Récepteur SDR par échantillonnage direct du signal RF

Depuis le début des années 2000, l’essor des réseaux sans-fils ne cesse de s’accroitre et connait aujourd’hui un succès à l’échelle mondiale. Aujourd’hui, la technologie de transmission et de réception d’informations sans fils, que ce soit pour la communication mobile (GSM, DECT, 3G, 4G) ou pour la communication à l’intérieur de zones bien définies tels que les réseaux locaux privatifs (WLAN, WPAN, ZigBee, Bluetooth), est omniprésente.

Aussi, l’amélioration des techniques de transmissions utilisées permettent des débits d’informations de plus en plus élevées, ce qui impose la création de nouveaux standards et donc à la réutilisation de mêmes bandes de fréquences dans le spectre. Ceci amène de plus en plus les dispositifs électroniques à se réadapter en termes d’opérabilité et de compatibilité avec de nouveaux standards. Les évolutions étant fréquentes dans le temps, que ce soit pour l’apparition ou l’abandon d’un standard, cela amène les fabricants à redévelopper un nouveau produit très fréquemment et donc à augmenter les coûts de production.

Une solution idéale à ce problème serait de concevoir un dispositif de réception qui permettrait de s’adapter à toutes les normes de communications sans fils rencontrées, que ce soit en Europe, aux Etats-Unis, au Japon …, et disposant d’un haut niveau de reconfigurabilité. Cela permettrait aux fabricants de concevoir un unique système de réception pouvant s’adapter à l’évolution constante des applications sans-fils utilisés. Avec un tel système, l’évolution de l’occupation du spectre, liée à l’apparition d’un nouveau standard, n’aurait que très peu d’influence puisque ce système pourrait se reconfigurer automatiquement pour permettre la réception d’une nouvelle application dans une bande donnée.

Etat de l’art des récepteurs

Architectures analogiques

Le principe d’un récepteur radio fréquence (RF) est de permettre la réception d’un signal avec un rapport signal à bruit suffisamment élevée, pour pouvoir le traiter par la suite dans le domaine numérique à l’aide d’un convertisseur analogique/numérique (ADC). Les récepteurs RF traditionnels utilisés dans les téléphones mobiles, les bornes WIFI, sont principalement de nature analogique. En effet le signal continu analogique RF de fréquence FRF est converti à l’aide d’un oscillateur locale de fréquence FLO en un signal de fréquence intermédiaire FIF où soit directement à la composante continue (DC).

Deux principaux types de récepteurs analogiques existent : les récepteurs homodynes à conversion directe en fréquence (fréquence intermédiaire nulle) et les récepteurs hétérodynes à conversion à fréquence intermédiaire plus basse, mais souffrant du problème de la fréquence image.

Récepteurs à sous échantillonnage dans le domaine de tension

Pour des applications radio-logicielle, la technique de sous-échantillonnage dans le domaine de tension a été de nombreuses fois utilisée dans le cas de réalisation de récepteurs [4], [5], [6], [7] puisque permettant de convertir simultanément des signaux multi-bandes en bande de base, en utilisant une fréquence d’échantillonnage sf plus basse que la fréquence centrale du signal RF f à convertir. Le signal radiofréquence est ici traité en tant que signal représentant une tension, issu d’une antenne ou d’un amplificateur faible bruit.

La technique d’échantillonnage dans le domaine de charge permet quant à elle d’intégrer un signal en courant sur une capacité, et ceci périodiquement dans le temps. Avec cette technique, la réalisation de blocs de filtrage de type sinus cardinal est réalisable, et en utilisant des techniques de décimation appropriées il est également possible de réduire la fréquence du signal converti et de rejeter certaines fréquence, avant d’être traité par un convertisseur numérique. Bien qu’ayant des propriétés avantageuses en ce qui concerne la robustesse à la gigue de phase, les phénomènes d’injection de charge et de couplage d’horloge, la variation du gain de conversion en fonction de la fréquence d’échantillonnage est un problème important qui peut se compenser soit en changeant le taux de décimation soit en augmentant la transconductance du transconducteur. Dans le premier cas, la mise en œuvre de la partie digitale est fastidieuse et requiert beaucoup de puissance. Dans le second cas, il est nécessaire de concevoir un transconducteur avec une très forte linéarité, ce qui augmente la consommation en puissance également.

Contrairement au domaine de charge, l’échantillonnage direct dans le domaine de tension ne se fait pas par intégration d’un courant sur une capacité. Dans ce cas, le gain de conversion n’est pas dépendant du temps d’intégration et est constant en fonction de la fréquence. Il dépend seulement de la largeur des impulsions d’horloge pour échantillonner le signal, et donc de son rapport cyclique. La technique de recombinaison des différentes voies d’échantillonnages, aussi réalisable dans le domaine de charge, peut amener à la suppression de certains harmoniques, mais au prix d’une consommation digitale plus importante. Enfin, la robustesse par rapport à la gigue de phase est moins bonne et les contraintes sur la stabilité en phase du signal d’horloge sont plus importantes.

Enfin, la technique utilisant la conversion continue à l’aide d’un convertisseur de type delta-sigma, profite pleinement de l’évolution de la technologie CMOS pour atteindre des fréquences de plus en plus rapide. Le fait de pouvoir obtenir un taux de sur-échantillonnage élevé, accompagné des propriétés de filtrage de type passe bande du convertisseur delta-sigma, permet de numériser le signal RF avec une très bonne dynamique et un rapport signal à bruit élevé, avant que celui-ci soit converti et filtré en bande base. Cependant, afin d’obtenir un filtrage passe bande du signal suffisant, il est nécessaire d’utiliser des structures de filtres passifs de type SAW, coûteuses en terme de surface et non flexibles en fréquence. Une autre solution pourrait consister à augmenter l’ordre du convertisseur delta-sigma, mais en augmentant ainsi la puissance digitale consommée. Enfin, bien que cette technique soit prometteuse et bénéficie de l’évolution de la technologie, la consommation en puissance reste élevée.

Echantillonneur passif 

Dans le système de réception radiofréquence (RF) étudié, la technique d’échantillonnage directe RF que nous avons retenue, repose sur la théorie de « N paths filter » [1] décrite pour la première fois en 1960 par les ingénieurs L.E Franks et I.W Sandberg du laboratoire américain Bell laboratories. Cette technique consiste en un système linéaire périodique et variant dans le temps (LPVT) [1], [2], organisé en plusieurs voies d’échantillonnage, et dont la particularité repose sur la réalisation de fonctions de transfert à caractéristiques périodique. Avec cette technique, des filtres de toutes sortes peuvent être réalisés (passe-bas, passe-haut, passe-bande, éjecteur de fréquences, à l’aide d’éléments passifs simples uniquement. La nature périodique de ces systèmes implique que la fréquence centrale de filtres passe bande ou éjecteur de fréquence peut être contrôlé électroniquement. Dans les systèmes de radiocommunication comme la radio-logicielle et la radio cognitive, ces techniques d’échantillonnage s’avèrent avantageuses puisque permettant la réalisation de systèmes de réception flexibles en fréquence qui utilisent des éléments passifs uniquement, de faible coût, linéaires et qui ne consomment que très peu d’énergie. Bien que cette technique fût utilisé dernièrement dans le domaine des fréquences basses [3], [4], l’évolution des technologies de transistors, et en particulier le CMOS, fait que celle-ci devient maintenant exploitable dans des systèmes travaillant à des fréquences de plus en plus élevées et souhaitant utiliser la technique à échantillonnage directe. Dans ce chapitre, nous allons expliquer la technique d’échantillonnage à N voies polyphasées en faisant une analyse fréquentielle de celle-ci. Ses avantages et ses inconvénients seront explicités. Enfin, une étude système réalisée avec le logiciel de simulation numérique MATLAB [5] a été réalisée, afin d’étudier l’influence des différentes imperfections que l’on peut rencontrer dans le cas d’un récepteur radiofréquence.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I: ETAT DE L’ART
1. INTRODUCTION
2. ETAT DE L’ART DES RECEPTEURS
2.1. Architectures analogiques
2.2. Architectures numériques
2.2.1. Récepteurs à sous échantillonnage dans le domaine de tension
2.2.2. Récepteurs à sous échantillonnage dans le domaine de courant
2.2.3. Récepteurs à échantillonnage direct en courant
2.3. Récepteurs à échantillonnage direct en tension
2.3.1. Récepteurs à réjection d’harmoniques
2.3.2. Récepteurs à convertisseurs delta-sigma
3. CONCLUSION
4. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUE
CHAPITRE II : ECHANTILLONNEUR PASSIF
1. INTRODUCTION
2. PRINCIPE DE LA THEORIE DE « N PATHS FILTER »
3. SYSTEME LINEAIRES PERIODIQUES ET VARIANT DANS LE TEMPS (LPTV)
4. PRINCIPE DE SYSTEME D’ECHANTILLONNAGE EN QUADRATURE
4.1. Système d’échantillonnage conventionnel
4.2. Système d’échantillonnage pseudo-différentiel à quatre voies
5. ANALYSE FREQUENTIELLE DU SYSTEME D’ECHANTILLONNAGE DIFFERENTIEL EN QUADRATURE
5.1. Fonction de transfert à l’harmonique n=0 avec Dfrc<<fs
5.2. Fonction de transfert en bande de base à l’harmonique n#0 avec Dfrc<<fs
5.3. Propriété de réjection d’harmoniques
5.4. Sélectivité du mélangeur et influence de la résistance Ron du transistor
6. ETUDES DES IMPERFECTIONS DE L’ECHANTILLONNEUR
6.1. Gigue de phase
6.2. Gigue de phase dans le cas d’un système d’échantillonnage à N voies
6.3. Figure de bruit
6.4. Variation du rapport cyclique
6.5. Fréquence image
6.6. Phénomènes d’injection de charge et de « clock-feedthrough »
7. ETUDE SYSTEME AVEC MATLAB
7.1. Signal modulé 16QAM ideal
7.2. Signal modulé 16QAM avec bruit de phase
7.3. Signal modulé 16QAM avec bruit de type Gaussien
7.4. Signal modulé 16QAM en présence de signaux interférents
8. CONCLUSION
9. REFERENCES
CHAPITRE III : CONCEPTION ET REALISATION DU RECEPTEUR RADIOFREQUENCE
1. INTRODUCTION
2. SYSTEME DE RECEPTION COMPLET RADIOFREQUENCE (RF)
2.1. Description globale
2.2. Spécifications et applications
3. INITIALISATION DU FLOT DE CONCEPTION
3.1. Choix de la technologie
3.2. Outils de conception et méthodologie
4. DESIGN DE LA PARTIE NUMERIQUE DU RECEPTEUR
4.1. Générateur des quatre phases avec rapport cyclique de 25%
4.1.1. Diviseur de fréquence
4.1.2. Design du circuit logique de génération des phases
4.1.3. Buffers d’horloges
5. CONCEPTION DES BLOCS ANALOGIQUES RF DU RECEPTEUR
5.1. SENSIBILITE DU RECEPTEUR
5.2. Conception de l’amplificateur bruit
5.3. Conception du mélangeur passif
5.3.1. Etude fréquentielle du mélangeur passif
5.3.2. Linéarité du mélangeur passif
5.4. Layout de la partie analogique
6. REALISATION DU CŒUR DE LA PUCE
7. REALISATION DE LA PUCE TOTALE
7.1. Puce complète comportant l’amplificateur faible bruit (LNA)
7.2. Photographie de la puce après fabrication
8. CONCLUSION
9. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUE
CHAPITRE IV : MESURES ET TESTS EXPERIMENTAUX
1. INTRODUCTION
2. INSTRUMENTATION ET EQUIPEMENTS DE TEST
3. DEVELOPPEMENT ET REALISATION DES CIRCUITS IMPRIMES (PCB)
3.1. Outil de développement et description générale
3.2. Transformateur différentiel
3.3. Amplificateur opérationnel (AOP)
3.3.1. Facteur de bruit
3.4. Filtre électromécanique Surface Acoustic Wave (SAW)
3.5. Réalisation du PCB complet
3.5.1. Circuit comportant le LNA en entrée
3.5.2. Circuit comportant le mélangeur passif seulement
4. MESURES ET TESTS EXPERIMENTAUX
4.1. Circuit comportant le LNA en entrée
4.1.1. Mesures de consommation en régime statique
4.1.2. Mesures de consommation en régime dynamique
4.1.3. Paramètre d’adaptation en entrée S11
4.1.4. Mesures temporelles
4.1.5. Sensibilité
4.1.6. Mesures fréquentielles
4.1.7. Mesures de linéarité
4.2. Circuit comportant le mélangeur uniquement
4.2.1. Mesures de consommation en régime statique
4.2.2. Mesures de consommation en régime dynamique
4.2.3. Mesures temporelles
4.2.4. Sensibilité
4.2.5. Mesures fréquentielles
4.2.6. Mesures de linéarité
4.3. Circuit comportant le mélangeur uniquement et le filtre sélectif SAW
4.3.1. Mesures de consommation en régime statique
4.3.2. Mesures temporelles
4.3.3. Sensibilité
4.3.4. Mesures fréquentielles
4.3.5. Mesures de linéarité
5. CONCLUSION
6. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUE
CONCLUSION

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