Les convertisseurs sigma-delta appliqués à la réception

Sami Hadiji

Description

© 2013 - Sami HADIJI - Ingénierie des systèmes électroniques - http://sami.hadiji.free.fr - [e-mail] - Les systèmes de radiocommunications intègrent de plus en plus d’applications (GSM, radio, TV, GPS, etc.) tout en fonctionnant sur plusieurs normes. Cette évolution impose le recours à la radio multistandard. - Le choix de l’architecture de réception multistandard doit assurer les critères de forte intégration, de minimisation du coût et de faible consommation de puissance tout en respectant les spécifications des standards. - Afin d’appliquer un tel concept, il est nécessaire de pouvoir numériser les signaux le plus près possible de l’antenne. Le convertisseur analogique numérique doit être rapide, de large bande et à grande dynamique d’entrée. - Pour répondre à ces exigences, nous proposons l’application d’un CAN ∑Δ à base de décomposition fréquentielle FBD passe bande pour une architecture de réception Low-IF. -
Nous étudierons le choix de l’architecture de réception et du convertisseur numérique analogique, nous expliquerons les avantages de ces choix par rapport aux enjeux techniques de la réception multistandard. - Pour conclure, nous ferons le bilan de ce travail et nous nous projetterons sur les perspectives de cette application pour la réception radio.

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• Publié par: sami.hadiji
• Publié le: 26 décembre 2014
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Extrait

Les convertisseurs sigma-delta

appliqués à la réception

© 2013 - Sami HADIJI

Ingénierie des systèmes électroniques

http://sami.hadiji.free.fr [e-mail]

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Résumé

Les systèmes de radiocommunications intègrent de plus en plus d’applications (GSM, radio, TV, GPS, etc.) tout en fonctionnant sur plusieurs normes. Cette évolution impose le recours à la radio multistandard. Le choix de l’architecture de réception multistandard doit assurer les critères de forte intégration, de minimisation du coût et de faible consommation de puissance tout en respectant les spécifications des standards. Afin d’appliquer un tel concept, il est nécessaire de pouvoir numériser les signaux le plus près possible de l’antenne. Le convertisseur analogique numérique doit être rapide, de large bande et à grande dynamique d’entrée. Pour répondre à ces exigences, nous proposons l’application d’un CAN ∑Δ à base de décomposition fréquentielle FBD passe bande pour une architecture de réception Low-IF. Nous étudierons le choix de l’architecture de réception et du convertisseur numérique analogique, nous expliquerons les avantages de ces choix par rapport aux enjeux techniques de la réception multistandard. Pour conclure, nous ferons le bilan de ce travail et nous nous projetterons sur les perspectives de cette application pour la réception radio.

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Table des matières I LARECEPTIONRADIO : DU CLASSIQUE AU MULTISTANDARD ............................................................. 6 I.1 C ONTEXTE ...................................................................................................................................... 6 I.2 C ARACTERISTIQUES D ’ UN RECEPTEUR ............................................................................................ 7 I.3 L’ APPROCHE MULTISTANDARD ....................................................................................................... 8 II LARECEPTIONMULTISTANDARD................................................................................................ 9 II.1 C HOIX DE L ’ ARCHITECTURE DE RECEPTION ................................................................................ 9 II.1.1 Architecture homodyne ou zéro IF.............................................................................. 9 II.1.2 Architecture hétérodyne ............................................................................................ 10 II.1.3 Architecture Low-IF.................................................................................................. 11 II.1.4 Pourquoi l’architecture Low-IF ? .............................................................................. 12 II.2 C HOIX DU CONVERTISSEUR ANALOGIQUE NUMERIQUE ............................................................. 13 II.2.1 CAN À RAMPE .......................................................................................................................... 13 II.2.2 CAN À APPROXIMATIONS SUCCESSIVES ................................................................................... 14 II.2.3 CAN FLASH .............................................................................................................................. 15 II.2.4 CAN SIGMA - DELTA .................................................................................................................. 16 II.2.5 P OURQUOI LE CAN SIGMA - DELTA ?......................................................................................... 18 III A PPLICATION DE LA CONVERSION ∑Δ A LA RECEPTION MULTISTANDARD .............................................. 19 III.1 C HOIX DE L ’ ARCHITECTURE DU CAN∑∆................................................................................ 20 III.1.1 A RCHITECTURE A ENTRELACEMENT TEMPOREL TI∑∆......................................................... 20 III.1.2 A RCHITECTURE A BASE DE MODULATION DE H ADAMARD II∑∆.......................................... 20 III.1.3 A RCHITECTURE A BASE DE DECOMPOSITION FREQUENTIELLE 22FBD ..................................... III.1.4 P OURQUOI L ’ ARCHITECTURE A BASE DE DECOMPOSITION FREQUENTIELLE .............. 23FBD ? III.2 O PTIMISATION DE LA BANDE DE CONVERSION .......................................................................... 24 III.3 R ECONSTITUTION NUMERIQUE DU SIGNAL ............................................................................... 25 IV C ONCLUSION ET PERSPECTIVES ............................................................................................................ 26 Bibliographie ....................................................................................................................... 27 ANNEXES .......................................................................................................................... 28

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AM CAN CDMA DSP EFBD FBD FM GFSK GMSK GPRS GPS GSM IF II∑Δ LNA LSB MSB OFDM II∑Δ QAM QPSK RF SNR SR TI∑Δ UMTS WIMAX WIFI

GLOSSAIRE

Amplitude Modulation Convertisseur Analogique-Numérique Code Division Multiple Access Digital Signal Processors Extended Frequency Band Decomposition Frequency Band Decomposition Frequency Modulation Gaussian Frequency Shift Keying Gaussian Minimum Shift Keying General Packet Radio Service Global Positioning System Global System for Mobile Communications Intermediate Frequency Architecture à base de modulation de Hadamard Low Noise Amplifier Less Significant Bit Most Significant Bit Orthogonal Frequency Division Multiplexing Parallel Sigma Delta Quadrature Amplitude Modulator Quadrature Phase-Shift Keying Radio Frequency Signal to Noise Ratio Software Radio Architecture à entrelacement temporel Universal Mobile Telecommunications System Worldwide Interoperability for Microwave Access Wireless FIdelity

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I

LA RECEPTION RADIO : du classique au multistandard

I.1Contexte Le marché des télécommunications offre de nos jours de plus en plus de services et de fonctionnalités nécessitant le recours à des normes de réception variées. Les architectures de réception classiques manquent de flexibilité pour l’adaptation à de nouveaux services ou de nouvelles normes. En effet, chaque norme impose des caractéristiques techniques (largeur de bande, type de démodulation, etc.) Le [tableau 1] nous donne une idée sur les caractéristiques des principaux standards de télécommunications. Standard GSM UMTS Bluetooth WiMAX Bande montante (MHz) 890-915 1920-1980 2400-2483,5 3400-3700 Bande descendante (MHz) 935-960 2110-2170 2400-2483.5 3400-3700 Largeur du canal (MHz) 0,2 3.84 1 1,5-20 OFDM BPSK Type de modulation GMSK QPSK CDMA GFSK QPSK MQAM Tableau 1 : Principaux standards de communication GSM :Global System for Mobile Communications : norme de téléphonie mobile de seconde génération (2G) UMTS :Universal Mobile Telecommunications System : norme de téléphonie de troisième génération (3G) WiMAX :Worldwide Interoperability for Microwave Access : le plus récent des standards, 4ème génération (4G) Bande montante :plage des fréquences d’émission. Bande descendante :plage des fréquences de réception. Largeur du canal:La bande est découpée en sous bandes, ces sous bandes constituent les canaux. Chaque canal est réservé à un seul utilisateur, sauf dans le cas de la modulation CDMA qui permet à plusieurs utilisateurs d’employer le même canal. Type de modulation :qui permet d’adapter un signal à un canal deLa modulation est une opération de traitement communication. Le premier type de modulation apparu est la modulation analogique AM (Amplitude Modulation), puis FM (Frequency Modulation). Avec le développement des technologies intégrées sur silicium, la modulation analogique a rapidement été remplacée par des modulations de type numérique. Le traitement numérique permet une plus grande précision, le développement de codes correcteurs d’erreurs et une plus grande simplicité de réalisation. Au nombre des modulations numériques, on compte aujourd’hui le CDMA, le QPSK, etc [3]. La multitude de ces normes impose un élargissement des bandes passantes de transmission et conduit à la nécessité de concevoir des récepteurs qui soient multistandard.

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I.2

Caractéristiques d’un récepteur

Un récepteur radio doit être capable de :

· · ·

Sélectionner, parmi les nombreux signaux captés par l’antenne, le signal utile Amplifier ce signal afin de permettre son traitement Démoduler le signal afin de récupérer une copie fidèle du signal original appelé signal modulant.

Les caractéristiques principales d’un récepteur sont :

Sensibilité :La sensibilité d'un récepteur définit sa capacité à recevoir des signaux d’émetteurs faibles ou lointains.

Sélectivité : La sélectivité d'un récepteur décrit son aptitude à séparer le signal désiré de signaux perturbateurs à des fréquences voisines.

Stabilité : Cette caractéristique indique comment l'accord du récepteur se comporte quand la température ambiante ou la tension d'alimentation changent. La stabilité du récepteur est souvent déterminée par la stabilité en fréquence de l'oscillateur local. La stabilité s'exprime en Hz/°C ou en Hz/V.

Dynamique :La dynamique du récepteur est le rapport entre le plus haut niveau du signal toléré à l'entrée et le niveau du signal exploitable le plus faible. Elle s'exprime en dB

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I.3L’approche multistandard L’objectif est d’avoir un récepteur capable de traiter une multitude de signaux de radiocommunication. Le concept repose sur la programmation logicielle des fonctionnalités de base de l’interface de radiocommunication. Cette programmation doit définir : la fréquence porteuse, la largeur de bande du canal de radiocommunication, le type de modulation et de codage, etc. [figure 1]

Figure 1 :Concept de base d’un récepteur multistandard Cette architecture possède une unité de commande permettant d’agir simultanément sur le choix du type de filtrage RF, sur la fréquence de l’oscillateur local et sur la largeur de la bande du filtre IF afin d’assurer un fonctionnement multistandard [2].

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IILA RECEPTION MULTISTANDARD

II.1Choix de l’architecture de réception Le signal reçu par l’antenne doit être transposé en bande de base afin de pouvoir être traité numériquement. On distingue trois principaux types d’architectures permettant cette transposition : le récepteur homodyne, hétérodyne et low-IF

II.1.1Architecture homodyne ou zéro IF

Le récepteur homodyne ou Zero-IF [2] réalise une transposition directe du signal RF en bande de base en utilisant un bloc IQ composé de deux mélangeurs montés en quadrature [A8]. Le signal issu de l‘antenne de réception est filtré par un filtre RF passe-bande et amplifié par un amplificateur faible bruit LNA. Ensuite, le signal RF est translaté en bande de base à l‘aide d’un bloc IQ. Les signaux en bande de base I (In phase) et Q (Quadrature) sont par la suite numérisés par deux CAN [figure 2].

Figure 2 : Architecture d’un récepteur homodyne Les avantages : –Pas de fréquence image[A9]: L’oscillateur local et le signal utile ont la même fréquence. Après la démodulation en quadrature [A8], le problème de la fréquence image n’existe pas. En conséquence, le filtre supprimant la fréquence image n’est pas nécessaire. –Réalisation facile: Peu de composants donc structure facile à réaliser et à intégrer. –Faible consommation électrique 9

Les inconvénients : –Le décalage en tension(DC offset)[A11]: Des fuites entre l’oscillateur local et le LNA produisent une composante continue (DC-offset) relativement importante qui peut saturer les étages suivants. –Le déséquilibre IQ: cette source d’erreur provient d’un appariement imprécis entre les voies I et Q. En effet, les deux signaux de démodulation n’ont pas la même amplitude et le déphasage entre eux n’est pas exactement π/2. Cette erreur se traduit souvent par une dégradation de la qualité du signal reçu. –Le bruit de scintillement[A10] : il », ce bruitest aussi nommé « bruit en 1/f prédominant en basses fréquences est caractérisé par un spectre dont l’amplitude des raies évolue en 1/f [2].

II.1.2Architecture hétérodyne

Figure 3 : Architecture d’un récepteur hétérodyne.

Le principe de fonctionnement consiste en une transposition de la bande de réception autour d‘une fréquence intermédiaire fixe par une multiplication du signal RF avec le signal issu d‘un oscillateur local [figure 3]. Les avantages : –Performant: Bonnes performances en termes de sélectivité et de sensibilité –Bonne qualité de réception: Pas de défaut de déséquilibre IQ donc bonne qualité de réception. –Pas de DC offset[A11] :Les fuites de l’oscillateur local vers l’antenne sont négligeables donc on a moins d‘influence des composantes DC parasites.

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Les inconvénients : –Fréquence image[A9] :Des filtres de rejection de la fréquence image sont nécessaires. –Consomme plus :Les filtres passe-bande externes exigés pour la réjection d'image et la sélection du canal utile augmentent la consommation de puissance ainsi que la taille du récepteur [2].

II.1.3Architecture Low-IF

Le principe de l’architecture Low-IF est de combiner les avantages des récepteurs hétérodynes et homodynes. De la même manière que pour la transposition directe, le principe de fonctionnement de ce récepteur consiste à ramener le signal directement en bande de base. Sauf que la transposition du signal se fait autour d’une fréquence intermédiaire très faible. [figure 4] La transposition du signal RF autour d’une fréquence intermédiaire faible permet d’éviter le problème du DC-offset et du bruit en (1/f)liés au récepteur homodyne sans pour autant revenir aux inconvénients d’intégrabilité du récepteur hétérodyne [3].

Figure 4 : Architecture d’un récepteur Low-IF.

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