Pour additionner les signaux de deux radios et en faire un faisceau, il faut connaître le décalage de temps, et de phase, entre elles. L'ennui tient en une observation simple : une seule mesure mélange deux inconnues.
01
Une mesure, deux causes
Quand la carte A entend la carte B avec un certain retard, est-ce parce que B est plus loin, ou parce que son horloge avance sur celle de A ? Les deux produisent exactement le même retard. Une mesure isolée ne permet pas de trancher : le temps de vol et le décalage d'horloge y sont indémêlables.
02
L'aller-retour
L'idée du two-way time transfer, c'est de mesurer dans les deux sens. A envoie un repère à B, B en renvoie un à A. Le trajet radio est le même à l'aller et au retour : il est réciproque. Le temps de vol est donc identique dans les deux sens, alors que le décalage entre les horloges, lui, change de signe selon le sens.
En combinant les deux mesures, les deux inconnues se séparent enfin : leur somme isole le temps de vol (la distance), leur différence isole le décalage d'horloge, ce que le servo doit annuler pour aligner les phases.
03
Dater une arrivée proprement
Encore faut-il dater précisément l'arrivée d'un signal. On n'émet pas n'importe quoi : une séquence pseudo-aléatoire de 255 symboles, choisie pour une seule propriété. Corrélée avec elle-même, elle donne un pic unique et franc à l'alignement parfait, et presque rien partout ailleurs. Le récepteur fait glisser sa copie locale sur ce qu'il reçoit ; là où ça coïncide, le pic jaillit, et sa position donne l'instant d'arrivée.
04
Deux mesures en une
Le signal reçu, c'est une onde rapide enfermée dans une bosse plus lente. Et il porte deux mesures à la fois. La bosse, l'enveloppe, dit à peu près quand le signal est arrivé : sans ambiguïté, mais à la nanoseconde seulement. Une seule vague de l'onde rapide, elle, donne l'instant exact, à la picoseconde. Mais toutes les vagues se ressemblent : prise seule, impossible de savoir laquelle est la bonne. Un peu comme une montre : la petite aiguille donne l'heure sans se tromper, la grande la minute précise, et il faut les deux.
On combine alors les deux : la bosse, grossière mais sûre, désigne la bonne vague ; la vague, elle, donne la précision. Pourquoi la bosse ne descend pas sous quelques nanosecondes, c'est une histoire de bande passante de la puce, racontée dans le billet sur le matériel.
05
Pourquoi tout dans le FPGA
Une mesure ne sert à rien si elle arrive trop tard. Pour que le servo corrige plus vite que la dérive des horloges, le corrélateur, l'interpolation sous l'échantillon et l'extraction de phase tournent dans la logique, au fil de l'eau, sans jamais repasser par un PC. Le two-way time transfer n'est pas un calcul fait après coup : c'est une mesure continue, embarquée.
C'est la brique sur laquelle reposent la synchronisation et, à terme, le faisceau. Les prochains billets ouvriront les autres mécanismes : le servo de phase, le filtre adapté, le découpage temporel. La page du projet en donne la vue d'ensemble.