Traitement du signal en radioastronomie

Le traitement du signal est une étape primordiale de l’observation au radiotélescope. Elle définit le matériel utilisé en aval de l’installation et donc le coup du projet. Certains radio-télescopes sont équipés de plusieurs lignes de traitement parallèles pour traiter des applications plus entendues.

Pourquoi traiter le signal?

Pourquoi traiter le signal en sortit du récepteur. La réponse est assez simple, l’électronique d’acquisition des données est trop lente pour analyser un signal en Ghz directement. Les cartes d’acquisition sont des convertisseurs analogiques / numériques reliés à un ordinateur ou à un serveur via un port PCI express qui fera la FFT (Fast Fourier Transform). Certains radiotélescopes utilisent des FPGA (Field-Programmable Gate Array) , ce  sont des convertisseurs A/N intégrés sur des cartes électroniques programmables. Ils font la FFT pour récupérer le spectre puis ils envoient les données au serveur.  Il existe bien des cartes capables de traiter des signaux avec une fréquence très élevée mais leur prix est exorbitant. Exemple pour cette puce seule AD9208BBPZ-3000  a 1340€, puce seul ! Il est donc bien plus rentable de traiter le signal puis de l’analyser en le transposant sur une fréquence plus faible. D’ailleurs cela présente aussi un autre avantage, celui du transport du signal. Il est plus compliqué de faire voyager un signal de hautes fréquences dans un câble et l’utilisation d’amplificateur détériore le signal.

Pour remédier à ces problèmes nous allons donc transposer le spectre du signal à une fréquence plus basse.

Comment transposer le spectre d’un signal sur une autre fréquence?

Tout d’abord nous allons choisir à quelle fréquence transposer le signal. Les cartes d’acquisitions d’un prix abordable même pour un amateur tournent autour de 150Mhz, elles sont aussi appelé DAQ (Data Acquisition Card). Si on souhaite observer un signal autour de 1240Mhz, il va falloir transposer le spectre du signal sur 70Mhz. Pour faire cela il faut utiliser un mixer :

Un mixeur de chez Mini circuit

Il prend en entrée le signal à transposer et le signal référence.  Il est symbolisé par un cercle avec une croix au centre.

 

Le signal de référence est généré par un oscillateur local expliqué plus bas.

Le mixage des signaux créé 2 signaux comme suit :

Sa: signale antenne, Sr signale référence, Sm signale mixer

Sm = (Sa + Sr) et Sm = (Sa – Sr)

Il crée donc un signal de plus faible fréquence et un autre plus élevé.

Les cartes d’acquisitions

Les cartes PCI Express:

Ces cartes d’acquisitions en PCI Express sont en fait des ADC sur un bus à très haute vitesse. Étant donné quelles sont directement reliés à un serveur , l’infrastructure qui en découle est plus simple. Le serveur lance sont programme d’acquisition qui pilote les cartes et récupèrent le signal puis il fait la FFT directement à l’aide de carte graphique.

Les FPGA:

Les FPGA sont des cartes programmables équipés de processeur. Des modèles ont été développés pour des gros radiotélescopes comme a Nancay par exemple. Ils embarquent un ADC et grâce à leur processeur, peuvent effectuer des calculs à savoir des FFT. Une fois la FFT terminé ils peuvent envoyer leurs résultats à un serveur central qui regroupera les données.

Les clefs RTLSDR:

Les clefs RTLSDR sont très simples à utiliser. Elles sont compatibles avec un grand nombre de support (linux, windows et même android). Il y beaucoup de ressources sur le net, de programme et de library pour les utiliser. Elles ne coutent que quelques dizaine d’euros. Certains modèles sont plus évolués et donc un peu plus couteux ~200€.

Les filtres

Qui dit radio, dit filtre. Une ligne de traitement comporte plusieurs filtres. En sortit d’antenne on filtre pour obtenir seulement la bande de fréquences que l’on souhaite observer. Une fois le signal transposé on le filtre de nouveau pour éliminer le 2eme signal créé par cette opération.

Une ligne de traitement complète

Voici le schéma d’une ligne de traitement complète.

Les triangles sont des amplis

Symbolisé par un cercle avec une vague au centre, l’oscillateur local.

Le carré central récupère le signal de référence et l’envoi aux mixeurs. Mais l’une de ces sortit est déphasé de 90°. Il y a donc 2 ADC qui acquière le signal en même temps, ces données son concaténées et feront un signal quadratique ou IQ signal.

Les autres carrés sont des filtres, ils excluent les fréquences que nous ne voulons pas observer pour ne pas être parasité.

Bien passons à l’étape suivante le traitement des données.

 

 

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