Conversion de données à haut débit
et traitement du signal

Qu’est-ce que la conversion de données à haut débit et le traitement du signal ?

La conversion de données existe depuis les premiers jours de l’électronique.

La conversion de données fait référence au processus de transformation de données d’un format, d’une structure ou d’une représentation à un autre. Cela peut impliquer la conversion de données entre différents types, tels que l’analogique vers le numérique ou vice versa, ou le changement de format des données numériques d’un type d’encodage ou de fichier à un autre. L’objectif de la conversion des données est souvent d’assurer la compatibilité entre les systèmes, d’améliorer la facilité d’utilisation des données ou de faciliter le stockage et la transmission efficaces.

Servant de lien crucial entre les mondes analogique et numérique, les convertisseurs sont aujourd’hui largement présents dans la plupart des applications, jouant un rôle important dans la numérisation d’un nombre croissant de domaines tels que l’audio, la vidéo, les communications, la mesure et le contrôle industriel.

L’augmentation de la bande passante numérique nécessite des architectures massivement parallèles, telles que les processeurs multicœurs, les GPU ou les FPGA, pour traiter des flux de données de plus en plus importants en temps réel. Excellant dans le traitement des signaux analogiques et de plusieurs ADC au sein des systèmes, les FPGA assurent un traitement en temps réel avec précision. Leur adaptabilité à divers types d’entrée, leur gestion efficace du bruit et des erreurs et leurs circuits dynamiques font des FPGA une technologie de choix pour optimiser les taux de vitesse et le traitement.

Dans ce contexte, les FPGA apparaissent comme une solution optimale, en particulier dans le domaine des applications embarquées. Leur capacité de traitement, leur flexibilité, leur haut niveau d’intégration et leur efficacité énergétique en font des composants clés des systèmes actuels de conversion analogique-numérique à large bande.

Fonctionnement de la conversion de données à haut débit et le traitement du signal

Avec la résolution, le taux d’échantillonnage est l’une des principales caractéristiques des composants de conversion.

En définissant le nombre d’échantillons par seconde, la fréquence d’échantillonnage détermine la capacité d’un convertisseur à observer les hautes fréquences, influençant directement sa bande passante.

 

Ce principe est exprimé dans le théorème d’échantillonnage bien connu de Nyquist-Shannon, comme indiqué ci-dessous :

Où B est la largeur de bande et fs est le taux d’échantillonnage en Hz.

 

L’amélioration des techniques de conversion a permis d’augmenter la bande passante, avec la capacité d’atteindre plusieurs dizaines de gigahertz pour les composants ADC et DAC les plus avancés.

Ces avancées offrent de nouvelles opportunités pour l’architecture système, profitant à la fois aux applications à large bande, qui peuvent tirer parti de la bande passante améliorée, et aux applications à bande étroite grâce à l’adoption de l’échantillonnage direct.

Applications de la conversion de données à haut débit et le traitement du signal

Les performances de plusieurs applications sont étroitement liées à la largeur de la bande passante.

Par exemple :

• Débits de données et qualité de service des systèmes de télécommunication
• Résolution et sensibilité des radars primaires
• Capacités d’analyse et de détection des systèmes de guerre électronique

Dans ce contexte, l’augmentation du taux d’échantillonnage peut étendre la bande passante du système, améliorant directement les performances globales.

 

De plus, dans les applications à large bande, il est courant d’utiliser plusieurs convertisseurs couvrant des gammes de fréquences distinctes. L’extension de la bande de chaque convertisseur permet de réduire le nombre de canaux nécessaires tout en maintenant des performances équivalentes. Cela a un impact direct sur la taille, le poids, la puissance et le coût (SWaP-C) de l’équipement.

Réduction du nombre de canaux grâce aux ADCs à large bande

Échantillonnage direct ou échantillonnage de fréquence intermédiaire

Les fréquences analogiques utilisées dépendent des applications. C’est le cas, par exemple, de la bande HF de 3 à 30 MHz, permettant des communications longue distance au-delà de l’horizon, couramment utilisée dans les communications maritimes et les radars transhorizon. Un autre exemple est que la bande X de 8 à 12 GHz offre un bon équilibre entre la résolution du faisceau et la pénétration atmosphérique, ce qui la rend largement utilisée dans les radars embarqués.

Pour de nombreuses applications, la méthode conventionnelle consiste à convertir le signal analogique en une fréquence intermédiaire inférieure avant d’être échantillonné par un convertisseur. Cette méthode est connue sous le nom d’échantillonnage à fréquence intermédiaire (IF).

L’augmentation des taux d’échantillonnage permet un échantillonnage direct du signal RF sans avoir besoin d’étages de conversion RF supplémentaires, même pour les signaux dans la gamme des dizaines de GHz. Cette approche est connue sous le nom d’échantillonnage direct.

Figure 3 : Suppression des étapes de conversion RF grâce à l’échantillonnage direct

 

Les avantages de l’échantillonnage direct sont les suivants :

• Simplification de l’architecture du système en supprimant les étages de conversion RF.
• Flexibilité grâce à l’utilisation du traitement numérique du signal, qui peut facilement s’adapter à diverses missions.
• Évolutivité grâce à des mises à jour logicielles sans qu’il soit nécessaire de modifier le matériel.

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