Avec ses cartes numériseurs PCI Express, la firme allemande Spectrum Instrumentation autorise désormais une conversion numérique abaisseur de fréquence DDC (Digital Down Conversion) grâce à l’utilisation d’une carte GPU externe pour un traitement continu “à la volée” des données. Une innovation qui favorise et démocratise, selon la société, la mise en place d’une DDC, technique puissante couramment utilisée dans une large gamme de systèmes de communication, comme la radio numérique, les radars, la téléphonie mobile, les communications spatiales ou par satellite.

Pour rappel, dans un processus DDC, les signaux RF ou micro-ondes sont convertis en bande de base, qui contient le signal d'intéret. Cette conversion réduit considérablement l'ensemble des données utiles tout en améliorant la qualité du signal et la précision des mesures.

Actuellement, selon Spectrum Instrumentation, la plupart des implantations d’une DDC utilisent un FPGA embarqué. Dans cette architecture, les signaux analogiques entrants sont convertis en données numériques avant d'être transmis au FPGA pour la conversion abaisseur de fréquence. L'approche est rapide et efficace mais comporte des limites, car elle nécessite la mise en œuvre d’un FPGA puissant et le développement ad hoc du micrologiciel de traitement des données. A ce niveau, la personnalisation du firmware est également un défi qui, selon Spectrum, mobilise des connaissances spécialisées et l’achat d’outils logiciels de développement coûteux.

Par contre, en utilisant le kit de développement logiciel SCAPP (Spectrum’s Cuda Access for Parallel Processing), les données acquises par le numériseur peuvent être diffusées directement sur le bus PCIe du numériseur vers un processeur graphique doté de milliers de cœurs fonctionnant en parallèle. Ce qui permet alors de créer le logiciel de traitement en utilisant le langage C/C++, une personnalisation qui ne nécessite pas de compétences de programmation particulière.

Spectrum rappelle que son portefeuille de cartes numériseurs PCIe, qui se décline selon trois plates-formes différentes (M2p, M4i et M5i), offre des fréquences d'échantillonnage comprises entre 5 Méch./s et 10 Géch./s avec des résolutions de 8 à 16 bits et des bandes passantes comprises entre 2,5 MHz à plus de 3 GHz. Dans le cas de la carte numériseur M5i de Spectrum, il est notamment possible de streamer les données numérisées sur 12 bits sur le bus PCIe à une vitesse de 12,8 Go/s !

Pour démontrer les capacités de sa technologie, la société allemande a pris l'exemple de la carte M5i.3337-x16 utilisée pour échantillonner un signal d'entrée de 702 MHz à une vitesse de 6,4 Géch./s. Les données acquises peuvent être alors diffusées en continu directement vers un GPU RTX A4000 de Nvidia, avec ses 6 144 cœurs Cuda, à la vitesse de transfert maximale de 12,8 Go/s.

A partir de là, le processeur GPU dispose des différents blocs de traitement nécessaires pour exécuter la fonction DDC, soit un synthétiseur numérique direct (DDS), un filtrage passe-bas et un outil de sous-échantillonnage. Le GPU exécute toutes ces tâches avec, dans ce cas précis, le mélange des données avec une sinusoïde complexe (générée par le DDS), l’application d’une moyenne mobile, la décimation du résultat (dans ce cas par un facteur 512), le passage des données décimées à travers un filtre FIR (réponse impulsionnelle finie), le redimensionnement, puis le transfert des données traitées vers la mémoire du PC pour stockage (ou traitement ultérieur).

Les deux captures d'écran du domaine fréquentiel (figure ci-dessous) montrent que le rapport signal sur bruit du signal ayant subi une conversion numérique abaisseur de fréquence (en vert) s'est amélioré de près de 10 dB par rapport à l'original (en jaune). De plus, le fichier de données a été réduit d'un facteur 512, mais conserve toujours toutes les informations importantes dans la plage de fréquence du signal d'intérêt. Ce fichier de données plus petit est maintenant beaucoup plus facile à stocker, analyser et afficher sur un PC conventionnel.