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Comment la numérisation à haut débit et le traitement en périphérie de Teledyne SP Devices permettent une surveillance évolutive des signaux satellites sur plusieurs bandes de fréquences.

La surveillance satellitaire assure l’observation en continu des communications par satellite et des signaux de navigation afin de garantir la qualité des liaisons, de détecter les interférences et de vérifier la conformité aux réglementations en matière de spectre. Ces systèmes offrent une visibilité globale et cohérente du comportement des liaisons montantes et descendantes, ce qui est essentiel pour des applications allant de l’intégrité du GNSS et de la surveillance du spectre à la recherche d’interférences et à la validation des systèmes. Objectifs de la surveillance et architecture du système

L’objectif principal de la surveillance satellitaire, c’est de maintenir l’intégrité des liaisons espace-sol et sol- espace. Cela comprend la vérification de la qualité des liaisons montantes et descendantes, la détection des

interférences involontaires ou malveillantes et le soutien à l’application de la réglementation. Sur le plan architectural, les systèmes de surveillance sont généralement structurés autour de trois éléments : le segment spatial, composé de satellites équipés de transpondeurs et d’antennes fonctionnant dans des bandes de fréquences définies ; le segment terrestre, qui comprend des stations de surveillance équipées de grandes antennes, de frontaux RF et de numériseurs ; et le segment utilisateur, où des logiciels et du matériel spécialisés analysent et visualisent les données capturées. Bandes de fréquences et considérations relatives à l’échantillonnage Les services satellitaires fonctionnent sur des bandes de fréquences radio désignées, chacune étant divisée en sous-bandes de liaison montante et de liaison descendante dans les systèmes bidirectionnels afin de minimiser les interférences mutuelles. Les liaisons descendantes sont généralement attribuées à la partie inférieure d’une bande en raison d’une atténuation atmosphérique plus faible, tandis que les liaisons montantes occupent des fréquences plus élevées afin de prendre en charge des débits de données plus importants. Les définitions des sous-bandes varient selon les systèmes ; par exemple, Galileo utilise les

désignations « E » dans la bande L plutôt que la nomenclature « L » utilisée par d’autres constellations GNSS. Du point de vue de la surveillance, cette diversité rend la planification des fréquences et la stratégie d’échantillonnage cruciales. Le taux d’échantillonnage doit garantir que le signal utile occupe une seule zone de Nyquist, les composants hors bande étant supprimés par un filtrage analogique. Pour l’échantillonnage direct, cela se traduit généralement par des taux minimaux d’environ 2 GSPS pour la bande L, 4 GSPS pour la bande S et 8 GSPS pour la bande C, en supposant l’application de filtres passe-bande appropriés. Numérisation et capture des signaux front-end Les stations de surveillance modernes s’appuient sur des numériseurs à large bande pour convertir les signaux RF analogiques en flux de données numériques. Des appareils tels que l’ADQ35-WB de Teledyne SP Devices prennent en charge l’échantillonnage direct des signaux des bandes L et S sans mélangeurs de fréquences, ce qui réduit la complexité du système et les efforts d’étalonnage. Avec une résolution de 12 bits et une bande passante d’entrée utilisable allant jusqu’à 9 GHz, ces numériseurs permettent un déploiement flexible sur plusieurs bandes satellitaires. Les amplificateurs externes à faible bruit et les filtres anti-aliasing restent essentiels pour préserver la fidélité du signal et empêcher le repliement spectral lors de la conversion analogique-numérique.

Le choix du taux d’échantillonnage a un impact direct sur l’intégrité des données et l’efficacité du traitement en aval. Par exemple, l’échantillonnage de la bande L à 5 GSPS place le signal entièrement dans la première zone de Nyquist, tandis que le sous-échantillonnage de la bande S à 4 GSPS confine le signal dans la deuxième zone de Nyquist avec des bandes de garde suffisantes. En revanche, des taux mal choisis peuvent diviser le signal entre les limites de Nyquist, introduisant alors un repliement spectral inévitable. Prétraitement FPGA et réduction des données Les débits de données brutes provenant des numériseurs à large bande peuvent dépasser les limites pratiques de transfert et de stockage. À 10 milliards d’échantillons par seconde et deux octets par échantillon, un seul canal génère environ 20 Go/s. Pour gérer ce volume, le traitement FPGA embarqué est utilisé pour réduire les débits de données avant leur transfert via des liaisons PCIe. Deux approches sont particulièrement pertinentes pour la surveillance par satellite. La compression binaire réduit le nombre de bits par échantillon, ce qui permet un streaming continu dans les limites de la bande passante PCIe tout en préservant les informations de la bande complète. La conversion numérique descendante, mise en œuvre à l’aide d’oscillateurs, de filtres et d’étages de décimation à commande numérique basés sur des FPGA, traduit les canaux RF sélectionnés en fréquences de bande de base ou intermédiaires. On peut ainsi non seulement réduire les débits de données, mais aussi améliorer le rapport signal/bruit grâce au filtrage et au traitement cohérent.

Transfert de données à haut débit et traitement GPU Pour l’analyse en temps réel et en quasi-temps réel, les architectures basées sur PCIe sont préférables. Le transfert de données pair-à-pair donne aux numériseurs la possibilité de transmettre directement les données aux GPU à l’aide du DMA, en contournant le CPU hôte et la mémoire système. Cela minimise la latence et permet d’atteindre des débits agrégés proches des limites du PCIe Gen5, en prenant en charge les flux simultanés provenant de plusieurs numériseurs. Les GPU complètent le traitement FPGA en prenant en charge les tâches gourmandes en calcul mais moins critiques en termes de latence, comme la canalisation, la démodulation et l’analyse statistique à long terme. Par exemple, l’extraction de sous-bandes Galileo individuelles à partir d’une capture en bande L large-bande peut réduire les débits de données de plusieurs centaines de mégahertz de spectre à quelques gigaoctets par seconde, ce qui est tout à fait dans les capacités des GPU modernes. Stratégies d’enregistrement et de stockage à haut débit Lorsque des enregistrements de longue durée sont nécessaires, la bande passante de stockage peut devenir un facteur limitant. Les configurations RAID basées sur des SSD NVMe, connectées via des cartes PCIe, permettent des écritures parallèles sur plusieurs disques. Les SSD de classe entreprise maintiennent des vitesses d’écriture soutenues sur de longues périodes, autorisant des taux d’enregistrement cumulés de plusieurs dizaines de gigaoctets par seconde et des capacités totales atteignant l’échelle du pétaoctet par emplacement. Les disques de qualité grand public restent adaptés aux captures plus courtes, mais présentent une dégradation du débit une fois que les caches SLC internes sont épuisés. Pertinence pour la surveillance satellitaire moderne En combinant la numérisation à large bande, le prétraitement basé sur FPGA, l’accélération GPU et le stockage PCIe évolutif, les systèmes modernes de surveillance satellitaire offrent une base rentable et flexible pour la collecte de renseignements RF. Cette architecture prend en charge des exigences en constante évolution comme la surveillance multibande, la détection des interférences en temps réel et la capture de données à grande échelle. Elle est par conséquent adaptée à la fois aux réseaux de surveillance opérationnels et aux campagnes de mesure axées sur la recherche.

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