interférences auquel doit se soumettre un récepteur de navigation par satellites destiné à l'Aviation Civile. Il s'agit de la base qui conditionne toute la démarche à suivre. Le troisième chapitre est consacré au calcul des fréquences d'échantillonnage. Deux architectures d'échantillonnage sont proposées. La première met en oeuvre un échantillonnage cohérent des deux bandes E5a et E1 tandis que la seconde implémente un échantillonnage séparé. Dans les deux cas, la nécessité de filtres RF supplémentaires précédant l'échantillonnage est mise en évidence. L'atténuation minimale que doivent apporter ces filtres est spécifiée. Ces spécifications sont suffisamment dures pour qu'il ait été jugé indispensable d'effectuer une étude de faisabilité. C'est l'objet du chapitre quatre où une approche expérimentale à base d'un composant disponible sur étagère a été menée. La problématique de la gigue de l'horloge d'échantillonnage, incontournable ici eu égard à la haute fréquence des signaux à numériser, est étudiée dans le chapitre cinq. Des résultats de simulation sont présentés et un dimensionnement de la qualité de l'horloge d'échantillonnage est proposé. Dans le chapitre six, la quantification, second volet de la numérisation, est détaillée. Il s'agit très précisément du calcul du nombre minimum de bits de quantification que doit exhiber l'ADC pour représenter toute la dynamique, non seulement du signal utile mais aussi des interférences potentielles. Au vu des débits de données conséquents mis en évidence dans les chapitres trois et six, le chapitre sept évalue la possibilité de réduire la dynamique de codage du signal à l'aide de fonctions de compression. Le dernier chapitre est focalisé sur la séparation numérique des bandes E5a et E1 dans l'architecture à échantillonnage cohérent introduite au chapitre deux. Ici aussi l'atténuation minimale que doivent apporter les filtres requis est spécifiée. Et finalement la conclusion synthétise les résultats obtenus et propose des idées de travaux complémentaires destinés à enrichir les contributions de cette thèse. ABSTRACT : This thesis studies the relevance of DS SDR architectures applied to Galileo receivers in the specific context of Civil Aviation, characterized in particular by strict requirements of robustness to interference, in particular, interference caused by DME or CW signals. The Software Defined Radio concept renders the major tendency, inside the receiver, to move the demodulation part from an analog technology to digital signal processing, that is software. The choice of this kind of design is nearly generalized in new receiver architectures so it was considered the case in this work. The Direct Sampling method consists in digitizing the signal as close as possible to the antenna, typically after the LNA and the associated RF bandpass filter. So this technique does not use any conversion to an intermediate frequency, using as much as possible the bandpass sampling principle in order to minimize the sampling frequency and consequently the downstream computational costs. What is more, this thesis aiming at the greatest simplification of the analog part of the receiver, the decision was made to suppress the analog AGC which equips the receivers of classical architecture. Only fixed gained amplifiers should precede the ADC. This document exposes the work done to determine if these choices can apply to a multifrequency (E5a and E1 signals) Galileo receiver intended for a Civil Aviation use. The structure of the document reflects the approach used during this thesis. It progresses step by step from the antenna down to the digital signal, to be processed then by the SDR part. After an introduction detailing the problem to study and its context, the second chapter investigates the Civil Aviation requirements of robustness to interference a satellite navigation receiver must comply with. It is the basis which completely conditions the design process. The third chapter is devoted to the determination of the sampling frequency. Two sampling architectures are proposed: the first implements coherent sampling of the two E5a and E1 bands while the second uses separate sampling. In both cases the necessity to use extra RF filters is shown. The minimum attenuation to be provided by these filters is also specified. These requirements are strong enough to justify a feasibility investigation. It is the subject of chapter four where an experimental study, based on a SAW filter chip available on the shelf, is related. The issue of the sampling clock jitter, of concern with the Direct Sampling technique because of the high frequency of the signal to digitize, is investigated in chapter five. Some simulation results are presented and a dimensioning of the quality of the sampling clock is proposed. In chapter six, quantization, a byproduct of digitization, is detailed. Precisely it is the calculation of the number of bits the ADC must have to digitally represent the whole dynamic of, not only the useful signal, but also of the potential interference. Considering the high binary throughput highlighted in chapters three and six, chapter seven evaluates the possibility to reduce the coding dynamic of the digital signal at the output of the ADC by means of compression functions. The last chapter is focused on the digital separation of the two E5a and E1 bands in the coherent sampling architecture presented in chapter two. Here also specifications of minimum attenuation are given. Lastly the conclusions synthesize the contributions of this thesis and proposes ideas for future work to enrich them and more generally the subject of DS-SDR Galileo receivers for Civil Aviation.

Département ou laboratoire:Laboratoire de Télécommunications - TELECOM (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Macabiau, Christophe et Julien, Olivier
Mots-clés:Echantillonnage direct - SDR - GNSS - Aviation civile - Radio logicielle - Galileo - Récepteur - Bi-bande. KEYWORDS : Direct sampling - Software defined radio - Civil aviation - Interference - Galileo - Receiver - Dual-band
Sujets:Electronique > Signaux, images et télécommunications
Télécoms et réseaux > Traitement du signal
Déposé le:17 Septembre 2015

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