Soutenance mémoire
Les services de télécommunications – Internet, téléphone, télévision – occupent une place chaque jour plus importante dans notre vie quotidienne. Depuis 2005, le nombre de personnes utilisant un téléphone mobile a triplé, atteignant plus de 90% de la population mondiale ; le nombre d’utilisateurs d’Internet a doublé et, depuis 2007, le nombre d’utilisateurs d’Internet sur dispositif mobile (tablette ou smartphone) a quintuplé . Les systèmes de communications, de stockage et d’échange de données sont désormais utilisés en permanence par un grand nombre de personnes dans le cadre privé ou professionnel et sont de plus en plus interconnectés .
Les revenus provenant des télécommunications spatiales ne représentent encore que 4% de l’ensemble des revenus générés par les télécommunications, mais le nombre de satellites mis en orbite et dédiés à cette application ou le nombre de systèmes de communications mixtes terrestres et spatiaux ne cesse de croître [3]. L’utilisation de satellites de télécommunications peut même se révéler indispensable lors de catastrophes majeures, ou dans des zones géographiques enclavées et/ou dépourvues d’infrastructures filaires [4, 5]. C’est pourquoi, avec plus de 600 satellites actifs en orbite autour de la Terre qui y sont consacrés, les technologies de télécommunications spatiales constituent aujourd’hui non seulement le premier secteur d’activité spatiale, mais surtout un domaine de recherches, de défis et d’enjeux majeurs .
Les amplificateurs de puissance
Au cours de la dernière décennie, les incroyables progrès technologiques des télécommunications ont fait naître de nouveaux besoins chez l’utilisateur : celui-ci veut pouvoir accéder à tout moment et à n’importe quel endroit aux réseaux de télécommunications et y compris lorsqu’il se déplace. De plus, il demande des services toujours plus variés : au service de téléphonie vocal sont progressivement venus s’ajouter les services d’échanges de données, d’Internet, de vidéo, de musique, de télévision haute définition… Pour chacun de ces services, l’utilisateur désire en outre un débit toujours plus important associé à une qualité de service constante et irréprochable. Pour satisfaire ces nouveaux besoins, l’utilisation du réseau hertzien a considérablement augmenté, jusqu’à saturer les bandes de fréquences allouées à chaque service. Les concepteurs de systèmes de télécommunications sont donc contraints de se tourner vers des fréquences toujours plus élevées et vers de nouvelles techniques de codage de l’information. L’inconvénient de ces nouvelles techniques est qu’elles sont très sensibles aux non-linéarités des amplificateurs de puissance.
Les HPA des systèmes de télécommunications permettent de conférer au signal émis par le système antennaire de l’émetteur une puissance suffisamment élevée pour que celui-ci puisse être reçu et décodé par le récepteur, pouvant se situer jusqu’à une distance de près de 36 000km dans le cas d’une transmission entre le sol et un satellite en orbite géostationnaire.
Dans la première partie de ce chapitre, les deux familles d’amplificateurs de puissance utilisés en télécommunications spatiales sont présentées et comparées: les Amplificateur à Tube à Ondes Progressives (ou ATOP) et les amplificateurs de puissance à état solide (ou SSPA pour Solid-State Power Amplifier). Dans une seconde partie, une technique classique de représentation et de quantification des non-linéarités introduites par les HPA est détaillée : les caractéristiques dites Amplitude/Amplitude (AM/AM) et Amplitude/Phase (AM/PM) monofréquences. Bien qu’il existe de nombreuses autres techniques de représentation des distorsions créées par les HPA, dont certaines sont présentées dans l’annexe A, les travaux exposés dans ce tapuscrit ne reposent que sur l’étude de ces représentations AM/AM et AM/PM mono-fréquences.
Les familles d’amplificateurs de puissance
Il existe deux grandes familles d’amplificateurs de puissance. La première est la famille des Amplificateur à Tube à Ondes Progressives développés dès les années 1940 [11–13]. La seconde, beaucoup plus récente, est la famille des amplificateurs de puissance à état solide, à base de transistors essentiellement, dont l’essor est principalement lié à la maîtrise des filières technologiques pour les semi-conducteurs.
Les amplificateurs à Tube à Ondes Progressives
Bien qu’ils existent depuis plus de 70 ans, les ATOP représentent aujourd’hui encore les amplificateurs les plus utilisés dans les systèmes de télécommunications spatiales, en raison de leur polyvalence, de leur fiabilité et de leur important rendement : près de 90% des satellites lancés depuis les années 1990 embarquent au moins un ATOP et 69% embarquent exclusivement cette technologie .
Les amplificateurs de puissance à état solide
Les amplificateurs de puissance à état solide sont apparus grâce aux incroyables progrès des filières technologiques pour les semi-conducteurs et constituent une alternative aux ATOP. Ils équipent néanmoins moins d’un satellite sur trois actuellement .
Un amplificateur de puissance à état solide est généralement constitué de plusieurs éléments amplificateurs élémentaires réalisés à partir de transistors à Arséniure de Gallium (GaAs) ou à Nitrure de Gallium (GaN) et cascadés . Des éléments passifs – des répartiteurs et combinateurs de puissance – permettent de connecter les différents étages d’amplification entre eux.
Comparatif
Des amplificateurs de puissance à tube aussi bien qu’à état solide ont été utilisés avec succès dans le domaine des télécommunications spatiales. Ils ont chacun leurs avantages et leurs inconvénients, ce qui permet de sélectionner la technologie la plus adaptée à chaque application .
Puissance de sortie et linéarité
La technologie Tube à Ondes Progressives permet de concevoir des amplificateurs hyperfréquences à bande large et à très faible facteur de bruit, de moyenne ou forte puissance de sortie [15]. La puissance de sortie atteignable par la technologie à état solide est plus limitée. Si les fréquences atteignables avec les technologies semiconducteur sont plus élevées qu’avec la technologie à tube, les bandes de fréquences de travail des SSPA sont par ailleurs plus étroites [18]. En revanche, les SSPA conservent un comportement linéaire sur une plage de puissance d’entrée plus importante que les ATOP, et bénéficient donc d’une occupation spectrale moindre.
Rendement
Le rendement (ou l’efficacité) d’un amplificateur représente le rapport entre la puissance de sortie de l’amplificateur et la puissance d’alimentation nécessaire à son fonctionnement. Le rendement des ATOP est très élevé : en ne prenant en compte que la consommation de l’amplificateur, il est en moyenne supérieur à 60%, et dépasse pour certains modèles les 70% [14, 19]. En prenant en compte la puissance consommée par le module d’alimentation, il est encore de près de 40% [15]. Les SSPA, en revanche, souffrent d’une efficacité médiocre, inférieure à 30% en moyenne pour l’amplificateur seul. En prenant en compte la consommation du module d’alimentation, elle chute même à 10% .
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Table des matières
Introduction
I Contexte des travaux
1 Les amplificateurs de puissance
1.1 Les familles d’amplificateurs de puissance
1.2 Une représentation des non-linéarités introduites par un amplificateur de puissance : les caractéristiques AM/AM et AM/PM
1.3 Conclusion
2 Le potentiel besoin de linéarisation
2.1 Codage d’une donnée numérique en un signal exploitable par l’amplificateur
2.2 Le diagramme de constellation d’une modulation de signal mono-fréquence
2.3 Modulations de signaux monoporteuses
2.4 Conclusion
3 Les solutions pour prévenir ou corriger les non-linéarités
3.1 L’utilisation de l’amplificateur en recul
3.2 L’égalisation ou la post-distorsion
3.3 La linéarisation
3.4 Discussion
II Architecture innovante de linéariseur paramétrable à base de réseaux de neurones
1 Caractéristiques de transfert AM/AM et AM/PM mono-fréquences d’un linéariseur par prédistorsion
1.1 Techniques de détermination des caractéristiques de prédistorsion
1.2 Procédé innovant de détermination des caractéristiques AM/AM et AM/PM d’un linéariseur par prédistorsion
1.3 Caractéristiques idéales de transfert du système “Linéariseur + Amplificateur”
1.4 Mise en application
1.5 Conclusion
2 Architectures de linéariseur par prédistorsion
2.1 Les différentes architectures de linéariseur envisageables
2.2 Architecture détaillée d’un linéariseur à prédistorsions série
2.3 Simulation comportementale du linéariseur proposé
2.4 Conclusion
3 Modélisation des caractéristiques de prédistorsion par réseaux de neurones
3.1 Introduction aux réseaux de neurones
3.2 Le choix d’une architecture de réseaux de neurones dans le cadre de la linéarisation par prédistorsion
3.3 Exploitation des réseaux de neurones pour la linéarisation d’amplificateurs de puissance
3.4 Conclusion
III Conception d’un démonstrateur de linéariseur par prédistorsion
1 Présentation du circuit électronique de prédistorsion
1.1 Propriétés du signal à prédistordre
1.2 Choix des circuits électroniques
1.3 Mise en forme des signaux internes au linéariseur
1.4 Architecture haut niveau de l’ASIC
1.5 Synthèse
2 Généralités sur le circuit intégré de prédistorsion
2.1 Le choix technologique
2.2 Caractéristiques électriques du transistor MOS
2.3 Analyse de structures élémentaires
2.4 Considérations générales sur le circuit intégré de prédistorsion
2.5 Conclusion
3 Le réseau de neurones analogique
3.1 Considérations générales
3.2 Le multiplieur
3.3 L’additionneur de la couche cachée
3.4 La fonction d’activation sigmoïdale
3.5 L’additionneur de la couche de sortie
3.6 Mise en forme des signaux d’entrée
3.7 Conclusion
4 Le circuit déphaseur
4.1 Cahier des charges
4.2 Etat de l’art
4.3 Architecture du circuit déphaseur
4.4 Implantation du DDCC
4.5 Implantation des composants passifs configurables
4.6 Simulation du circuit déphaseur
4.7 Conclusion
5 Exploitation de l’ASIC dans le contexte de la prédistorsion
5.1 Linéarisation en amplitude par l’intermédiaire du réseau de neurones intégré dans l’ASIC
5.2 Linéarisation en phase par l’intermédiaire du réseau de neurones intégré dans l’ASIC
5.3 Discussion
5.4 Conclusion
Conclusion
Annexes
