Contribution au dimensionnement des PLL pour des modulations polaires larges bandes

Évolution des standards de téléphonie mobile

Historique 

La motivation principale derrière toutes ces évolutions est l’augmentation constante du débit de données à fournir. De nouvelles applications apparaissent tous les jours et sont toujours plus gourmandes en données. Il faut ajouter à cela un spectre de fréquences toujours plus encombré. Cela impose donc des normes avec des modulations à grande efficacité spectrale permettant d’atteindre de hauts débits, quelles que soient les conditions de propagation radio. De plus, malgré l’amélioration des batteries, la consommation est toujours un point critique des téléphones mobiles.

2e génération : GSM, GPRS, EDGE

Le GSM est actuellement la technologie cellulaire la plus utilisée dans le monde. Ce succès vient du fait que ce soit une norme ouverte, permettant de communiquer partout de la même façon sur tous les réseaux GSM. La signification des lettres est «Global System for Mobile Communications ». De nos jours, plus de 3 milliards de personnes communiquent en utilisant le GSM. Le GSM a été conçu comme la deuxième génération des normes de téléphonie mobile. Un des principaux objectifs était déjà à l’époque de fournir un système numérique ayant une plus grande capacité et une meilleure qualité de transmission que ceux de première génération analogiques. De plus, un chiffrement de la voix a été ajouté pour éviter qu’un simple récepteur puisse écouter les conversations. Cette technologie utilise des canaux RF contigus de 200 kHz. Combiné avec un multiplexage temporel TDMA (« Time Division Multiple Access »), il est possible à huit utilisateurs d’accéder à chaque porteuse. De cette façon, il s’agit d’un système mixte TDMA/FDMA (« Frequency Division Multiple Access »). De plus, elle utilise une technique de duplexage en fréquence (FDD pour « Frequency Duplex Division ») qui permet de séparer sur deux fréquences porteuses la transmission et la réception. Par définition, la voie montante est celle qui part du mobile vers la station de base et inversement pour la voie descendante. Outre la technologie d’accès et l’espacement des canaux déjà explicité, un autre point important du GSM est la modulation utilisée qui est la GMSK (« Gaussian Minimum Shift Keying »). Cette modulation permet de confiner l’étalement spectral dans le canal. L’amplitude du signal RF est quasiment constante, ce qui est avantageux pour des questions de consommation. Les bandes de fréquence utilisées sont autour de 900 MHz et 1900 MHz.

Le besoin de débits plus importants pour transmettre des données a imposé de nouveaux développements. Le premier système à avoir fait son apparition est le GPRS (« General Packet Radio System »). Celui-ci utilise la même interface radio que le GSM. L’augmentation du débit (172 kbps théorique) est obtenue par l’utilisation de plusieurs slots temporels pour un même utilisateur et par un codage convolutionnel variable en fonction de la qualité du canal de propagation.

Rapidement, l’EDGE (« Enhanced Data for GSM Evolution ») est arrivé pour proposer des débits encore plus importants, allant théoriquement jusqu’à 384 kbps. L’augmentation du débit est faite grâce à l’utilisation d’une nouvelle forme de modulation. Le GSM utilise une modulation GMSK, l’EDGE utilise à la place une modulation 8PSK pour « Phase Shift Keying »  permettant une augmentation du débit.

3e génération : UMTS/WCDMA, HSPA

Après les évolutions du GSM que sont le GPRS et l’EDGE, une troisième génération de standards de téléphonie mobile a été développée : l’UMTS (« Universal Mobile Telecommunications System »). Bien que l’interface radio soit totalement différente des précédentes, le standard a été rendu compatible au niveau de l’infrastructure avec ceux de deuxième génération afin d’assurer la continuité des services GSM. L’UMTS utilise le WCDMA (« Wideband Code Division Multiple Access ») qui alloue à chaque utilisateur un code en début de communication. Il est alors possible à un grand nombre d’utilisateurs de communiquer sur la même fréquence porteuse sans créer d’interférence. Un canal de 5 MHz a été choisi pour ce standard, ce qui permet d’avoir jusqu’à 100 appels en simultané ou bien d’atteindre des débits d’environ 2 Mbps pour les données.

Le LTE

3G LTE : 3GPP Long Term Evolution

Véritable précurseur de la 4e génération de communication de téléphonie mobile, le LTE est en train d’être déployé en France par les différents opérateurs. Comme toutes les évolutions précédentes, celle-ci fait suite à l’augmentation rapide de l’utilisation des données dans les communications cellulaires, alors que les standards en place ne sont plus capables d’absorber cette « explosion de données». De nouveaux développements ont été requis afin d’à la fois gérer cette augmentation de la demande en données et la réduction de la latence. L’évolution de la technologie UMTS a été surnommée LTE pour Long Term Evolution. L’idée est que ce standard va permettre d’obtenir des vitesses beaucoup plus élevées avec une latence beaucoup plus faible, ce qui devient une exigence croissante pour beaucoup de services actuels. Grâce à la 3G LTE, les réseaux de communications cellulaires vont ainsi pouvoir accompagner les besoins croissants des nouveaux services pour les prochaines années.

Évolution du LTE

Il y a une série de changements radicaux entre le LTE et ses prédécesseurs, notamment au niveau de l’interface radio, utilisant l’OFDMA (« Orthogonal Frequency Division Multiple Access ») et le SC-FDMA (« Single Carrier – FDMA ») à la place du CDMA. Malgré cela, le LTE est considéré néanmoins comme faisant partie de la 3e génération, car il ne satisfait pas encore toutes les spécifications techniques imposées pour les normes 4G par l’Union Internationale des Télécommunications (spécifications IMT Advanced) et par le consortium 3GPP1, notamment en termes de bandes passantes et de débits utilisables. De plus, il partage beaucoup de similitudes au niveau de l’architecture avec les autres standards 3G à des fins de réutilisation.

Nouvelles technologies 

Un certain nombre de nouvelles technologies ont été introduites dans le LTE, comparé aux précédents standards. C’est ce qui permet d’atteindre les débits demandés tout en atteignant une grande efficacité dans l’utilisation du spectre de fréquences. Parmi ces nouvelles technologies, on compte :

➤ OFDM (« Orthogonal Frequency Division Multiplex ») Cette technologie a été utilisée, car elle permet de transmettre des données à un fort débit tout en ayant une forte résistance aux réflexions et interférences. Les modes d’accès sont différents selon le sens des transmissions. En voie descendante, l’OFDMA (« Orthogonal Frequency Division Multiple Access ») est utilisé, alors que SC-FDMA (« Single Carrier – Frequency Division Multiple Access ») sert pour la voie montante, car les variations de puissance nécessaire dans son cas sont plus réduites et cela permet de gagner en efficacité sur les amplificateurs de puissance dans les appareils mobiles, ce qui est un facteur important pour les batteries.

➤ MIMO (« Multiple Inputs Multiple Outputs ») L’utilisation de plusieurs antennes permet de tirer parti de la diversité spectrale de l’environnement, c’est-à-dire des multiples signaux créés par les réflexions et qui sont généralement un problème pour les systèmes de communication. Avec la technologie MIMO, ces différents signaux permettent d’augmenter le débit. Il est nécessaire d’utiliser plusieurs antennes afin de distinguer les différents chemins de propagation. Ainsi, différents tailles de matrices d’antennes peuvent être mis en place : 2×2, 4×2, 4×4. Néanmoins, alors qu’il est assez facile d’ajouter des antennes au niveau de la station de base, la taille nécessairement restreinte des appareils mobiles limite l’utilisation de cette technologie.

➤ SAE (« System Architecture Evolution ») L’augmentation du débit et surtout la faible latence requis pour le LTE rend nécessaire une évolution de l’architecture du réseau. Cela passe par un transfert toujours plus important de fonctions du cœur du réseau vers la périphérie. L’architecture du réseau est alors beaucoup moins hiérarchisée, ce qui permet de réduire la latence en redirigeant les données de façon plus directe.

Table des matières

Table des matières
Introduction générale
Chapitre I. La Norme LTE
I.1 Introduction du chapitre I
I.2 Évolution des standards de téléphonie mobile
I.3 Le LTE
I.4 Autres standards utilisant l’OFDM
I.5 Conclusion du chapitre I
Chapitre II. Émetteur polaire
II.1 Introduction du chapitre II
II.2 Architectures d’émetteur
II.3 Modulation directe de la PLL
II.4 Architectures de PLL
II.5 Limitation des modèles existants
II.6 Conclusion du chapitre II & Objectifs de la thèse
Chapitre III. Modulation par la PLL analogique
III.1 Modèle évènementiel non linéaire
III.2 Produit de mélange
III.3 Conclusion du chapitre III
Chapitre IV. Modulation par la PLL numérique
IV.1 Modèle évènementiel non linéaire
IV.2 Gain du TDC
IV.3 Conclusion du chapitre IV
Chapitre V.Autour de l’oscillateur
V.1 Introduction du chapitre V
V.2 Calibration du gain de l’oscillateur
V.3 Estimation de la non-linéarité de l’oscillateur
V.4 Dimensionnement de la taille des banques
V.5 Conclusion du chapitre V
Conclusion

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