Soutenance mémoire
Qu’il s’agisse de télévisions, de téléphones, d’ordinateur, d’imprimantes ou de tablettes, le nombre et la complexité des appareils numériques présents dans nos maisons ne cesse de croître. De plus, ces différents appareils sont généralement connectés entre eux et le débit des informations échangées augmente considérablement d’une année sur l’autre ; ce qui conduit à la réalisation de réseaux locaux personnels de plus en plus rapide. En parallèle à cet accroissement du nombre et de la rapidité des connexions à assurer, nous demandons des équipements de plus en plus mobiles et modulables : aujourd’hui rares sont ceux qui se déplacent sans leur téléphone cellulaire et l’utilisation d’ordinateurs portables s’est démocratisée. La demande pour des réseaux personnels sans fils haut débit et sécurisés est alors de plus en plus forte.
L’utilisation de la bande millimétrique autour de la fréquence de 60 GHz semble être une solution intéressante pour réaliser ce type de réseaux. En effet, la largeur de cette bande est fixée en Europe à 7 GHz ; ce qui permettrait de réaliser des liaisons sans fils allant jusqu’à des débits de quelques Gb/s. La forte atténuation de cette bande provoquée par les murs assure de plus une bonne sécurité des réseaux intra-bâtiments créés tout en permettant une réutilisation des mêmes fréquences entre deux réseaux voisins. Du fait du grand nombre de bornes millimétriques nécessaires pour couvrir un réseau intra-bâtiment, l’utilisation du domaine optique pour desservir de multiples bornes d’accès radio semble être une solution pertinente, permettant de bénéficier de la grande bande passante et la faible atténuation de la fibre optique. L’ensemble du réseau est alors constitué de pico-cellules de quelques mètres de rayons, reliées entre elles par des communications optiques. Dans chaque pico cellule, les différents appareils communiquent entre eux par liaisons sans fils. Entre deux pico-cellules, la communication se fait par liaison optique.
Transmissions numériques à 60 GHz
Ouverture d’une nouvelle bande de fréquence
Que ce soit par le développement de la téléphonie mobile et les services qui lui sont associés ou la prolifération des bornes d’accès WIFI, l’évolution de la technologie tend vers l’utilisation de plus en plus courante d’outils dits « sans fils ». Cette évolution conduit à un engorgement du spectre électromagnétique utilisable. Pour désengorger le spectre, les autorités de la majeure partie des pays industrialisés ont décidé d’ouvrir une nouvelle bande de fréquence autour des 60 GHz [Guo07].
Caractéristiques de la bande des 60 GHz
Montée en fréquence
Jusqu’à présent, les principaux standards de communication opéraient dans la bande des 10 GHz. L’augmentation de la fréquence porteuse de la bande des 10 GHz à 60 GHz permet entre autre d’augmenter la largeur fréquentielle de la bande utilisée. La bande des 60 GHz s’étale sur 9 GHz en Europe, ce qui correspond à la largeur cumulée de toutes les bandes télécoms déjà ouvertes. Cela permet par exemple, l’utilisation de modulations pour lesquelles le spectre du signal émis s’étale sur une bande très large. Ces modulations large bande permettent d’éviter la perte du signal lorsque certaines fréquences sont atténuées comme lorsque l’onde se propage en suivant des trajets multiples. Pour un type de modulation donné, l’encombrement spectral est proportionnel au débit transmis. En comparaison des bandes actuellement utilisées, l’ouverture de la bande des 60 GHz permet donc logiquement de viser des applications très haut débit.
Standard ECMA 387
L’ouverture de la bande des 60 GHz ouvre de nouvelles perspectives pour les télécommunications. Pour harmoniser l’utilisation de cette bande, l’organisation ECMA International (European Computer Manufacturers Association), constituée d’experts industriels, de vendeurs et d’utilisateurs, a rédigé [ECMA10] une proposition pour un standard international réglementant l’utilisation de la bande des 60 GHz. Il s’agit du standard ECMA 387. Nous ne détaillerons ici que les parties du standard qui peuvent avoir un impact sur ce travail de doctorat.
Applications visées
Le standard ECMA 387 régit le fonctionnement des réseaux sans fils personnels (WPAN : Wireless Personal Area Network). Ce type de réseau permet à un particulier d’instaurer une liaison sans fils entre différents appareils. Les appareils en question peuvent être fixes (télévision, boitier de connexion internet…) ou mobiles (téléphone, ordinateur portable…). Ces réseaux sont utilisés pour une large gamme d’applications qui vont du simple transfert de données à la visualisation de flux vidéos haute définition. Le standard classe les appareils connectés en deux types (types A et B) qui doivent pouvoir fonctionner indépendamment ou interagir suivant les besoins. Les appareils de type A sont les appareils haut de gamme. Ils doivent permettre des transmissions très haut débit, relativement longues distances (sur quelques mètres lorsque l’émission est directive) et robustes aux évanouissements du canal radio. À l’opposé, les appareils de type B sont les appareils bon marché. Tout en assurant des débits assez élevés, ils doivent être simples, bas coût et peu énergivores.
Définition des canaux de transmission
La bande des 60 GHz est divisée en quatre canaux unitaires de largeur B = 2,160 GHz et centrés en :
– f1 = 58,320 GHz
– f2 = 60,480 GHz
– f3 = 62,640 GHz
– f4 = 64,800 GHz
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Table des matières
REMERCIEMENTS
TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : ENJEUX DE LA RADIO-SUR-FIBRE A 60 GHZ
INTRODUCTION
I. TRANSMISSIONS NUMERIQUES A 60 GHZ
I.1. Ouverture d’une nouvelle bande de fréquence
I.2. Caractéristiques de la bande des 60 GHz
I.2.1 Montée en fréquence
I.2.2 Absorption atmosphérique
I.3. Standard ECMA 387
I.3.1 Applications visées
I.3.2 Définition des canaux de transmission
I.3.3 Modes de fonctionnement
I.3.4 Temps de commutation entre les fonctions récepteur et émetteur
I.3.5 Qualité de la transmission
I.4. Mise en application du standard, choix technologiques
II. SYSTEMES RADIO-SUR-FIBRE MILLIMETRIQUES
II.1. Architecture globale des systèmes radio-sur-fibre à 60 GHz
II.1.1 Description globale du système
II.1.2 Caractéristique de la liaison optique entre la station centrale et une station de base
II.2. Solutions pour le lien descendant, génération du signal millimétrique à 60 GHz par voie optique
II.2.1 Nécessité de la génération optique de porteuse microonde
II.2.2 Conversion O/E
II.2.3 Solutions pour générer optiquement une porteuse microonde
II.3. Solutions pour le lien montant, mélange optoélectronique
II.3.1 Difficultés propres au lien montant
II.3.2 Mélange optoélectronique
II.3.3 Solution choisie, mélange optoélectronique par photodiode
CONCLUSION
CHAPITRE 2 : CARACTERISATION NON LINEAIRE ET LARGE BANDE DE LA PHOTODIODE
INTRODUCTION
I. CARACTERISATION DES DISPOSITIFS NON LINEAIRES
I.1. Définitions générales et hypothèses
I.1.1 Définitions générales
I.1.2 Hypothèse quasi-statique
I.2. Approche globale grands signaux
I.2.1 Cas général
I.2.2 Cas des systèmes électroniques
I.3. Approche incrémentale petits signaux
I.3.1 Régime petits-signaux et linéarisation d’un dispositif non-linéaire
I.3.2 Caractérisation de dispositifs non-linéaires par une approche incrémentale petits signaux
I.4. Exemple d’utilisation de l’approche incrémentale petits signaux, étude des produits d’intermodulation générés par une photodiode
I.4.1 Caractérisation incrémentale petits signaux
I.4.2 Modélisation de la génération des produits d’intermodulation d’ordre 3
I.4.3 Cas du mélange par photodiode
II. RELATION ENTRE LES DEUX METHODES DE CARACTERISATION
II.1. Passage du modèle global grands signaux au modèle incrémental petits signaux
II.1.1 Cas d’un dispositif à une entrée, une sortie
II.1.2 Étude graphique, application à l’étude résistive d’une jonction PN
II.1.3 Cas d’un dispositif à deux entrées, une sortie
II.2. Passage du modèle incrémental petits signaux au modèle global grands signaux
II.2.1 Position du problème
II.2.2 Effets résistifs
II.2.3 Effets capacitifs
III. CARACTERISATION INCREMENTALE PETITS SIGNAUX DE LA PHOTODIODE, RELEVE DES PARAMETRES S
III.1. Caractérisation petits signaux, relevé du coefficient de réflexion S22 de la photodiode
III.1.1 Paramètres S
III.1.2 Relevés expérimentaux
III.1.3 Premières conclusions sur les relevés effectués
III.2. Modélisation petits signaux de la photodiode : détermination du schéma équivalent
III.3. Extraction des paramètres du schéma équivalent
III.3.1 Méthode d’extraction des paramètres
III.3.2 Caractérisation de la ligne d’accès
III.3.3 Caractérisation de la photodiode
III.4. Loi d’évolution des paramètres du schéma équivalent
III.4.1 Étude des résultats obtenus pour Rj
III.4.2 Étude des résultats obtenus pour Cj
III.4.3 Loi d’évolution de Cj
III.4.4 Limite de la caractérisation petits signaux
IV. PRODUITS D’INTERMODULATION D’ORDRE 3, ANALYSE DES EFFETS RESISTIFS
IV.1. Mesures
IV.1.1 Dispositif expérimental
IV.1.2 Protocole expérimental
IV.1.3 Résultats expérimentaux
IV.2. Simulations sous ADS
IV.2.1 Modélisation sous ADS de la photodiode
IV.2.2 Modélisation sous ADS du montage expérimental et conditions d’excitations
IV.2.3 Déroulement des simulations
IV.2.4 Résultats des simulations
CONCLUSION
CHAPITRE 3 : MELANGE OPTOELECTRONIQUE PAR PHOTODIODE, APPLICATION A LA REALISATION D’UN SYSTEME RADIO-SUR-FIBRE BIDIRECTIONNEL FONCTIONNANT A 60 GHZ
INTRODUCTION
I. ÉTUDE DU MELANGE OPTOELECTRONIQUE PAR PHOTODIODE DE DEUX SIGNAUX SINUSOÏDAUX
I.1. Bases du mélange optoélectronique par photodiode, considération des effets résistifs
I.1.1 Principe du mélange et zone de fonctionnement non linéaire
I.1.2 Définition et utilisation du paramètre de non linéarité A
I.2. Relevés expérimentaux à 60 GHz
I.2.1 Génération optique du signal à 60 GHz
I.2.2 Dispositif expérimental utilisé pour étudier le mélange
I.2.3 Caractérisation du mélange
I.3. Simulations du mélange optoélectronique sous ADS
I.3.1 Première étude de l’influence des effets capacitifs
I.3.2 Utilisation de la caractérisation de la photodiode effectuée au chapitre 2
II. APPLICATION A LA REALISATION D’UN SYSTEME RADIO-SUR-FIBRE BIDIRECTIONNEL FONCTIONNANT A 60 GHZ
II.1. Description du système proposé
II.1.1 Description globale
II.1.2 Génération optique du signal millimétrique au sein de la station centrale
II.2. Dispositif expérimental et conditions de mesure
II.2.1 Liaison descendante
II.2.2 Liaison montante
II.3. Influence de la polarisation de la photodiode
II.3.1 Étude de la liaison montante
II.3.2 Étude de la liaison descendante
II.3.3 Compromis entre les performances des deux liens
II.4. Respect des standards
II.5. Comparaison avec une solution utilisant un mélangeur électrique
II.5.1 Architectures des deux solutions
II.5.2 Amplitude des signaux et gains des composants
CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
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