Soutenance mémoire
PRESENTATION DES RESEAUX DE CAPTEURS (WSN)
Introduction Contrairement aux réseaux de type cellulaire, les réseaux de capteurs sont construits sur la base de réseaux maillés [1]. C’est‐à‐dire qu’ils n’utilisent pas nécessairement une configuration en étoile où chaque nœud se trouve en dessous d’un coordinateur. Dans ce type de réseau, il n’y a pas d’infrastructure fixe comme c’est le cas pour les stations de base des réseaux cellulaires, par exemple. Ici chaque nœud peut prendre part au routage de l’information. La Figure 1(a) représente un exemple très simple de topologie possible: la topologie plate. Il est aussi possible d’utiliser une topologie hiérarchique où des groupes de nœuds élisent un maitre (« Cluster Head ») qui est le seul à pouvoir communiquer avec chacun des maîtres des autres groupes (Figure 1(b)). Un réseau maillé est caractérisé par une dynamique très importante. Les nœuds peuvent être mobiles et suivre un cycle allant de la naissance jusqu’à la mort. Les liens entre les nœuds ne sont donc pas une garantie sur toute la durée de vie du réseau. Un tel réseau doit donc être capable de se réorganiser lui‐même, en changeant de topologie, par exemple, pour être capable dès l’initiation de se mettre en place et de fonctionner de manière complètement autonome. Les principales caractéristiques des réseaux de capteurs sont les suivantes :
• Une application connue au départ, entrainant un déploiement optimal du réseau selon les contraintes de cette application.
• Le nombre de nœuds constituant le réseau peut être très important et avec une densité variable au gré des apparitions et disparitions.
• Une énergie disponible pour chaque nœud finie. C’est‐à‐dire un nœud difficilement rechargeable voir même non rechargeable du tout.
Le but de ce paragraphe, après avoir présenté les applications possibles des réseaux de capteurs, est de faire une rapide présentation de ces réseaux en évoquant leur couche réseaux et la notion d’auto‐organisation et leur couche de liaison permettant de gérer les conditions d’accès au réseau. La couche physique sera elle évoquée plus précisément pour le standard IEEE 802.15.4 dans le paragraphe 0.
Présentation d’un circuit compatible ZigBee
Pour être compatible ZigBee, un nœud doit posséder une interface de communication radio, un microcontrôleur et de la mémoire [19]. Avec l’avancé des technologies CMOS, il devient maintenant possible d’intégrer toutes ces parties sur une seule puce sous la forme d’une puce multifonction. Outre son faible coût, la principale caractéristique de ce système est de pouvoir fonctionner en étant alimenté sur une simple pile pendant une durée supérieure à dix ans. Ce point constitue la principale différence avec les systèmes standards de communications sans fils (WLAN, Bluetooth,..) qui eux sont prévus pour fonctionner sur batterie rechargeable. La consommation de puissance en mode de fonctionnement doit donc être la plus faible possible, surtout en mode de réception, mode qui est actif beaucoup plus souvent que celui d’émission (le canal nécessitant une écoute fréquente). Cependant, le rapport cyclique d’utilisation effective du circuit restant très faible, la consommation de puissance en mode « stand by » est toute aussi importante. Pour donner un ordre de grandeur, un circuit ZigBee complet doit consommer moins de 1µA en mode de veille. Cela nécessite des courants de fuite très faibles et par conséquent ce paramètre conditionne largement le choix de la technologie de réalisation. Pour satisfaire les particularités et les contraintes de ce nouveau standard, de nouvelles techniques plus innovantes et plus risquées doivent être utilisées tant au niveau de la couche réseau, qu’au niveau de la couche physique, notamment pour l’interface de radiocommunication. La conception de cette dernière ayant constitué le but de ce travail de recherche, nous focaliserons la suite de nôtre exposé sur cette fonctionnalité.
CHOIX GENERAL DE L’ARCHITECTURE DE RECEPTION
Un système de radiocommunication utilise les propriétés de propagation des ondes radiofréquences (RF) pour transmettre une information. La fréquence du signal contenant l’information est donc convertie en haute fréquence (up‐conversion) à l’émission. A la réception, il est alors nécessaire d’abaisser la fréquence du signal reçu pour passer d’une fréquence RF à une fréquence intermédiaire (IF) plus faible (down‐conversion) afin de faciliter le traitement devant aboutir à l’extraction de l’information. Les catégories de récepteurs sont distinguées suivant la façon dont cet abaissement de fréquence est réalisé. Si la fréquence intermédiaire résultante n’est pas nulle, on parle de récepteur hétérodyne. Dans le cas contraire, on parle de conversion directe. D’un point de vue analogique, dès que cette « down‐conversion » n’est pas réalisée vers la fréquence nulle, le problème des fréquences négatives (ou fréquences images) apparaît. Dans ces conditions, différentes fréquences RF peuvent être converties à la même fréquence IF que la fréquence utile. Les signaux à ces fréquences ne contenant aucune information, ils constituent du bruit et leur conversion dégrade la qualité du signal utile. L’optimisation des performances de la liaison nécessite donc que le récepteur soit à réjection d’image. Le choix de l’architecture est déterminant pour le bon déroulement de la phase de conception. Un mauvais choix initial peut déboucher sur des difficultés de conception supplémentaires, voire sur l’impossibilité d’atteindre les spécifications. Ce choix dépend de nombreux paramètres, parmi lesquels :
• Paramètres économiques : Solution faible coût, niveau de performances,…
• Paramètres technologiques : sensibilité de la technologie au bruit en 1/f…
• Paramètres électriques : Type de modulation utilisée…
Dans la suite du paragraphe nous allons décrire les différents types de récepteurs en précisant à chaque fois les avantages et inconvénients qui découlent de leur principe. Cette analyse permettra d’aboutir au choix de la solution présentant le meilleur compromis pour satisfaire aux contraintes fixées par l’application.
Budget de gain et de NF
Le niveau de précision atteint jusqu’ici sur l’architecture n’est pas suffisant pour différencier et spécifier le niveau de gain et de bruit de chaque étage. Par contre, il est intéressant et possible de faire une première distinction entre la partie RF (LNA‐Mélangeur) et la partie bande de base (Filtre de canal). Pour cela et en prenant en compte les contraintes de consommation, voici les hypothèses effectuées à partir d’une première évaluation:
• Les pertes de la ligne et du balun sont estimées à 2dB
• Le facteur de bruit du LNA et du mélangeur est fixé à 4dB.
• Le gain du filtre de canal est fixé à 20dB avec un bruit équivalent à l’entrée de 12nV/√Hz.
A partir de ces hypothèses, nous pouvons déterminer le niveau de gain nécessaire pour la partie RF (LNA‐Mélangeur). Ce paramètre est déterminant et va orienter fortement la conception des différents étages. Pour cela, l’analyse a été réalisée grâce à l’élaboration d’une feuille de calcul utilisant le logiciel Excel (cf. TABLEAU II).
Réglage de la résonnance du balun
Des capacités placées en parallèle avec les enroulements primaire et secondaire permettent d’accorder la fréquence du balun et de réduire ses pertes. Pour justifier ce point, considérons le modèle en T du balun et limitons ses éléments parasites à une résistance (rSi) et une capacité (CP ou CS) en dérivations (Figure 26). La capacité parasite ainsi que l’inductance de fuite forment un réseau d’adaptation en L au niveau de chacun des accès. Ces réseaux vont transformer l’impédance visible sur les terminaux externes en une impédance différente sur le nœud interne du balun. Ainsi, en choisissant correctement la valeur des capacités d’accord, l’impédance au nœud interne du balun devient équivalente à un circuit R‐C en parallèle. Lorsque la valeur totale de la capacité C en dérivation résonne avec l’inductance magnétique (M), les deux accès du balun sont adaptés et les pertes de transmission liées aux fuites sont minimisées. Par contre, les pertes ohmiques des enroulements ne sont pas réduites.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : INTRODUCTION AUX RESEAUX DE CAPTEURS, PRESENTATION DU STANDARD ZIGBEE ET DEFINITION DE L’AXE DE L’ETUDE
1 INTRODUCTION
2 PRESENTATION DES RESEAUX DE CAPTEURS (WSN)
2.1 Introduction
2.2 Applications
2.3 Couche Réseau et Notion d’auto organisation
2.4 Couche de liaison
2.5 Conclusion
3 PRESENTATION DES STANDARDS ZIGBEE ET IEEE 802.15.4
3.1 Introduction
3.2 Description de la Couche Physique (PHY) dans la bande ISM 2,4GHz
3.3 Spécifications de la couche PHY 802.15.4
3.4 Conclusion
4 NOTION DE COEXISTENCE DANS LA BANDE ISM 2.4GHZ
4.1 Présentation du problème
4.2 Etude de la coexistence avec le standard IEEE 802.11b
4.3 Bilan
5 ETAT DE L’ART DES SOLUTIONS ZIGBEE ET DEFINITION DU CADRE ET DES SPECIFICATIONS DU TRAVAIL DE RECHERCHE
5.1 Présentation d’un circuit compatible ZigBee
5.2 Etat de l’art des solutions ZigBee
5.3 Définition du cadre et des spécifications fixées pour le travail de recherche
6 CHOIX ET PRESENTATION DE LA TECHNOLOGIE
6.1 Choix de la technologie
6.2 Présentation de la technologie CMOS 90nm
6.2.1 Niveaux métalliques
6.2.2 Transistors MOS
6.2.3 Composants passifs
7 CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
CHAPITRE II : ETUDE ET CHOIX DE L’ARCHITECTURE DE RECEPTION
1 INTRODUCTION
2 CHOIX GENERAL DE L’ARCHITECTURE DE RECEPTION
2.1 Récepteur hétérodyne
2.2 Récepteur à conversion directe
2.3 Récepteur « Low‐IF »
2.4 Bilan et choix de la structure
3 CHOIX DE LA FREQUENCE INTERMEDIAIRE
3.1 Hypothèses de l’étude
3.2 Etude des interféreurs du standard IEEE 802.15.4
3.2.1 Fréquence intermédiaire de 1.5MHz
3.2.2 Fréquence intermédiaire de 2MHz
3.2.3 Fréquence intermédiaire de 4MHz
3.2.4 Fréquence intermédiaire de 6MHz
3.2.5 Bilan
3.3 Etude des interféreurs du standard IEEE 802.11b
3.3.1 Fréquence intermédiaire de 1.5MHz
3.3.2 Fréquence intermédiaire de 6MHz
3.3.3 Bilan
4 PRESENTATION DE L’ARCHITECTURE RETENUE
4.1 Interface RX/TX
4.2 Suppression du filtre d’antenne
4.3 Amplificateur faible bruit
4.4 Mélangeur
4.5 Conclusion
5 SPECIFICATIONS PRELIMINAIRES POUR CHAQUE ETAGE
5.1 Budget de consommation
5.2 Cahier des charges pour chaque fonction du récepteur
5.2.1 Facteur de bruit global de la chaîne de réception
5.2.2 Budget de gain et de NF
5.2.3 Spécifications de linéarité
5.2.4 Spécifications du signal OL
6 CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
CHAPITRE III : INNOVATIONS PROPOSEES SUR DES BLOCS SPECIFIQUES : BALUN, LNA ET MELANGEUR
1 INTRODUCTION
2 LNA HAUTE IMPEDANCE
2.1 Structures possibles de LNA
2.1.1 Structure 1: Source commune cascodée
2.1.2 Solution 2 : Structure à grille commune
2.1.3 Bilan
2.2 LNA non adapté
2.3 Impact de la ligne de transmission dans le cas d’un récepteur non adapté
2.4 Présentation des performances du LNA retenu
2.5 Bilan
3 ETUDE DU BALUN
3.1 Introduction
3.2 Choix du type de Balun
3.2.1 Balun externe à composants discrets
3.2.2 Balun externe
3.2.3 Balun intégré
3.3 Choix du rapport de transformation du balun
3.4 Spécifications du Balun 3 accès
3.5 Réalisation du Balun 3 Accès
3.6 Résultats de simulation en puissance du Balun 3 accès
3.7 Fonctionnement du Balun chargé par une forte impédance
3.8 Bilan
4 MELANGEUR SOUS FAIBLE TENSION D’ALIMENTATION
4.1 Introduction
4.2 Mélangeur passif ou Mélangeur actif
4.2.1 Mélangeur actif (Mélangeur de Gilbert)
4.2.2 Mélangeur passif CMOS
4.3 Mélangeur passif en tension
4.4 Améliorations proposées pour le mélangeur passif
4.4.1 Solution 1 : Augmentation du rON
4.4.2 Solution 2 : Réduction du rapport cyclique de la LO
4.4.3 Comparaison des différentes solutions
4.5 Bilan
5 CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
CHAPITRE IV : CONCEPTION ET VALIDATION DE LA CHAINE DE RECEPTION
1 INTRODUCTION
2 CONCEPTION DE LA CHAINE DE RECEPTION
2.1 Rappel de l’architecture
2.2 LNA (Amplificateur faible bruit)
2.2.1 Polarisation
2.2.1 Dimensionnement du LNA
2.2.2 Dessin des masques du LNA
2.2.3 Présentation des performances du LNA
2.3 Buffer Post‐LNA
2.3.1 Principe
2.3.2 Polarisation
2.3.3 Interconnexion avec le mélangeur
2.3.4 Présentation du dessin des masques
2.3.5 Présentation des performances
2.4 Conception de la voie LO
2.4.1 Génération du signal carré à rapport cyclique 1/4
2.4.2 Conception du diviseur par deux
2.4.3 Réalisation du dessin des masques
2.4.4 Présentation des performances de la chaîne LO
2.5 Mélangeur passif
2.5.1 Polarisation
2.5.2 Conception et dessin des masques
2.5.3 Performances du mélangeur
2.6 Filtre de canal (ou PMA pour Post Mixer amplifier)
2.6.1 Choix de la structure du PMA
2.6.2 Conception du filtre passe bas
2.6.3 Conception du filtre complexe
2.6.4 Dessin des masques
2.6.5 Performances
3 CHAINE DE RECEPTION COMPLETE
3.1 Dessin des masques
3.2 Performances globales
4 VALIDATION EXPERIMENTALE
4.1 Description de la méthode de validation
4.2 Caractérisation des Balun intégrés
4.2.1 Principe de mesure
4.2.2 Résultats de mesure
4.2.3 Bilan
4.3 Principe de mesure des puces 1 et 2
4.3.1 Méthode de mesure
4.3.2 Réalisation des cartes de test
4.4 Résultats de mesure du récepteur utilisant un balun 50/200Ω et un mélangeur piloté par une LO à rapport cyclique 1/4
4.4.1 Consommation en courant
4.4.2 Réponse réelle du balun intégré
4.4.3 Chaîne de réception complète
4.4.4 Résultats statistiques
4.5 Comparaison des deux modes de pilotage du mélangeur
4.5.1 Consommation en courant
4.5.2 Gain et sensibilité
4.5.3 Linéarité
4.6 Bilan
5 CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
CONCLUSION GENERALE
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