Soutenance mémoire
Architecture classique d’émetteur-récepteur
Pour les architectures de radiocommunication actuelles, les références de fréquence sont des éléments clés. En effet, dans le domaine numérique, tous les circuits sont synchronisés par une horloge. De même, dans le domaine analogique, il faut multiplier, diviser, convertir des signaux de différentes fréquences. Il existe deux types d’architecture possibles pour la réception de signaux :
● les architectures homodynes (ou zéro-fi) convertissent directement le signal reçu par l’antenne des radiofréquences en bande de base.
● les architectures hétérodynes, au contraire, utilisent une ou plusieurs fréquences intermédiaires. La fréquence du signal reçu est ainsi translatée vers des fréquences plus basses jusqu’à ce qu’il soit utilisable par les circuits de bande de base.
L’émission du signal se fait généralement avec une conversion directe du signal en bande de base vers les radiofréquences. Ce type d’architecture se décompose en quatre parties distinctes : l’émetteur, la voie de retour pour les systèmes de pré-distorsion, un récepteur, un circuit numérique s’occupant des opérations en bande de base.
La bande de base
Domaine purement numérique, la bande de base correspond aux fréquences auxquelles sont traités les différents signaux émis ou reçus. Dans ces circuits, les données sont mises en formes, codées et décodées. Pour se faire, les circuits numériques ont besoin d’une horloge pour se synchroniser et avoir une base de temps. Il est donc nécessaire d’avoir une référence stable et précise. Il est à noter que, grâce à l’évolution des technologies, les circuits numériques fonctionnent à des fréquences de plus en plus élevées. Il est donc de plus en plus coûteux en termes de puissance consommée et de bruit généré de produire un signal d’horloge alors que la référence de fréquence est toujours un quartz fonctionnant à quelques dizaines de mégahertz.
L’interfaçage entre monde numérique et analogique se fait par des convertisseurs numérique analogique (CNA) et analogique numérique (CAN) qui ont aussi besoin d’un signal d’horloge stable pour fonctionner.
Circuits d’émission
La partie émission est classiquement composée de filtres, de mixeurs et d’amplificateurs. Une fois passées du numérique à l’analogique, les données sont filtrées par un filtre passe-bas (FPBas) afin d’éliminer les raies parasites créées notamment par les horloges numériques.Une fois filtrés, les signaux I et Q passent de la bande de base au domaine des radiofréquences (RF) grâce aux mixeurs. Pour se faire, on multiplie le signal de données de fréquence fif par un signal de référence de fréquence Flo. Le signal résiduel est alors composé de deux fréquences principales : Flo+ Fif et Flo- Fif. Les signaux sont recombinés et, selon leur phase, une seule des deux composantes est filtrée. Si elle a une fréquence plus faible que Flo, on parle d’architecture infradyne sinon, l’architecture est dite supradyne. Le signal de données est alors amplifié par un amplificateur contrôlé en tension (ACT), filtré pour ne garder que la composante voulue puis une nouvelle fois amplifié par un amplificateur de puissance (AP) et envoyé à l’antenne à travers un duplexeur.
La chaîne de réception
Lorsqu’un signal est capté par l’antenne, le duplexeur l’envoie sur la chaîne de réception. Celle-ci sélectionne la bande de fréquence dans laquelle se trouve le signal utile grâce un filtre passe-bande (FPBande). Le signal est ensuite amplifié par un amplificateur faible bruit (AFB). Puis, à l’inverse de ce qui est fait en émission, le signal est transposé dans les basses fréquences en le multipliant par une fréquence de référence. Le signal est ensuite amplifié puis filtré avant d’être envoyé au circuit de traitement de signaux numériques à travers un convertisseur analogique numérique. Une nouvelle fois, la référence de fréquence joue un rôle prépondérant dans le bon fonctionnement de la chaîne de radiocommunication. Il faut en effet que le signal de référence ait une fréquence précise et stable pour ne transposer que le signal utile. Il doit aussi être peu bruyant pour ne pas faire disparaître le signal reçu dans le bruit.
La pré-distorsion
Certaines applications demandent de très hauts niveaux de performances, notamment en termes de linéarité, aux différents éléments de la chaine d’émission. Certains circuits, de part leur conception ne peuvent atteindre ce niveau de performances. C’est le cas, par exemple, des amplificateurs de puissance. Pour compenser ces non-linéarités, une possibilité est d’utiliser un système de pré-distorsion. Une infime partie du signal émis est prélevée avant que celui-ci ne soit envoyé à l’antenne. Ce signal est ensuite amplifié puis transposé dans la bande de base à l’aide d’un mixeur. Une nouvelle fois, une référence de fréquence est nécessaire pour réaliser cette conversion de fréquence. Le signal basse fréquence obtenu est alors filtré puis converti en numérique par un convertisseur analogique numérique. La bande de base connaissant les non-linéarités introduites par la partie analogique de la chaine d’émission, elle peut alors pré-distordre le signal en amont pour compenser les non-linéarités des étages analogiques.
Les boucles à verrouillage de phase
Référence de fréquence
Comme nous l’avons vu précédemment, les références de fréquences sont des éléments clés de chaque partie des émetteurs-récepteurs. Elles sont composées de deux principaux éléments :
● un oscillateur de référence,
● une boucle à verrouillage de phase.
Au vu du rôle des références de fréquences dans les architectures actuelles, leurs spécifications en termes de pureté spectrale, de précision, de déviation de fréquence en fonction de paramètres environnementaux tels que la température, la tension d’alimentation ou le vieillissement sont très importantes. Aujourd’hui, les spécifications généralement demandées sont de l’ordre de quelques ppm à quelques dizaines de ppm pour la précision et la déviation fréquentielle. Les performances requises pour le bruit de phase sont de -110 dBc/Hz à -165dBc/Hz à 100kHz de la fréquence de la porteuse. Afin d’atteindre toutes ces performances, la solution privilégiée est l’utilisation d’un oscillateur à base de quartz. Les quartz ont un facteur de qualité élevé (supérieur à 1000) et leur fréquence de résonance varie peu en fonction de la température (quelques dixièmes de ppm avec compensation). Il faut cependant préciser qu’ils sont non-intégrables, leur technologie étant différente du silicium utilisé pour la puce active. Ils prennent donc une place conséquente sur le circuit imprimé (de 1 à plusieurs millimètres carrés) et ont un coût conséquent selon les applications auxquelles ils sont destinés et donc selon les performances qu’ils doivent délivrer (de quelques dizaines de cents à des centaines d’euros pièce).
De plus, l’utilisation d’un quartz impose de générer un signal de fréquence plus basse que celle désirée (de quelques mégas à une centaine de mégahertz). Il est donc nécessaire de multiplier cette fréquence avant de l’utiliser comme horloge de circuit numérique ou comme référence de circuit analogique. Pour se faire, on couple l’oscillateur à quartz avec une boucle à verrouillage de phase (phase locked loop, PLL), [GRAY01].
Structure d’une boucle à verrouillage de phase
Une PLL est un système permettant d’allier la précision et la pureté spectrale d’un oscillateur de référence à quartz avec les hautes fréquences et la plage de réglage fréquentielle d’un oscillateur utilisant un résonateur à base d’inductance [INIEWSKI08].
On y retrouve les principaux blocs utilisés dans ce type de circuit, à savoir :
❖ une référence basse fréquence qui, comme nous l’avons vu plus haut, génère un signal précis et faiblement bruité ;
❖ un oscillateur contrôlé en tension (voltage controlled oscillator, VCO). Il utilise une inductance en parallèle d’un condensateur comme résonateur. Le faible facteur de qualité de ce type de résonateur a pour conséquence un bruit de phase plus important que pour un résonateur piézo-électrique. Cependant, cela leur confère une plage de réglage fréquentielle plus importante. Il est ainsi possible d’obtenir un oscillateur dont la fréquence peut varier de plusieurs gigahertz [FAHS10]. Ce réglage se fait généralement en faisant varier la capacité des condensateurs placés en parallèle de l’inductance. Pour se faire, deux types d’éléments sont utilisés : les varicaps dont la capacité varie en fonction d’une tension de contrôle et les capacités commutées. Les PLL peuvent aussi utiliser un oscillateur en anneaux comme VCO. Le gain fréquentiel des VCO est noté Kvco ;
❖ un diviseur de fréquence permettant d’atteindre la même fréquence que celle du signal de l’oscillateur à quartz à partir du signal de sortie du VCO. Ce diviseur peut être entier ou fractionnel ;
❖ un comparateur de phase qui crée un signal proportionnel à la différence de phase entre le signal généré par la référence de fréquence et celui de l’oscillateur contrôlé en tension divisé ;
❖ une pompe de charge. Composée de deux sources de courant commandées par le comparateur de phase, elle injecte ou retire du courant dans le filtre en fonction du déphasage entre le signal de référence et le signal du VCO. On notera Kcp le gain du comparateur de phase couplé à la pompe de charge ;
❖ un filtre de boucle qui permet d’envoyer un signal au VCO en moyennant les variations de courant induites par la pompe de charge. On peut remarquer qu’une boucle à verrouillage de phase est dite d’ordre N avec N l’ordre du filtre de boucle.
|
Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 Référence de fréquence pour circuit radiofréquence
Rôle des références de fréquence dans les architectures de radiocommunication
1. Architecture classique d’émetteur-récepteur
a. La bande de base
b. Circuits d’émission
c. La chaîne de réception
d. La pré-distorsion
2. Les boucles à verrouillage de phase
a. Référence de fréquence
b. Structure d’une boucle à verrouillage de phase
c. Bruit de phase d’une PLL
3. Référence haute fréquence
Théorie des oscillateurs
1. Les oscillations et le critère de Barkhausen
2. Le concept de la résistance négative
3. Calcul de résistance négative classique
a. La structure de Pierce
b. La structure de Pierce avec un inverseur CMOS
c. Résistance négative pour une structure différentielle
4. Les différents paramètres d’un oscillateur
a. Fréquence d’oscillation et couverture fréquentielle
b. Bruit de phase
c. Précision et déviation fréquentielle
5. Oscillateurs haute fréquence, quartz, BAW, résonateur LC : état de l’art
Chapitre 2 Oscillateur à base de résonateur BAW
Le résonateur BAW
1. Les différents types de résonateurs à ondes acoustiques volumiques
2. Modélisation d’un résonateur BAW
Oscillateur à base de résonateur BAW
1. Étude préliminaire
a. Modélisation simplifiée de l’oscillateur
b. Paramètres principaux de l’oscillateur
2. Conception d’un oscillateur à base de résonateur BAW
a. Spécifications techniques
b. Implémentation de l’oscillateur
c. Réglage de la fréquence
4. Réalisation, simulations et mesures
a. Réalisation de l’oscillateur et connexion BAW oscillateur
b. Principaux résultats
c. Comparaison avec les résultats de simulations
d. Comparaison avec l’état de l’art
Conclusion
Chapitre 3 Référence de fréquence à base d’oscillateur BAW
Modélisation de l’oscillateur
1. Modélisation comportementale de l’oscillateur
2. Modélisation des imperfections de l’oscillateur et de son résonateur
a. Les variations dues au procédé
b. Effets variant dans le temps
Calibration par filtrage adaptatif
1. État de l’art
a. Contrôle par modèle fixe
b. Calibration du modèle prédéfini
2. Proposition de contrôle de la fréquence
a. Calibration en production
b. Évolution de la modélisation pendant le fonctionnement
3. Le filtrage de Kalman
a. Éléments de traitement du signal
b. Application à l’oscillateur BAW
4. Implémentation sous Matlab/Simulink
a. Modélisation globale du système
b. Modélisation de la calibration initiale
c. Implémentation du filtre de Kalman
5. Adaptation à l’oscillateur BAW
a. Pourquoi une adaptation est-elle nécessaire ?
b. Polynôme d’interpolation
c. Zone de fonctionnement principale
d. Kalman à effet mémoire
Performances et utilisation de la référence de fréquence
1. Référence de fréquence et résultats de simulations
2. Utilisation de notre référence de fréquence dans les architectures actuelles
Conclusion
Conclusion générale
