Systèmes de numérisation hautes performances à base de modulateurs sigma delta passe-bande
Résumé
Mobile Communication systems tend to integrate more and more applications (GSM, radio, TV, GPS, etc.) and different standards (GSM, UMTS, WIMAX,..). This evolution requires a flexible receiver able, with a single channel, to deal with each different standard and application. The principle of such a receiver is based on the concept of the Software Radio. The basic idea of the software radio is to integrate the analog-to-digital converter in the channel receiver directly after the antenna. This allows the receiver to adapt itself to different standards by reprogramming the functionality of all digital components in the channel receiver. However, the current standard communications require high flow, so the useful signal frequency bands must be extended (up to several hundred megahertz). Therefor, the A/D bandwidth must be expanded. One way to meet these requirements is the use of analog-to-digital converters based on parallel sigma-delta modulators. Three architectures were proposed on the state of the art based on this principle : Time Interleaved Sigma-Delta, Parallel Sigma-Delta based on Hadamard modulation and Frequency Band Decomposition (FBD). These architectures convert the entire frequency band. However, for multistandard applications, a useful signal has a limited bandwidth and thus the conversion of the entire frequency band is not optimal. This thesis proposes a new architecture for bandpass A/D converter using parallel band pass sigma-delta modulator based on the principle of the frequency band decomposition. We have used continuous time modulators to reach the high operating frequency. Moreover, a digital reconstruction system was proposed to reconstruct the digital input signal using all modulators output. Technological dispersions on analog components decrease considerably the expected resolution of the converter. Actually, they shift resonator central frequencies of the modulator from their nominal value. This leads to mismatch the digital reconstruction system already calibrated to work with nominal values. In order to overcome this problem, the idea is to extend the usual FBD architecture by adding two additional modulators (EFBD Extended Frequency Band Decomposition). The EFBD architecture allows a 5% relative error on central frequencies without a large degradation of the resolution. Moreover, three calibration algorithms were developed to achieve the expected resolution and correct mistakes on the amplitude and the phase with the new configuration (EFBD) Finally, the digital reconstruction system was implemented in 0.12 µm CMOS technology in order to evaluate their performances in term of area and maximum operating frequency.
Les systèmes de communications numériques mobiles tendent à intégrer de plus en plus d'applications (GSM, radio, TV, GPS, etc.) tout en fonctionnant sur plusieurs normes. Cette évolution implique une reconfigurabilité en ligne des récepteurs à l'aide d'une programmation logicielle justifiant le terme de radio-logicielle. Par ailleurs, les normes de communication actuelles exigent des débits élevés. Les bandes de fréquence nécessaires sont donc étendues (jusqu'à plusieurs centaines de mégahertz). Ainsi, les systèmes de réception doivent être à très large bande. La reconfigurabilité logicielle implique la numérisation des signaux au plus près de l'antenne, les hauts débits imposent une large bande passante. Une solution pour répondre à ces exigences est l'utilisation de convertisseurs analogique-numérique à base de modulateurs sigma-delta en parallèle. Parmi les architectures possibles, on compte : l'architecture à entrelacement temporel, l'architecture à base de modulation de Hadamard et l'architecture à décomposition fréquentielle. Ces architectures sont susceptibles de traiter toute la bande de fréquences possible. Cependant, pour une norme donnée, le bon fonctionnement du récepteur ne nécessite pas la conversion de la bande totale à la résolution maximale. La largeur de bande pourra être adaptée au signal à convertir. Au cours de ce travail de thèse, nous avons proposé une nouvelle architecture de numérisation large bande constituée de modulateurs sigma-delta en parallèle, fonctionnant sur le principe de la décomposition fréquentielle FBD (Frequency Band Decomposition). Les modulateurs sont de type passe-bande à temps continu afin de permettre le fonctionnement à des fréquences élevées. Pour la partie numérique, nous avons développé un système de reconstruction du signal numérique adapté à la sortie des différents modulateurs. L'incertitude due aux dispersions technologiques dans la réalisation de circuits analogiques est l'une des causes de la dégradation de la précision des modulateurs sigma-delta à temps continu. Afin d'adapter l'architecture aux imperfections de la partie analogique, nous proposons une modification de cette architecture en ajoutant deux modulateurs supplémentaires (EFBD Extended Frequency Band Decomposition). Grâce à cette architecture à bande étendue, combinée à des algorithmes de calibration, nous corrigeons les erreurs sur le module et la phase introduites par les dispersions analogiques. Finalement, nous avons implanté le traitement numérique dans une technologie CMOS 0.12 µm afin d'évaluer la surface nécessaire pour le traitement numérique. Cette étude théorique a permis de proposer des solutions nouvelles de conversion large bande et de les valider en vue d'une implémentation future sous forme intégrée.
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