LESIA - Observatoire de Paris

RPWS/HFR, un récepteur programmable

lundi 19 mai 2014, par Baptiste Cecconi

Le récepteur RPWS/HFR est constitué de 2 récepteurs analogiques débouchant sur une partie numérique qui traite le signal en temps réel. Chacun des récepteurs est connecté à une entrée sélectionnée parmi les 3 antennes électriques de l’expérience RPWS. Ces 3 antennes sont nommées +X, –X et Z (voir la figure 1).

Cet article détaille les différents paramètres de l’instrument. Pour une discussion sur la méthodologie d’analyse (étalonnage, traitements de données) voir cet article.

Antennes électriques

Les antennes +X et –X peuvent être utilisées simultanément en formant un dipôle que l’on notera D. Les deux entrées Ex et Ez peuvent donc être connectées aux antennes suivantes :

- entrée Ex : antenne +X, –X, D ou aucune.

- entrée Ez : antenne Z ou aucune.

Figure 1.
Figure 1.

La sonde Cassini et les antennes électriques de l’expérience RPWS. Les 3 antennes électriques (+X, –X et Z) sont nommées en référence à la nomenclature des axes du repère de la sonde. Chaque monopôle mesure 10m de long. L’antenne Z est dans le plan (y,z), incliné de 37 degrés par rapport à z vers l’axe y. Les antennes +X et–X sont symétriques par rapport au plan (y,z) et sont séparées de 120 degrés. Le plan formé par les antennes +X et –X fait un angle de 70 degrés avec l’antenne Z. Les deux monopôles +X et –X peuvent être électriquement associés pour obtenir un dipôle noté D. Figure extraite de [Cecconi et Zarka, Radio Science, 2005.]

Gamme de fréquence

Chaque récepteur contient 5 bandes d’analyses nommées A, B et C, H1 et H2 couvrant toute la gamme 3.5kHz-16.125MHz.

- La bande A couvre la gamme 3.5-16kHz, la bande B 16-71kHz et la bande C 71-190kHz. Chacune de ces bandes peut être analysée selon 8, 16 ou 32 canaux espacés de manière logarithmique.

- Les bandes H1 et H2 sont constituées d’une bande de largeur spectrale 25kHz dont la fréquence centrale est ajustable à l’aide d’un oscillateur. Pour la bande H1, la fréquence centrale peut varier de 100kHz à 4125kHz par pas de n×25kHz (n≥1). Pour la bande H2, la fréquence centrale peut varier de 125kHz à 16125kHz par pas de n×50kHz (n≥1). La bande H2 n’est donc couverte que de manière discontinue. L’analyse des mesures H1 et H2 peut être faite sur 1, 2, 4, ou 8 canaux espacés linéairement dans la bande de 25kHz. Notons que les bandes H1 et H2 sont toujours programmées de manière à ce que leurs gammes de fréquences ne se recouvrent pas.

En ce qui concerne la résolution temporelle, les bandes A, B et C peuvent avoir des temps d’intégration de 125, 250, 500 ou 1000ms, la bande H1, des temps d’intégration de 20, 40, 80 ou 160ms et la bande H2, des temps d’intégration de 10, 20, 40 ou 80ms. Notons bien que ces temps d’intégration ne sont pas les temps d’acquisition mais la somme du temps d’acquisition (où le signal est effectivement enregistré) et du temps d’analyse (qui dépend des opérations effectuées pendant une analyse). Le temps réel d’acquisition représente 22%, 9%, 2.6% et 19% du temps d’intégration respectivement pour les bandes A, B, C et H1/H2. Le temps d’intégration peut être vu comme l’intervalle entre le début d’une mesure et le début de la suivante.

Enfin, plusieurs types de mesures sont possibles. HFR contient un DSP (processeur de traitement du signal) qui peut calculer à chaque mesure les autocorrélations des 2 entrées (<ExEx*> et <EzEz*>) et l’intercorrélation complexe des 2 entrées (Re[<ExEz*>] et Im[<ExEz*>]). La série de mesure instantanée constituée de ces 4 valeurs est appelée “mesure 2–antennes”.

Dynamique et sensibilité

L’étage analogique du récepteur (qui effectue le filtrage en fréquence) contient une boucle d’asservissement qui permet d’ajuster automatiquement le gain du récepteur de façon à fournir un signal de niveau constant sur la rampe d’échantillonnage analogique–numérique (ADC, Analog to Digital Converter) qui se trouve en entrée de la partie numérique du récepteur (Figure 2). Cet ajustement automatique est appelé CAG (Contrôle Automatique de Gain). Ainsi, la qualité de la numérisation dépendra peu du niveau du signal. Le temps caractéristique d’ajustement du gain du CAG est de l’ordre de 1ms. Ces signaux numérisés (sur 32 bits) sont filtrés puis intégrés en auto- et/ou en intercorrélations dans le DSP. Ces dernières mesures sont ensuite compressées sur 8 bits selon un codage pseudologarithmique (appelé “compression–log” par la suite). Le système CAG/compression–log permet d’atteindre une dynamique d’environ 90dB.

Figure 2.
Figure 2.

Schéma de principe de la boucle de CAG et du DSP du récepteur RPWS/HFR. Sur chacune des deux voies analogiques Ex et Ez, une boucle de CAG ajuste le niveau du signal en entrée des ADC. La partie numérique, programmée dans le DSP, effectue l’intégration en auto- ou intercorrélations puis la compression–log des mesures. En amont des entrées Ex et Ez se trouvent les antennes et leurs pré-amplis. Les filtres passe–bande permettent de sélectionner la bande d’analyse. En sortie, le DSP envoie au DPU (Digital Processing Unit ; ou unité de traitement numérique en français) 6 mots de 8 bits à chaque mesure 2-antennes (agcX, agcZ, autoX, AutoZ, crossR et crossI) ainsi que 2 bits de signes (signes de CrXZ et CiXZ) qui n’ont pas été représentés sur le schéma. Figure Extraite de la thèse de doctorat de B. Cecconi (Chapitre 3).

La sensibilité du récepteur RPWS/HFR est conforme aux spécifications initiales : le bruit du récepteur est de l’ordre de 7nV/Hz1/2. Pour comparaison, les récepteurs radio basse fréquence des satellites Cluster ont une sensibilité de 100nV/Hz1/2 et celui du satellite Wind, 10nV/Hz1/2. Cette grande sensibilité nous permet d’envisager la mesure du rayonnement radio galactique pour des fréquences supérieures à 200kHz.

Mode Goniopolarimétrique

Comme on vient de le voir, le récepteur est complètement programmable. Pratiquement toutes les combinaisons des paramètres décrits plus haut sont possibles. Il revient donc aux opérateurs scientifiques du projet de définir les modes opératoires en fonction des différentes observations. Un mode opératoire est une configuration de balayage en fréquence (bandes actives, nombre de canaux par bande, etc), de résolution temporelle (temps d’intégration), d’antennes sélectionnées en entrées et de type de corrélations effectuées par le DSP.

L’analyse goniopolarimétrique nécessite les autocorrélations aux bornes des 3 antennes et deux intercorrélations complexes. Une mesure instantanée de HFR ne peut produire que 4 mesures au maximum (2 autocorrélations et 1 intercorrélation complexe). Un mode opératoire a été défini pour obtenir des données goniopolarimétriques en effectuant successivement les 4 mesures sur deux couples d’antennes différents. C’est ce qu’on appelle le mode “GP” (pour Goniopolarimétrie).

Ce mode consiste donc à enregistrer les autocorrélations sur +X et Z et l’intercorrélation correspondante au cours d’une première mesure et les autocorrélations sur –X et Z et l’intercorrélation correspondante au cours d’une seconde mesure effectuée immédiatement après. Le récepteur RPWS/HFR étant capable de changer instantanément de mode opératoire aussi souvent qu’à chaque mesure, cet échange d’antenne sur l’entrée Ex à chaque mesure ne pose techniquement aucun problème. On obtient alors 8 mesures. L’autocorrélation sur l’antenne Z est mesurée 2 fois. On a donc bien les 7 mesures nécessaires à l’inversion goniopolarimétrique. La série de 8 mesures du mode GP est appelée “mesure 3–antennes”.

Les deux mesures 2–antennes successives sont séparées d’un laps de temps qui dépend de la résolution temporelle choisie pour le mode. Ce décalage temporel peut varier de 125ms à 1s dans les bandes A, B et C, et de 20 à 160ms dans la bandes H1 (la bande H2 n’est en pratique pas utilisée en mode GP puisque les fréquences correspondantes ne respectent pas l’hypothèse de dipôle court nécessaire à la goniopolarimétrie). Une mesure 3–antennes se fait donc en moins de 300ms dans la bande H1 à comparer aux 12 secondes nécessaires à l’analyse goniopolarimétrique dans le cas d’Ulysses. Enfin, puisque l’acquisition d’un spectre nécessite le balayage de toute la gamme de fréquence de RPWS/HFR, 2 mesures 3–antennes à la même fréquence sont espacées d’1 à 2 minutes.