Conception d'un système de contrôle d’antennes basé sur la radio logicielle pour réception et émission améliorées de données

Development of an antenna weighting system based on software defined radio for improved data reception and transmission

• Auteur / Autrice : Clément Campo
• Direction : Jean-Marie Paillot, Hervé Boeglen, Loïc Bernard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Microélectronique, Nanoélectronique et Micro-ondes
• Date : Soutenance le 16/10/2020
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM - XLIM / XLIM
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Diouris
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marie Paillot, Hervé Boeglen, Loïc Bernard, Geneviève Baudoin, Sébastien Hengy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Michel Friedt, Renaud Loison

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radiogoniométrie

Pointes de projectile

Antennes-réseaux à commande de phase

Radio logicielle

Mots clés libres

Radio logicielle

Software Defined Radio

Sdr

Réseaux d'antennes

Cohérence de phase

Alignement de phase

Synchronisation

Universal Software Radio Peripheral

Usrp

Déphasage

GNU Radio

Gr_modtool

Expérimentation

Diagrammes de rayonnement

Software Defined Radio

Sdr

Array

Phased array

Phase coherence

Phase alignment

Synchronization

Universal Software Radio Peripheral

Usrp

Phase shift

GNU Radio

Gr_modtool

Experiment

Radiation pattern

Résumé

Aujourd’hui média incontournable d’échange d’informations, les ondes électromagnétiques sont plus que jamais présentes dans notre environnement. Le nombre toujours croissant d’appareils connectés appelle à une meilleure utilisation des ressources spectrales disponibles. Dans le cadre particulier des télécommunications avec un projectile, étudié dans cette thèse, les communications doivent en plus être discrètes et fiables dans un environnement hostile. Dans le contexte général des télécommunications comme dans ce dernier domaine d’application, le filtrage spatial reconfigurable dynamiquement permis par les réseaux d’antennes offre ainsi de nombreux atouts pour les défis présents et à venir. Le contrôle de réseaux d’antennes nécessite une électronique fonctionnant en cohérence et en alignement de phase. Dans une précédente thèse, un système analogique a permis de dépointer vers une station alliée le lobe principal d’un réseau embarqué dans un projectile, durant toute la trajectoire de ce dernier. Ce système n’autorise cependant que 16 configurations pour le diagramme de rayonnement du réseau et n’est fonctionnel qu’autour de 5,2 GHz. Par opposition, la radio logicielle utilise des composants large-bande programmables, qui permettent le traitement des signaux reçus ou à émettre en bande de base numérique. Son utilisation rendrait ainsi possible un contrôle du diagramme de rayonnement du réseau plus précis et un fonctionnement sur de larges bandes de fréquences. Cette technologie reste pourtant encore peu utilisée dans le cadre des applications à cohérence de phase. Ces travaux étudient donc les possibilités offertes par la radio logicielle pour les applications à cohérence, avec la contrainte supplémentaire d’alignement des phases, à travers les télécommunications avec un projectile. Des réseaux d’antennes de géométries linéaire et planaire sont étudiés. Un système de contrôle d’antennes de 4 voies en réception et émission est conçu à partir de radios logicielles commerciales. Des solutions, distinctes pour la réception et l’émission de données, sont développées pour assurer une compensation automatisée des déphasages entre les voies. Plusieurs algorithmes de traitement d’antennes et d’estimation d’angle d’arrivée (DOA) sont implémentés en C++. Les équipements disponibles ne permettant une mesure automatisée des diagrammes de rayonnement des réseaux pilotés par radios logicielles, un montage expérimental est proposé. Les performances du système sont alors quantifiées en chambre anéchoïque pour des réseaux d’antennes de différentes géométries et des fréquences de fonctionnement allant de 2,3 à 5,2 GHz. Selon le réseau piloté, le lobe principal ou un nul de rayonnement peuvent être dépointés dans des plages angulaires allant de 60 à plus de 100°, selon une ou deux dimensions. Les algorithmes implémentés sont également utilisés pour développer une station au sol de suivi de projectile basée sur l’estimation de DOA de l’émetteur embarqué dans le projectile et testée en conditions réelles. Plusieurs projectiles volant à une vitesse proche de celle du son sont alors correctement suivis électroniquement. Le rapport signal à bruit du signal recombiné grâce à la station de suivi est plus de 5 dB supérieur à celui d’une unique antenne du réseau et les données de vol du projectile sont correctement décodées.

As a wireless way to exchange information, electromagnetic waves are more omnipresent in our environment than ever. The ever increasing number of connected devices calls for a better use of the available spectrum. In the particular case of telecommunications with a projectile, which is the case of study in this thesis, communications must also be discreet and reliable, even in a hostile environment. In the general framework of telecommunications as well as in this particular field of application, antenna arrays and the dynamic spatial filtering they allow offer multiple advantages for present and future challenges. Antenna array steering requires phase coherent and phase aligned functioning from the control electronics. In a previous PhD thesis, an analog system allowed beam steering of the array embedded in a projectile towards a base station at all times during projectile flight. However, this system was only able to switch between 16 different configurations for the embedded array radiation pattern and was functional only around a 5.2 GHz working frequency. On the other hand, Software Defined Radio (SDR) uses wide-band programmable components thanks to which received or generated signals can be processed in digital baseband. Therefore, using SDR would allow for a more precise control of the radiation pattern over large frequency bandwidths. Despite these promises, this technology remains rarely used for phase coherent applications. This work hence studies possibilities provided by commercial SDR for phase coherent applications. Telecommunications with a projectile, which also require phase alignment, constitute the considered application. Linear and planar antenna arrays are studied. An antenna weighting system of 4 channels for both data reception and transmission is assembled using commercial SDR. Distinct solutions are developed for data reception or transmission in order to automate phase shift compensation between channels. Several antenna weighting and Direction of Arrival (DOA) algorithms are implemented in C++. As the available equipment does not allow the automated measurement of the radiation pattern of antenna arrays when steered by SDR, a dedicated experimental setup is proposed. The developed system performance is then quantified in an anechoic environment for arrays of different geometries, and working frequencies from 2.3 to 5.2 GHz. Depending on the measured array, the main lobe or null can be steered within 60 to more than 100° along 1 or 2 dimensions. The implemented algorithms are also used to develop a projectile tracking station based on DOA estimation of the transmitter embedded in the projectile. The resulting station is tested with several projectiles flying at a speed close to Mach 1. The projectiles are electronically followed by the system as expected from simulations. The signal to noise ratio of the station combined signals is superior to that of a single element signal by more than 5 dB, and transmitted flight data is correctly decoded.