Etude de cas ADS 2008-2009

Courivad

Description

ST4-CAS Intervenants 2008-2009 Daniel Courivaud Christian Ripoll ETUDE, CONCEPTION ET CARACTERISATION D’UNE LIAISON HERTZIENNE NUMERIQUE Daniel Courivaud page 1 Christian Ripoll Projet : stcas.zap Fichier Etude de cas ADS.doc ST4-CAS 1. PRESENTATION DE LA LIAISON La liaison hertzienne retenue pour l'étude de cas fonctionne dans la bande 6400-7100 MHz avec 16 voies aller et 16 voies retour selon la recommandation ITU-R 384.5 jointe en annexe. Chacune de ces voies dispose de 20 MHz de bande. Par la suite, on choisit de travailler avec les conventions proposées dans cette recommandation. En particulier, f sera la fréquence centrale de la bande RF, N sera le numéro de la voie, f sera la 0 Nfréquence centrale du canal associé à la voie N dans le sens aller et f' la fréquence centrale du Ncanal associé à la voie N dans le sens retour. Chaque canal est composé d'un sous canal de données supportant un débit de 32 Mbits/s et d'un sous canal de service à 2 Mbits/s, dans les sens aller et retour. La modulation utilisée est une modulation d'amplitude en quadrature à 16 états (16QAM). Ce système est conçu pour fonctionner en full duplex avec la totalité des 16 voies. Par souci de simplification, une seule de ces voies sera utilisée pour la simulation. Cependant, il conviendra de paramètrer correctement les équipements de transposition en fonction de la voie choisie de façon à ...

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ST4-CAS     Intervenants 2008-2009 Daniel Courivaud Christian Ripoll                                                                 ETUDE, CONCEPTION ET CARACTERISATION D’UNE LIAISON HERTZIENNE NUMERIQUE   Daniel Courivaud Christian Ripoll Projet : stcas.zap Fichier Etude de cas ADS.doc    page 1

ST4-CAS 1. PRESENTATION DE LA LIAISON      La liaison hertzienne retenue pour l'étude de cas fonctionne dans la bande 6400-7100 MHz avec 16 voies aller et 16 voies retour selon la recommandation ITU-R 384.5 jointe en annexe. Chacune de ces voies dispose de 20 MHz de bande.   Par la suite, on choisit de travailler avec les conventions proposées dans cette recommandation. En particulier, f 0  sera la fréquence centrale de la bande RF, N sera le numéro de la voie, f N  sera la fréquence centrale du canal associé à la voie N dans le sens aller et f' N  la fréquence centrale du canal associé à la voie N dans le sens retour.   Chaque canal est composé d'un sous canal de données supportant un débit de 32 Mbits/s et d'un sous canal de service à 2 Mbits/s, dans les sens aller et retour.   La modulation utilisée est une modulation d'amplitude en quadrature à 16 états (16QAM).   Ce système est conçu pour fonctionner en full duplex avec la totalité des 16 voies. Par souci de simplification, une seule de ces voies sera utilisée pour la simulation. Cependant, il conviendra de paramètrer correctement les équipements de transposition en fonction de la voie choisie de façon à pouvoir travailler sur n'importe laquelle des 16 voies sans modification majeure des fichiers de simulation.   2. TRAVAIL PREPARATOIRE   Copier le fichier st4cas0.zap qui se trouve à l’adersse : http://www.esiee.fr/~courivad/Files/ST4-RF2/index.html  dans votre directory de travail   Lancer ADS le simulateur HP-EEsof de circuits et de systèmes radio numériques. Advanced Design System   Décompresser le projet nécessaire à cette étude MW>File>Unarchive Project... st4cas0.zap    Ouvrir le projet décompressé MW>File>Open Project... fh_ADS0_prj      Certains des fichiers nécessaires à la simulation sont déjà créés. Pour ceux là, il conviendra seulement d'initialiser certains paramètres permettant de dimensionner les circuits, les sources ou les mesures avant de lancer l'analyse. Les autres seront à créer de toutes pièces.   Daniel Courivaud Christian Ripoll Projet : stcas.zap Fichier Etude de cas ADS.doc    page 2

ST4-CAS 3. LES ELEMENTS CONSTITUTIFS DU RECEPTEUR      La structure du récepteur est de type double conversion de fréquence avec sélection du canal avec le premier OL. Les fréquences intermédiaires choisies sont respectivement 1.2 GHz et 140 MHz.   Les circuits sélectifs inclus dans le récepteur devront être paramétrés en fréquences. En prélimi- naire à toute simulation, les variables suivantes devront être définies :   ·  f0 : fréquence centrale de la bande (fixée par la recommandation CCIR) ·  ChannelBW : largeur du canal (fixée par la recommandation CCIR) ·  Nmin : index du premier canal (fixé par la recommandation CCIR) ·  Nmax : index du dernier canal (fixé par la recommandation CCIR) ·  N : index du canal courant ·  fN : fréquence centrale des canaux radio dans la moitié inférieure de la bande (fonction de f0, N et ChannelBW) ·  fpN : fréquence centrale des canaux radio dans la moitié supérieure de la bande (fonction de f0, N et ChannelBW) ·  rfmin : fréquence RF la plus basse (fonction de f0, Nmin et ChannelBW) ·  rfmax : fréquence RF la plus haute (fonction de f0, Nmax et ChannelBW) ·  rfcenter : fréquence RF centrale (différente de f0 et fonction de rfmin et rfmax) ·  rfBW : bande de fréquences RF (fonction de rfmin et rfmax) ·   if1center : première fréquence intermédiaire (fixée à 1.2 GHz) ·  if1BW : bande passante autour de la première fréquence intermédiaire (fixée par la structure du récepteur) ·  if2center : seconde fréquence intermédiaire (fixée à 140 MHz) ·  if2BW : bande passante autour de la seconde fréquence intermédiaire (fixée par la structure du récepteur)   Les circuits utilisés dans le récepteur sont regroupés en quatre catégories : filtres, amplis, mélangeurs et oscillateurs. Chacun de ces trois premiers éléments va être étudié séparément. Les oscillateurs seront modélisés par des sources sinusoïdales pures.   3.1. Etude des filtres   Créer un nouveau fichier : SW>File>New... Test_Filter      Modifier si nécessaire le ‘type of networks’ : anoalg/RF network   Ce type de circuit étant linéaire, insérer un « template » permettant la mesure des paramètres S :    SW>File>Insert Template... S_Params    C D h a r n i i s e ti l  a C n  o R u i ri p v o a ll u   d   F P i r c o h j i e e t  r :     E st t c u a d s e .   z d a e p     cas ADS.doc   page 3

ST4-CAS Placer le bloc permettant de définir les variables explicitées précédemment :    SW>Component>Component Library>Data Items>VAR    Placer un filtre entre les deux ports de mesure :    SW>Component>Component Library> Filters-Bandpass >BPF_Butterworth    Renseigner ses paramètres de façon à ce que ce filtre joue le rôle de filtre de bande à l’entrée du récepteur RF. On choisira un ordre 5 et un coefficient de qualité à vide des résonateurs de 10000. S’assurer que les paramètres IL et Qu sont visible.s   Régler les paramètres de la simulation et lancer l’analyse    SW>Simulate>Simulate    Une fois celle ci terminée, ouvrir un Data Display pour observer les résultats    SW>New Data Display    Placer un graphe cartésien pour observer la fonction de transfert en puissance du filtre.   Dans la fenêtre Schematic, utiliser la fonction SW>Simulate>Tuning… pour modifier les paramètres IL et Qu et vérifier leur impact sur les résultats de simulation. La boite de dialogue TuneControl devra être initialisée avec ‘Simulate : After presing Tune’. Il suffit alors de cliquer sur les paramètres à modifier pour les insérer dans la boite de dialogue. Pour plus de souplesse, on choisira l’option ‘Details’.   Sauvegarder le fichier de schématique    SW>File>Save   Sauvegarder le fichier de résultats    DW>File>Save    3.2. Etude des amplis   Créer un nouveau fichier : SW>File>New... Test_Amp    Ce type de circuit pouvant être non linéaire et n’téant pas sélectif en fréquence, insérer un « template » permettant la mesure du spectre de sortie :    SW>File>Insert Template... HB1ToneSwptPwr  C D h a r n i i s e ti l  a C n  o R u i ri p v o a ll u   d  page 4  F P i r c o h j i e e t  r :     E st t c u a d s e .   z d a e p     cas ADS.doc  

ST4-CAS Rq : le template possède un DispTemp « HB1ToneSwpPwr » qui permet d’avoir quasiment tous les résultats utiles.     Placer dans la fenêtre le bloc définissant les variables générales   Placer un ampli entre la source et la charge :    SW>Component>Component Library>System – Amps & Mixers>Amplifier    L’amplificateur à simuler est un amplificateur failbe bruit dont les caractéristiques sont les suivantes :    TOS entrée = 2   TOS sortie = 2   Gain = 26 dB   S12 = 0   NF = 0.9    ADS ne fournit les résultats de simulation qu’aux noeuds explicitement nommés par l’utilisateur. Effectuer cette opération sur la sortie de l’ampliifcateur :    SW>Component>Name Node...    Régler les paramètres de la simulation et lancer l’analyse :    SW>Simulate>Simulate    La mesure de cet amplificateur en fonction de la puissance d’entrée est possible avec le template HB1ToneSwptPwr   Vérifier la structure du tableau de données Vout en utilisant la fonctionnalité Variable Info disponible dans la boite de dialogue des graphes. Relier la dimension du tableau au nombre d'harmoniques spécifiées dans le contrôleur de simulation.   Afficher le tableau Mix également sur une liste alphanumérique. Que représente t-il ?     Rendre l’amplificateur non linéaire en ajouter lesp oints d’interception du è 2 me  et 3 ème  ordre : SOI=40 dBm TOI=30 dBm et relancer l’analyse ? Qu’observe t-on à présent ?     Daniel Courivaud Christian Ripoll Projet : stcas.zap Fichier Etude de cas ADS.doc    page 5

ST4-CAS 3.3. Etude des mélangeurs   Ouvrir le fichier contenant le mélangeur à étudier : SW>File>Open... Test_Mixer.dsn    Ce mélangeur permet la première conversion de fréquence. Il faut donc initialiser les variables RFfreq, LOfreq, et IFfreq en conséquence.   Analyser la structure du schéma et observer en particulier :    les 2 sources RF et OL   la description du mélangeur   le contrôleur de simulation    Lancer l’analyse du circuit   Vérifier la composition du signal de sortie avec la fonctionnalité Variable Info.   Observer le spectre du signal de sortie.   Afficher le plan de fréquence sur une liste alphanumérique et vérifier la cohérence pour les raies intéressantes avec les paramètres de la simulation.   Relever le niveau en dBm de chacune des raies et vérifier la cohérence avec les paramètres de simulation (pertes de conversion, fichier dbl2.imt, etc...).   Afficher sur une liste alphanumérique le facteur de bruit NF et la température équivalente de bruit  .eT     4. LE RECEPTEUR   4.1. Reconstitution de la chaîne de réception    Ouvrir le fichier receiver.dsn    Reconstituer la topologie de la chaîne de réception en assemblant les différents circuits présents à l’écran de façon à obtenir une structure optimale.L es éléments nécessaires à ce travail pourront être le facteur de bruit, le gain, les points d’IP,3 la réjection des produits d’intermodulation, etc..    Une fois la topologie mise en place, il faut paramètrer les différents circuits pour satisfaire le plan de fréquence.   D C a hr n i i s e ti l  a C n  o R u i ri p v o a ll u   d  F P i r c o h j i e e t  r :     E st t c u a d s e .   z d a e p     cas ADS.doc    page 6

ST4-CAS Mettre des ports d’entrée et de sortie pour rendrec e circuit hiérarchique. Par convention on choisira :    Port 1 : entrée du récepteur (antenne de réception)   Port 2 : sortie du récepteur (deuxième fréquence intermédiaire)    Port 3 : premier OL  Port 4 : deuxième OL    Générer un symbole pour ce circuit avec la commande SW>View>Create/Edit Symbol    Revenir à la schématique (SW>View>Create/Edit Schematic) et sauvegarder le travail effectué.   4.2. Mesure linéaire du récepteur     Ouvrir le fichier S_receiver.dsn.   Placer le récepteur entre les deux blocs TERM qui représentent les accès de l’appareil de mesure virtuel.   Les deux sources de tension V_1Tone permettent la translation de fréquence dans le récepteur : ·  Connectez-les aux accès correspondants ·   Initialiser les fréquences de ces sources de façon à permettre un fonctionnement correct du récepteur pour tous les canaux. ·  La puissance délivrée aux mélangeurs doit être égale à 7 dBm   L’analyse linéaire d’un mélangeur impose de figere lparamètre SS_Sideband à « UPPER » ou « LOWER » pour permettre une conversion haute ou basse. Suivant le paramétrage effectué, la bande d’analyse (définie par le contrôleur de simualtion) est translatée vers les fréquences supérieures ou vers les fréquences inférieures.                                                              F rf                              F if  = ± mF lo ± nF rf                                                                               F lo       Dans le second cas, pour une simple conversion de fréquence, les fréquences générées sont dues à l’une des deux combinaisons soustractives suivante,s le choix étant effectué automatiquement par ADS : ·  F rf  - F lo  lorsque F rf > F lo Daniel Courivaud P C r h o r j i e s t t   i : a  s n t   c R a i s p .z o a ll p     Fichier Etude de cas ADS.doc    page 7

ST4-CAS ·   F lo  - F rf  lorsque F rf < F lo       Une discontinuité apparaît à la frontière des deux domaines ce qui correspond à la génération d’une fréquence nulle ( r F f  = F lo  ). Ceci n’apparaît que si la sortie IF est filtré.e     La fréquence nulle générée introduit alors une discontinuité. L’interprétation de ce phénomène est rendue difficile par le fait qu’ADS ne trace les rséultats qu’en fonction de la fréquence d’entrée et pas en fonction de la fréquence de sortie.   Pour le cas qui nous intéresse, une façon de formaliser le problème est la suivante :     fr1fi2fi lo1lo2     « rf » définit la bande d’analyse et doit balayer el canal étudié dont la fréquence centrale est donnée par fN. Notons que la bande d’analyse ne doti pas être strictement égale à la largeur du canal étudié pour pouvoir observer la sélectivité introduite par les filtres.   lo1 est fixée par if1center (1200 MHz) et fN   lo2 est fixée par if1center et if2center (140 MHz)   Donner l’expression de if1 et if2 et en déduire le sconditions sur rf conduisant à la génération d’une fréquence nulle dans le récepteur .Que valent ces fréquences RF lorsque le récepteur est accordé sur le premier canal (N=1) ?     Effectuer un balayage très large de façon à pouvoir observer ce phénomène. Vérifier que les fréquences auxquelles il apparaît sont bien celles trouvées par le calcul à l’étape précédente.   Vérifier le fonctionnement correct du récepteur sur les canaux extrêmes (N=Nmin et N=Nmax)   Placer un marker sur la fonction de transfert en puissance du récepteur et mesurer le gain introduit au centre de la bande. Vérifier la concordance avec les gains des blocs de la chaîne.   Ajouter un autre marker pour mesurer la réjection au centre des canaux immédiatement adjacents (DW>Marker>Delta Mode On).   Placer un bloc Parameter Sweep sur la schématique de façon à cumuler l’analyse des 16 canaux. Vérifier que le comportement du récepteur est identique pour les 16 canaux. La conséquence Daniel Courivaud  page 8  Christian Ripoll Projet : stcas.zap Fichier Etude de cas ADS.doc  

ST4-CAS immédiate est que la suite de l’analyse pourra êtr eeffectuée sur un seul des 16 canaux (n’importe lequel). Les résultats obtenus seront transposables à l’ensemble des canaux. 4.2.1. La fréquence image   Pour chacun des canaux RF, donner l’expression desf réquences image du récepteur. Combien en trouvez-vous ? A quoi sont elles dues ?   Effectuer le calcul pour le premier canal.   Vérifier le résultat obtenu en paramètrant correctement le générateur. Que vaut la réjection de chacune de ces fréquences image? A quoi est elle due ? Vérifiez-le par la simulation.   4.2.2. Mesure du facteur de bruit     Effectuer une mesure du facteur de bruit du récepteur pour un canal en bord de bande (N=1 ou N=16) et pour un canal central (N=7 ou N=8).   Justifier la différence.   Evaluer par le calcul, le facteur de bruit depuis l’entrée du récepteur jusqu'à la sortie du premier mélangeur.   Commenter la cohérence entre ce résultat et la simulation.     4.3. Mesure budget du récepteur   4.3.1. Mesure du gain petit signal   Ouvrir le fichier BudAC_receiver.dsn   L’analyse budget stocke l’ensemble des tensions edt es courants à tous les accès de chacun des éléments du récepteur. Pour que ces résultats soient ordonnés dans le sens de progression du signal, modifier les « tags » de chacun des éléments afin qu’ils respectent l’ordre alphabétique (A_BPFx, B_AMPy, etc …)   Observer le paramètrage du contrôleur de simulation AC et les équations de mesure permettant d’obtenir l’évolution du gain linéaire le long dea lchaîne, en extrayant l’information utile des résultats de mesure élémentaires. Le résultat de ces équations de mesure est exporté vers le dataset. C D h a r n i i s e ti l  a C n  o R u i ri p v o a ll u   d  F P i r c o h j i e e t  r :     E st t c u a d s e .   z d a e p     cas ADS.doc    page 9

ST4-CAS   Observer le résultat des 2 équations de mesure dans un Data Display. Commentaires.    4.3.2. Evolution du facteur de bruit   Ouvrir le fichier BudNoise_receiver.dsn   L’objectif est ici de mesurer le facteur de bruit en déplaçant « manuellement » la charge 50 ohms de sortie. Il faut donc faire autant de simulations que d’éléments dans la chaîne et enregistrer le facteur de bruit obtenu à chaque étape. Cette opération est nécessaire pour garder constante l’impédance de charge, ce qui n’est pas le cas lo rds’une analyse budget classique.   Commenter le résultat obtenu et vérifier par le calcul le résultat théorique obtenu sur les 4 premiers étages.   4.3.3. Puissances incidentes et réfléchies   Ouvrir le fichier BudHBpwr_receiver.dsn   L’objectif est ici de mesurer les puissances incidentes et réfléchies à l’entrée de chaque élément de la chaîne. Les équations de mesure exportent directement le résultat vers le dataset.   Ouvrir le Data Display Hbpwrbudget qui contient les équations permettant d’extraire l’information utile. Observer la structure des tabelaux de données et la façon d’aller rechercher l’information.   Observer également le tableau des résultats et retrouver par le calcul les valeurs de puissances incidentes et réfléchies pour les 2 premiers étages. Vous pouvez utiliser le Data Display comme outil de calcul et d’affichage.   Que peut on dire du return loss déduit de la mesure de ces 2 puissances ? Comparez le à la valeur de son coefficient de réflexion propre.     4.3.4. Compression du gain   Ouvrir le fichier BudHBgain_receiver    ADS évalue la compression du gain avec 2 simulations faites à deux niveaux de puissance : ·   le premier est supposé faire fonctionner la chaîne en régime linéaire et doit être fixé par l’utilisateur Daniel Courivaud Christian Ripoll Projet : stcas.zap Fichier Etude de cas ADS.doc    page 10

ST4-CAS ·   le second est le niveau auquel on veut évaluer la compression. On prendra ici –60  .mBd   Observer la façon utilisée pour faire fonctionner cette simulation et en particulier le sweep en puissance et l’équation de mesure dont vous détailelrez les paramètres.   Ouvrir le Data Display Hbgainbudget qui contient les équations permettant d’extraire l’information utile. Observer la structure des tabelaux de données et la façon d’aller rechercher l’information.   Commenter les différents résultats obtenus.         5. LE TRANSMETTEUR   Dans la partie émission, les signaux multiplexés autour de 140 MHz doivent être transposés à fréquence haute (dans la bande 6400 - 6750 MHz) pour pouvoir être transmis. Le schéma de principe est celui d'une simple transposition suivie d'un étage de puissance filtré.   Ouvrir le fichier HB_transmitter.dsn    La fréquence de l'oscillateur local doit être paramétrée en fonction du numéro de canal choisi (de 1 à 16). Décrire cette relation avec une équation dans la variable « lotx". Par la suite, on s'impose de travailler dans le canal 7.   Préciser le rôle des deux filtres de Butterworth en paramétrant leurs caractéristiques (on choisira un ordre 5 pour les filtres plutôt que les deux paramètres caractéristiques des performances hors bande passante). Observer les paramètres du contrôleur de simulation et lancer l’analyse. Tracer le spectre de sortie sur un graphe cartésien et vérifier le fonctionnement correct de la transposition   6.  LE DUPLEXEUR    Sur un même canal, on est amené à faire passer deux trains numériques de débits différents (32 Mbits/s pour la voie de données et 2Mbits/s pour la voie de service). Il faut donc multiplexer en fréquence les deux signaux. Cette opération nécessite un duplexeur.   Le duplexeur est composé de deux filtres passe bande décalés en fréquence. En fonction du débit binaire de chacune des voies, du roll-off des filtres de Nyquist et du type de modulation utilisée, Daniel Courivaud Christian Ripoll Projet : stcas.zap Fichier Etude de cas ADS.doc    page 11