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EI3 UE Conception de circuits hautes fréquences Conception de circuits hautes fréquences : MMIC Catherine ALGANI PLAN I. Introduction : Système d’émission-réception 1 II. Circuits actifs linéaires : amplificateurs petit signal 17 III. Circuits de polarisation 37 IV. Circuits actifs non-linéaires 41 V. Circuits passifs 57 VI. Composants passifs 71 VII. Technologies des circuits intégrés 83 VIII. CAO de circuits MMIC 95 IX. Tests et Mesures 101 Bibliographie 105

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EI3 UE Conception de circuits hautes

fréquences

Conception de circuits hautes fréquences :

MMIC

Catherine ALGANI

PLAN

I. Introduction : Système d’émission-réception 1

II. Circuits actifs linéaires : amplificateurs petit signal 17

III. Circuits de polarisation 37

IV. Circuits actifs non-linéaires 41

V. Circuits passifs 57

VI. Composants passifs 71

VII. Technologies des circuits intégrés 83

VIII. CAO de circuits MMIC 95

IX. Tests et Mesures 101

Bibliographie 105

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INTRODUCTION : SYSTEMES EMISSION-RECEPTION _ C.Algani 1

I. INTRODUCTION : SYSTEMES D’EMISSION-RECEPTION

Différents circuits analogiques fonctionnant dans le domaine des fréquences très élevées sont utilisés dans les systèmes de transmission de données numériques sans fil pour des applications civiles ou militaires. Ils font partie intégrante de ces systèmes et permettent de transmettre l’information à traiter. D’une manière générale, les systèmes de télécommunications numériques, ou analogiques, présentent la topologie représentée sur la figure 1.

Figure 1 : Topologie d’un système d’émission-réception sans fil.

Ces systèmes sont composés d’une partie émission, d’une partie réception et d’un canal de transmission. Le canal de transmission peut contenir différents supports, comme par exemple une propagation de signal en espace libre, une fibre optique, un câble coaxial, etc. Les chaînes d’émission et de réception peuvent être plus ou moins complexes selon le système et l’application envisagée, comme par exemple l’utilisation d’un double mélange pour passer à la fréquence RF. De même, en téléphonie mobile, l’émetteur et le récepteur sont intégrés dans le portable pour constituer le transceiver. La figure 2 présente la topologie générale d’un téléphone portable fonctionnant dans la bande de fréquences GSM900.

L’émergence des télécommunications sans fil par modulation numérique permet de transmettre une grande quantité d’information dans une bande de fréquences réduite par rapport à une modulation analogique, et permet également de réduire le bruit rajouté et donc de minimiser la détérioration du signal numérique : le taux d’erreur est ainsi réduit. Le type de modulation numérique utilisé permet soit de réduire la bande de fréquences utile du signal, soit de réduire le Taux d’Erreur Binaire (T.E.B). L’augmentation de la fréquence porteuse (au delà du GHz) permet de concevoir des systèmes électroniques réduits en dimensions et des bandes passantes autorisées plus larges, entraînant un débit plus rapide. Néanmoins, plus la fréquence est élevée, plus la distance de propagation de l’onde dans l’atmosphère est faible, limitant ainsi certaines applications à des fréquences radio et non microondes (au delà du GHz) et augmentant le nombre de répéteurs.

DATAModu-lator

Mixer up

OL

RFIF

PA Antenne mobile

DATADemo-dulator

OL

RF IF

LNAAntenne de base

Mixer down

Baseband

IF Ampli

RFFilter

RFFilter

CHAI NE EM I SSI ON

CHAI NE RECEPTI ON

CANAL DE TRANSM I SSI ON

Baseband

INTRODUCTION : SYSTEMES EMISSION-RECEPTION _ C.Algani 2

En effet, la formule de Friis, qui donne le rapport de la puissance reçue PR sur la puissance émise PT, est fonction des gains des antennes d’émission GT et de réception GR et est inversement proportionnelle au produit fréquence-distance entre antennes au carré, montrant ainsi une atténuation plus forte du signal en propagation en espace libre lorsque la distance et la fréquence augmentent et pour des antennes à gain constant (Equ. (1)).

Figure 2 : Topologie d’un transceiver de type GSM900.

( )2R

R T 2T

P cG .G .P 4 .f .d

(1)

De plus, à très hautes fréquences, au delà de 2 GHz, des technologies plus sophistiquées que du silicium doivent être utilisées pour un bon fonctionnement des circuits et des technologies très sophistiquées et donc onéreuses sont incontournables au delà de 20 GHz.

Nous citons par la suite les principales applications en télécommunications civiles en fonction des fréquences de fonctionnement. Il faut savoir que le spectre des ondes radio est régi par une autorité compétente dans le domaine et des normes spécifiques d’émission sont imposées par cette autorité. Trois organismes, régissant ces normes d’émission-réception, existent dans le monde, partageant la surface planétaire en trois régions : région 1 : l’europe, l’afrique et le moyen-orient; région 2 : l’amérique; région 3 : l’asie et l’océanie. Les normes peuvent donc être différentes selon la région et chaque pays membre peut définir des normes spécifiques à l’intérieur de ses frontiéres. Ceci est à prendre en compte lors de la réalisation d’un système de transmission de données sans fil visant un marché national ou mondial.

On peut définir 4 réseaux sans fil principaux selon la zone de couverture :

• réseaux sans fils personnels WPAN - Wireless Personal Area Networks : Technologies Bluetooth, Infrarouges, ZigBee

• réseaux sans fils locaux WLAN – Wireless Local Area Networks : Technologies WiFi, Hyperlan

DATA

Modu-lator

Mixer up

800-950 MHZOL

PLL

RF=890-915 MHz

IF=70 MHz

PA

Antenne mobile

DATA

Demo-dulator

RF=935-960 MHz

IF=70 MHz

LNA

Mixer down

Baseband

RFFilter

RFFilter

CH

AIN

E E

MIS

SIO

N

CH

AIN

E R

EC

EP

TIO

N

Baseband

Duplexer

Filter865-890 MHz

Filter820-845 MHz

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INTRODUCTION : SYSTEMES EMISSION-RECEPTION _ C.Algani 3

• réseaux sans fils métropolitains WMAN – Wireless Metropolitain Area Networks : Technologie BLR (Boucle Local Radio), WiMax

• réseaux sans fils nationaux WWAN – Wireless Wide Area Networks : Technologie GSM, GPRS, UMTS (3G)

Figure 3 : Réseaux sans fil.

1) Radiotéléphonie mobile : GSM 900 MHz et 1800 MHz ; DECT 1900 MHz et radiotéléphone mondial UMTS : entre 1800 et 2200 MHz.

DECT : Digital Enhanced Cordless Telephone (anciennement Digital European Cordless Telephone), est une norme de téléphonie sans-fil numérique destinée aux particuliers comme aux entreprises sur la gamme de fréquence 1880 à 1900 MHz (10 canaux).

Radiotéléphone Cellulaire

GSM (Global System for Mobility, et anciennement Groupe Spécial Mobile) : 900 et 1800MHz partout dans le monde sauf aux Etats-Unis (850 et 1900MHz)

Les spécifications IMT-2000 (International Mobile Telecommunications for the year 2000) de l'Union Internationale des Communications (UIT), définissent les caractéristiques de la 3G (troisième génération de téléphonie mobile). Ces caractéristiques sont notamment les suivantes :

• un haut débit de transmission : o 144 Kbps avec une couverture totale pour une utilisation mobile, o 384 Kbps avec une couverture moyenne pour une utilisation piétonne, o 2 Mbps avec une zone de couverture réduite pour une utilisation fixe. compatibilité mondiale,

• compatibilité des services mobiles de 3ème génération avec les réseaux de seconde génération.

La 3G propose d'atteindre des débits supérieurs à 144 kbit/s, ouvrant ainsi la porte à des usages multimédias tels que la transmission de vidéo, la visio-conférence ou l'accès à Internet haut débit. Les réseaux 3G utilisent des bandes de fréquences différentes des réseaux précédents : 1885-2025 MHz et 2110-2200 MHz.

(WLAN)

INTRODUCTION : SYSTEMES EMISSION-RECEPTION _ C.Algani 4

La principale norme 3G utilisée en Europe s'appelle UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), utilisant un codage W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access). La technologie UMTS utilise la bande de fréquence de 5 MHz pour le transfert de la voix et de données avec des débits pouvant aller de 384 kbps à 2 Mbps. La technologie HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) est un protocole de téléphonie mobile de troisième génération baptisé « 3.5G » permettant d'atteindre des débits de l'ordre de 8 à 10 Mbits/s. La technologie HSDPA utilise la bande de fréquence 5 GHz et utilise le codage W-CDMA.

2) Système de localisation : GPS (1.5 GHz)

28 satellites qui émettent 2 fréquences L1 (1575.42 MHz) et L2 (1227.6 MHz). Avant 2000, précision de 100m, après 2000, précision de 1 à 10m. La précision peut atteindre le cm, voire le mm pour des applications en sismologie et vulcanologie, dans ce cas, plusieurs récepteurs sont utilisés et la coordonnée est calculée par différenciation (DGPS).

3) Télécommunications courtes distances (RFID) : entre une balise fixe et un objet mobile de type badge : péage autoroutier (5.8 GHz), ouverture des portières automobiles, des parkings, péages d’accès aux grandes villes, gestion des wagons et des containers (2.45 GHz), Ticket de métro main libre ou pass Navigo (13.56 MHz).

Les tags RFID correspondent à un couple puce électronique / antenne, apposé sur un produit - ou un conteneur.

L’antenne, accordée sur une fréquence particulière, capte le signal électromagnétique émis par le lecteur. Dans le cas de tags « passifs », le signal, qui doit avoir une certaine puissance, crée un courant par induction qui alimente la puce. Les tags «actifs » ou «semi-actifs » possèdent une batterie; dans ce cas, le signal peut être de moindre puissance et capté sur une plus grande distance.

A la réception du signal, la puce émet les informations qu’elle renferme. Certains tags incluent une mémoire complémentaire également capable d’accepter des ordres d’écriture.

RFID UWB (Europe) : 3,4-4,8 GHz et de 6-8,5 GHz L'UWB est une technologie sans fil à l'origine destinée à transmettre des données sur de petites distances. À la différence des signaux RFID HF et UHF, qui opèrent sur une bande de fréquences

Standard Génération Bande de fréquence Débit Max

analogique 1G Premier téléphone sans fil, voix uniquement

GSM 2G Permet le transfert de voix ou de données numériques de faible volume. 9,6 kpbs 9,6

kpbs

GPRS 2.5G Permet le transfert de voix ou de données numériques de volume modéré.

21,4-171,2 kpbs

48 kpbs

EDGE 2.75G Permet le transfert simultané de voix et de données numériques.

43,2-345,6 kbps

171 kbps

UMTS 3G Permet le transfert simultané de voix et de données numériques à haut débit.

0.144-2 Mbps

384 Kbps

HSPDA 3.5G ou

3G+ 6 fois plus rapide que UMTS 3.6Mbps

Non commercialisé

4G Combiné à WiMax pour accès Internet 100Mbps

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INTRODUCTION : SYSTEMES EMISSION-RECEPTION _ C.Algani 5

très étroite, les appareils UWB transmettent sur un spectre plus large pour une faible consommation d'énergie, ce qui peut poser certains problèmes d'interférences avec d'autres technologies.

LF < 135 kHz

HF 13.56 MHz

UHF 863 à 915 MHz

SHF 2.45 GHz, 5.8GHz

Produits disponibles

Read-only et read/write

Read-only et read/write Read-only et read/write

Read-only et read/write, télé-alimenté et batterie assisté

Transfert de données

< 1kbits/s (~200bits/s)

25 kbits/s à 100 kbits/s 28 kbits/s < à 100 kbits/s à 1 Mbits/s

Distance de lecture

0.5 m à ~ 2 m ~ 1 m ~ 1 m (433 MHz ~ 10 m)

passifs ~ 10 cm actifs ~ 10 m

Applications Process de fabrication Identification de véhicules, container et animale Contrôle d'accès

Suivi de flotte de véhicules Bagages Librairie Service de location Laveries automatiques Logistique

Logistique Suivi de flotte de véhicules

Automatisation d'entreprises Contrôle d'accès Logistique militaire Péage automatique

4) TV numérique par satellite : 10.9 à 12.75 GHz.

Elle fonctionne dans la bande de fréquences de 10,9 à 12,75 GHz, la bande Ku. Les signaux sont amplifiés et leur fréquences abaissées de l'ordre de 10 x, via des OL à 9.750 et 10.6 GHz, dans la bande allant de 950 à 2150 MHz, afin d'être traités par le récepteur, terminal DVB-S ou démodulateur à tuner normalisé. L’antenne intègre le LNB (Low-Noise Block) qui permet de convertir le signal en bande IF.

5) Communications de données à l’intérieur d’un bâtiment, sans gêner l’immeuble voisin (60 GHz).

Bande 57-64 GHz : très large bande, distances très faibles liées à l’atténuation plus forte des signaux dans l’air

Figure 4 : transmission d’ondes électromagnétiques dans l’air.

INTRODUCTION : SYSTEMES EMISSION-RECEPTION _ C.Algani 6

6) Applications spatiales : satellites, radiodiffusion d’images (en millimétrique).

401-403 Mhz : Météorologie et exploration de la terre 50 à 60GHz : détecteurs passifs 410-417MHz : détecteurs actifs spatiaux 92-95GHz : radars de nuages 400,15-406 MHz et 1 668,4-1 700 MHz : Météorologie

7) Navigation aérienne : radar de surveillance, radioaltimétrie.

Une multitude de bandes allant de quelques MHz à la dizaine de GHz.

8) Bandes ISM (Industrial Scientific and Medical) : bandes de fréquences en accès libre pour des applications de transmission de données dans le monde de l’industrie.

En Europe, ces fréquences sont les suivantes : 433 MHz (ouverture de portes, portail…), 870 MHz, 2.45 GHz, 5.8 GHz, 24 GHz, 61 GHz, 122 GHz, 244 GHz. On retrouve les fréquences utilisées dans le cadre de la RFID.

Il faut noter que dans la région 2 la bande 870 MHz n’existe pas car elle appartient à la bande attribuée pour le téléphone mobile, la bande 920 MHz la remplace donc et coïncide avec la bande attribuée à notre système GSM…

Les capteurs de pression des pneus embarquent un émetteur radio à la norme ISM (Industrial, Scientifical and Medical) pour les communications de machine à machine sur la fréquence 433.92 Mhz. Associés au récepteur par un code d’identification unique sur le même principe que les périphériques Bluetooth, les capteurs transmettent en continue la pression des pneus.

9) Applications WLAN (Wireless Local Area Network) : 2.4GHz et 5 GHz : Communications WiFi : normes IEEE 802.11a (5.8 GHz) et b et g (2.45 GHz), Bluetooth (2.45 GHz).

D’autres bandes sont à l’étude (17.1GHz), et plus la fréquence est élevée, plus le débit est rapide.

Bande 2.4GHz : 2.4 à 2.45GHz

Bande 5GHz : 5.15-5.35GHz et 5.47-5.725GHz (Hyperlan)

Normes 802.11a 802.11b 802.11g 802.11n (2008)

Fréquences 5 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz et 5GHz

Débit théorique (débit réel)

54Mbits/s (30Mbits/s)

11Mbits/s (6Mbits/s)

54Mbits/s (26Mbits/s)

540Mbits/s (100Mbits/s)

Portée 10m 300m 100m 90m

Nombre canaux 52 13 de 22MHz large

Puissance 100mW

Citons enfin quelques bandes de communications attribuées au domaine militaire : 8, 13, 15, 18, 23, 28, 38 et 94 GHz.

10) Applications WPAN : WUSB, Bluetooth, Zigbee

Le réseau personnel sans fil (appelé également réseau individuel sans fil ou réseau domestique sans fil et noté WPAN pour Wireless Personal Area Network) concerne les réseaux sans fil d'une faible portée : de l'ordre de quelques dizaines mètres. Ce type de réseau sert généralement à relier des périphériques (imprimante, souris et les appareils CVAC, thermostat ou bien à permettre la liaison sans fil entre deux machines très peu distantes.

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INTRODUCTION : SYSTEMES EMISSION-RECEPTION _ C.Algani 7

WUSB (Wireless USB) :

L'avantage de l'USB tient à son débit (480 Mbit/s dans la version 2.0), à sa capacité à reconnaître un périphérique lorsque l'utilisateur le branche alors que l'ordinateur est allumé Le WUSB reprend tous ces concepts mais introduit la notion de connexion sans fil par l'intermédiaire de l'UltraWideBand (3.1 à 10.6GHz), une technologie de communication sans fil à haut débit mais sur une courte portée. Il offre des débits comparables avec l'USB 2.0, de l'ordre de 400 Mbit/s, sur une distance de 3 mètres et jusqu'à 110 Mbit/s jusqu'à 10 mètres. Bluetooth :

Elle offre des débits très faibles en comparaison du WUSB (1 Mbit/s), mais une évolution de la norme pourrait porter ce chiffre à 100 Mbit/s. En revanche, sur une portée de 10 mètres, il consomme à peine 1 mW par appareil, contre 100 à 300 mW pour le WUSB. La technologie Bluetooth a été originairement mise au point par Ericsson en 1994. En février 1998 un groupe d'intérêt baptisé Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), réunissant plus de 2000 entreprises dont Agere, Ericsson, IBM, Intel, Microsoft, Motorola, Nokia et Toshiba, a été formé afin de produire les spécifications Bluetooth 1.0, qui furent publiées en juillet 1999.

ZigBee :

(IEEE 802.15.4) permet d'obtenir des liaisons sans fil à très bas prix et avec une très faible consommation d'énergie, ce qui la rend particulièrement adaptée pour être directement intégrée dans de petits appareils électroniques (appareils électroménagers, hifi, jouets, ...). ZigBee comme Bluetooth réside dans une puce électronique. Beaucoup moins connue que Bluetooth, ZigBee est une norme de transmission de données sans fil permettant la communication de machine à machine. Sa très faible consommation électrique et ses coûts de production très bas en font une candidate idéale pour la domotique ou les matériels de type capteur, télécommande ou équipement de contrôle dans le secteur industriel. Zigbee n'est pas issue de nulle part puisque c'est le prolongement de la norme HomeRF (Home Radio Frequency) qui a, depuis son lancement en 1998, été dépassée par le Wi-Fi.

11) Applications WMAN : WiMax

WiMAX est l'abréviation pour Worldwide Interoperability for Microwave Access. Il s'agit d'un standard de réseau sans fil métropolitain créé par les sociétés Intel et Alvarion en 2002 et ratifié par l'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineer) sous le nom IEEE-802.16. L'objectif du WiMAX est de fournir une connexion Internet à haut débit sur une zone de couverture de plusieurs kilomètres de rayon. Ainsi, dans la théorie, le WiMAX permet d'obtenir des débits montants et descendants de 70 Mbit/s avec une portée de 50 kilomètres. Le standard WiMAX possède l'avantage de permettre une connexion sans fil entre une station de base et des milliers d'abonnés sans nécessiter de ligne visuelle directe. Dans la réalité le WiMAX ne permet de franchir que de petits obstacles tels que des arbres ou une maison mais ne peut en aucun cas traverser les collines ou les immeubles. Le débit réel lors de la présence d'obstacles ne pourra ainsi excéder 20 Mbit/s.

Les révisions du standard IEEE 802.16 se déclinent en deux catégories :

WiMAX fixe, également appelé IEEE 802.16-2004, est prévu pour un usage fixe avec une antenne montée sur un toit, à la manière d'une antenne TV. Le WiMAX fixe opère dans les bandes de fréquence 2.5 GHz et 3.5 GHz, pour lesquelles une licence d'exploitation est nécessaire, ainsi que la bande libre des 5.8 GHz.

WiMAX mobile (en anglais WiMAX portable), également baptisé IEEE 802.16e, prévoit la possibilité de connecter des clients mobiles au réseau Internet. Le WiMAX mobile ouvre ainsi la voie à la téléphonie mobile sur IP ou plus largement à des services mobiles haut débit.

INTRODUCTION : SYSTEMES EMISSION-RECEPTION _ C.Algani 8

Standard Bande de fréquence Débit Portée

WiMAX fixe (802.16-2004) 2-11 GHz (3,5 GHz en Europe) 75 Mbits/s 10 km

WiMAX mobile (802.16e) 2-6 GHz 30 Mbits/s 3,5 km

Applications du WiMax

Un des usages possibles du WiMAX consiste à couvrir la zone dite du « dernier kilomètre », encore appelée boucle locale radio, c'est-à-dire fournir un accès à Internet haut débit aux zones non couvertes par les technologies filaires classiques (lignes xDSL telles que l'ADSL, Câble ou encore les lignes spécialisées T1, etc.).

Tous ces systèmes ont besoin de circuits et de composants de bonne qualité de manière à limiter la dégradation du signal transmis. Chaque circuit a une fonction bien particulière dans la chaîne d’émission-réception et doit être peu sensible à telle ou telle perturbation externe ou interne afin de faire fonctionner le système complet de manière correcte. Nous allons détailler par la suite la fonction de chaque circuit et énumérer les paramètres sensibles à prendre en compte pour la conception de chacune de ces fonctions. Pour cela, nous allons détailler plus spécifiquement le schéma fonctionnel d’un transceiver représenté sur la figure 2. Ce système comporte une partie émission et une partie réception, nous allons partir de la fréquence la plus basse à la fréquence la plus élevée en commençant par l’émission et en terminant par la réception.

MODULATEUR/DEMODULATEUR :

Les topologies de modulateurs varient en fonction du type de modulation utilisée. Les modulations analogiques sont peu à peu délaissées au détriment des modulations numériques car ces dernières sont bien plus robustes aux perturbations et occupent moins d’espace fréquentiel, permettant ainsi l’augmentation du nombre de canaux et des débits dans une bande de fréquences allouée. Diverses modulations numériques existent, reposant sur trois types principaux de modulation : la modulation d’amplitude dénommée ASK (Amplitude Shift Keying), la modulation de fréquence FSK (Frequency Shift Keying) et la modulation de phase PSK (Phase Shift Keying). Les déclinaisons sont donc multiples selon les débits nécessaires, la sensibilité minimisée à une variation de phase ou d’amplitude, etc. Ainsi, une modulation d’amplitude est sensible à des variations de gain alors qu’une modulation de phase est sensible à des variations de phase ou de fréquence.

Nous citons par la suite les modulations numériques les plus usuelles, certaines très complexes à réaliser, ne peuvent exister que grâce aux avancées technologiques des circuits intégrés.

● Modulations de phase :

BPSK : Binary Phase Shift Keying, 1 bit/symbol

8-PSK, 16-PSK : 3 bits/symbol et 4 bits/symbol Phase Shift Keying

QPSK ou 4-PSK : Quadrature ou 2 bits/symbol Phase Shift Keying avec des variantes comme OQPSK Offset Quadrature Phase Shift Keying, DQPSK Differential Quadrature Phase Shift Keying, π/4-DQPSK

● Modulations de fréquence :

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INTRODUCTION : SYSTEMES EMISSION-RECEPTION _ C.Algani 9

MSK ou FFSK : Minimum Shift Keying

4-FSK : 2 bits/symbol Frequency Shift Keying

GMSK : MSK avec un filtre Gaussien, utilisé dans le système GSM

GFSK : FSK avec un filtre Gaussien

Le modulateur permet de translater le signal utile en bande de base à une fréquence élevée IF, de l'ordre de la centaine de MHz , en général, avant de translater encore une fois ce signal à une fréquence RF ou microondes, permettant la propagation en espace libre. Nous allons décrire, ici, comment fonctionne un modulateur QPSK, représenté sur la figure 3.

Les données binaires du signal sont partagées, un bit sur deux, entre les voies I et Q. Comme ces données sont binaires, à savoir des suites de 0 et de 1, les passages de 0 à 1 et de 1 à 0 sont des fronts raides, correspondant à un spectre fréquentiel large. Afin de diminuer l'encombrement spectral, des filtres passe-bas en cosinus surélevé, adoucissent ces fronts et diminuent la largeur du spectre fréquentiel de ces données. Ces filtres sont calculés de manière à adoucir au maximum les fronts, sans dégrader l'information. Les signaux I(t) et Q(t) sont alors multipliés respectivement au signal issu d'un oscillateur local (OL) à la fréquence intermédiaire (IF) et à ce même signal déphasé de 90°, d'où leur appellation de In phase pour I(t) et Quadrature pour Q(t).

IF IFj t j t

IFe eI( t ). cos( t ) I( t ).

2ω − ω+⎡ ⎤ω = ⎢ ⎥⎣ ⎦

(2)

IF IFj t j t

IFe eQ(t). sin( t) Q(t).

2 jω − ω⎡ ⎤−ω = ⎢ ⎥⎣ ⎦

(3)

Figure 5 : Topologie d’un modulateur QPSK.

Ils sont ensuite sommés et ne peuvent interférer l'un avec l'autre, transportant ainsi deux signaux distincts. Un filtrage à la fréquence IF permet d'éliminer des signaux parasites éventuels et le signal s(t) (Equ. (6)) issu du modulateur peut être appliqué sur un émetteur RF. Ce signal s(t) est modulé en phase et en amplitude, car ces deux paramètres contiennent l'information dans I et Q.

( ) ( )[ ]IF IFj t j t1s(t ) I(t ) Q(t) . I(t ) jQ(t) e I(t ) jQ(t) e2

ω − ω= + = − + + (4)

( )( )

2 2 j

2 2 j 1

I( t) jQ(t) I Q .eQ

I(t) jQ(t) I Q .e où tanI

− ϕ

ϕ −

− = +⎛ ⎞+ = + ϕ = ⎜ ⎟⎝ ⎠

(5)

2 2IF IFs(t) I Q . cos( t ) A. cos( t )= + ω − ϕ = ω − ϕ (6)

NRZDATA

OL

90°

I

IF

FiltrePasse_bas

FiltrePasse-bas

FiltrePasse-bandeΣsérie

parallèle

Q Q(t)

I(t)

IF

Baseband

d(t)s(t)

cos(ωIFt)

sin(ωIFt)

INTRODUCTION : SYSTEMES EMISSION-RECEPTION _ C.Algani 10

Le signal de données est ainsi transposé sur un signal à haute fréquence, de l'ordre de la centaine de MHz. On voit ainsi l'influence qu'une variation d'amplitude ou de phase peut avoir comme conséquence sur le signal utile lorsqu'on va chercher à le reconstituer.

Le modulateur est un circuit numérique et analogique car il génère un signal à une fréquence élevée. Les signaux I(t) et Q(t) ont un spectre fréquentiel qui peut s'étendre du continu à 500 MHz pour des débits très élevés et les fréquences IF de modulation peuvent aller de la centaine de MHz (70 MHz) jusqu'à 3 GHz selon les applications. Lorsque les fréquences de modulations sont faibles, jusqu'à 200 MHz, les circuits sont fabriqués en technologie Silicium à base de cellule de Gilbert et CMOS pour diminuer la consommation. Lorsque les fréquences de modulations sont plus élevées, on utilise des composants actifs sur GaAs de type MESFET.

Lorsque les fréquences de modulation sont très faibles, on fait appel à deux mélanges pour aller jusqu'à la fréquence RF de transmission. Certains constructeurs proposent des systèmes à conversion directe, passant directement le signal utile en bande de base à la fréquence RF.

Le démodulateur fait l'inverse du modulateur (figure 4), il reçoit un signal r(t), en général parasité en module et phase, à cause du chemin qu'il a parcouru, et restitue les signaux I et Q. Le signal r(t) est multiplié par le signal généré par l'OL à la fréquence IF sur la voie I et par le signal déphasé de 90° sur l'autre voie Q. Le signal r(t) peut s'écrire selon l'équation (7).

r IF rr(t ) A . cos( t )= ω + ϕ + ϕ (7)

[ ]rIF IF r r

AI(t) r( t ). cos( t) . cos(2 t ) cos( )

2= ω = ω + ϕ + ϕ + ϕ + ϕ

(8)

[ ]rIF IF r r

AQ(t) r(t). sin( t) . sin(2 t ) sin( )

2= ω = ω + ϕ + ϕ − ϕ + ϕ

(9)

Les signaux I(t) et Q(t) s'écrivent alors selon les équations (10) et (11), un filtre passe-bas en bande de base permet d'éliminer l'harmonique 2 du signal IF généré lors du mélange.

Les signaux I et Q sont contenus dans la phase φ et l'amplitude Ar. Le traitement numérique permet de les reconstituer et un circuit série-parallèle reconstitue le signal de départ d(t) après corrections d'erreurs.

OL

90°

FiltrePasse_bas

FiltrePasse-bas

Retardτ

sérieparallèle

Q(t)

I(t)

IFr(t)d(t)

cos(ωIFt)

sin(ωIFt)

Figure 6 : Topologie d’un démodulateur QPSK.

OSCILLATEUR ou PLL :

L'oscillateur local placé dans ces systèmes doit produire un signal idéalement pur afin de minimiser les effets parasites générateurs de la détérioration du signal et doit pouvoir délivrer une fréquence variable pour couvrir toute la bande considérée (figure 2). L'amplitude, la phase et la

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fréquence de ce signal doivent rester stables si les conditions de fonctionnement varient, notamment la stabilité doit être assurée en température, en polarisation et en fonction de la charge appliquée.

A cet effet, on utilise en général des synthétiseurs à boucles à verrouillage de phase PLL (Phase Locked Loop), dans lesquels une contre-réaction sur la phase permet d'ajuster la fréquence d'émission du signal émis en cas de variation de ces paramètres et grâce à l'utilisation d'un VCO (Voltage Controlled Oscillator) dans la boucle (figure 5).

Figure 7 : Topologie générale d’une PLL.

Le signal de sortie n'étant pas une sinusoïdale pure, son spectre fréquentiel n'est pas un pic de Dirac mais est centré autour de la fréquence du signal en diminuant de part et d'autre (figure 8), c'est le bruit de phase. Les meilleures sources sont celles qui ont un bruit de phase qui diminue très rapidement autour de la fréquence porteuse f0 ce qui correspond à un spectre très étroit.

Figure 8 : Bruit de phase émis par l'oscillateur autour de la fréquence générée.

Les paramètres de l'OL à prendre en compte sont les suivants :

Bruit de phase (noise) : il doit être le plus faible possible

Frequency pulling : c'est la variation de la fréquence de sortie f0 lorsque l'adaptation de la charge varie, ce paramètres est défini par l'équation (12).

( )0 1T

ext

ff . TOS TOS

2Q−Δ ≅ −

(12)

Stabilité de la puissance de sortie : variation avec la température

Tuning range : variation de la fréquence en fonction de la tension de polarisation

Stabilité en fréquence : en fonction de la température, exprimée en PPM/°

Pout

Pssb

1 HzFréquence

Bruit dephase

f0

Output NF0

Loop Filter

F0

Loop amplifier

Phase detector

Reference oscillator

Frequency divider

÷N

INTRODUCTION : SYSTEMES EMISSION-RECEPTION _ C.Algani 12

Frequency pushing : variation de la fréquence en fonction de la puissance de polarisation

Fréquences harmoniques : niveau des fréquences harmoniques du signal de sortie, doivent être les plus faibles possible

Produits d'intermodulation : signaux générés à des fréquences différentes des fréquences harmoniques, doivent être les plus faibles possible

Tous ces paramètres dépendent fortement des composants et topologies de circuits utilisés.

MELANGEUR :

Les mélangeurs utilisent les non-linéariés des composants actifs pour réaliser le mélange de fréquence.

Figure 9 : Principe du mélange.

D'une manière générale, si un composant non-linéaire est soumis à son entrée à deux signaux sinusoïdaux ayant des fréquences différentes, le signal en sortie sera la multiplication des deux signaux d'entrée (figure 9).

[ ]IF OLs( t ) a (t ).b(t ). cos( t ). cos( t )= ω + ϕ ω (13)

[ ]OL IF OL IFs( t ) c( t ). cos( t t ) cos( t t )= ω + ω + ϕ + ω − ω − ϕ (14)

Le signal de sortie contient dans le cas idéal deux fréquences différentes, la fréquence somme (up-converter) et la fréquence différence (down-converter) correspondant à la fréquence RF. Un filtre permet de sélectionner la fréquence désirée.

En réalité, à cause de la forte non-linéarité du composant, un grand nombre de fréquences est généré et doit être filtré.

Un mélangeur est en général défini par les paramètres suivants :

Efficacité de conversion : gain ou pertes de conversion, la puissance de sortie à la fréquence désirée doit être la plus grande comparativement à la puissance d'entrée de l'IF ;

Bruit : le bruit doit être faible afin d'obtenir un signal de sortie exploitable ;

Largeur de bandes : la largeur de bande en fréquences dépend de l'application envisagée ;

Distorsion : Puissance de sortie des produits d'intermodulation générés en fonction de la puissance d'entrée, on définit les points d'interception IP d'ordre N (figure 8) par la relation :

IM lin NP N.P (N 1).IP= − − (15)

Produits d'intermodulation : signaux générés à des fréquences différentes des fréquences harmoniques, doivent être les plus faibles possible ;

b(t).cos(ωOLt)

s(t)a(t).cos(ωIFt)

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Caractéristiques thermiques : stabilité en température.

Différentes topologies de mélangeurs existent afin d'obtenir des caractéristiques les meilleurs possibles et notamment, afin de minimiser les produits d'intermodulation, on utilise des structures doubles équilibrées.

Figure 10 : Définition des points d'interception IP.

AMPLIFICATEURS de puissance et faible bruit :

Pour l'émission, on utilise des amplificateurs de puissance et pour la réception des amplificateurs faible bruit (LNA). Les composants et les spécifications sont donc différents, mais certains sont à prendre en considération dans les deux cas.

Largeur de bande : selon l'application, on utilisera des amplificateurs à bande étroite ou à large bande, voire très large bande, les topologies de circuits sont alors différentes et pour les larges bandes, on peut utiliser des amplificateurs à contre-réaction ou des structures distribuées.

Produit Gain-bande : le produit gain-bande GBW d'un amplificateur à N étages est une relation du produit gain bande GB d'un étage simple qui le compose (Equ. (16)).

1N N(GBW) GB. 2 1= − (16)

Facteur de bruit : doit être très faible en réception.

Figure 11 : Compression à 1dB d’un amplificateur.

Puissance de sortie du produit d'intermodulation IM

Puissance de sortie linéaire

Pin (dBm)

Pout (dBm)Point d'interception

Pin

PoutZone

linéaire Zonesaturée

G

Zone de compression : point à 1 dB

PoutZone

linéaire Zonesaturée

G

Zone de compression : point à 1 dB

Niveau de bruit

INTRODUCTION : SYSTEMES EMISSION-RECEPTION _ C.Algani 14

Rendement (Efficiency) : minimisation de la consommation et de l’échauffement qui en résulte

RF

DC

PP

η =

(17)

Compression à 1dB : le gain est linéaire pour des puissances d'entrée faibles, au point de compression, c'est la valeur de la puissance d'entrée pour laquelle le gain est réduit de 1dB par rapport à sa valeur linéaire (figure 9).

Produit d'intermodulation d'ordre 3 (IP3) : l’IP3 est le point d’interception qui apparaît en

premier lorsque la puissance d’entrée augmente (figure 8).

Stabilité : l'amplificateur doit être stable et ne générer aucun signal

DUPLEXEUR :

Dans le cas d'un transceiver, l'émetteur et le récepteur disposent de la même antenne, le duplexeur permet donc d'isoler les signaux d'émission et de réception en les faisant circuler dans un même circuit. Ce circuit à trois accès permet de les départager, il doit donc y avoir une bonne isolation entre les accès signal réception et système émission. Ce dispositif est caractérisé par ses isolations et ses pertes.

FILTRE :

Ses paramètres sont à regarder avec intérêt de manière à concevoir un filtre performant. Les premiers paramètres sont évidemment la fréquence centrale, la bande passante et les pertes par transmission. D’autres paramètres deviennent également très importants comme dans le cas des téléphones mobiles : la résistance aux vibrations et la tenue en température.

Nous allons par la suite détailler les paramètres fondamentaux.

Pertes par insertion (Insertion Loss) : représentent les pertes dans la bande passante.

Pertes par dissipation (Dissipation Loss) : ce sont principalement des pertes ohmiques qui se situent dans les conducteurs.

Par exemple, un filtre d’ordre 7, fonctionnant à 3 GHz et de largeur de bande égale à 400 MHz, pour lequel Q est égal à 200 a des pertes par dissipation égales à 1.8dB.

Pertes par réflexion (Reflection Loss) : introduites par la désadaptation du filtre à l’entrée et à la sortie.

TOS (VSWR) : associé au coefficient de réflexion, ne doit pas dépasser 2 dans la bande passante en général.

Temps de groupe (Group or Time Delay) : c’est le retard à la propagation de l’enveloppe d’un signal modulé en amplitude et passant à travers le filtre, ce paramètre devient très important en numérique.

Pôles et Zéros : détermination de la fonction de transfert du filtre et de l’ordre n du filtre.

Ondulations dans la bande (Ripple) : exprimée en dB.

Puissance d’entrée (RF Input Power) : Puissance maximale que l’on peut injecter sans détériorer le filtre, très utile pour les émetteurs.

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Intermodulation : Les filtres passifs peuvent générer des produits d’intermodulation qui peuvent dégrader le signal. En général, ces effets parasites sont bien plus faibles que dans le cas de circuits actifs.

Transmission d’impulsion (Pulse Transmission) : la dégradation des impulsions le long de la propagation à travers le filtre entraîne des distorsions qui sont gênantes pour les communications numériques.

Dans le cadre de ce cours, nous allons regarder plus en détail ces différentes fonctions qui constituent le système complet. Chacune de ces fonctions est constituée par un circuit et chaque circuit est cascadé l'un derrière l'autre, si bien qu'ils sont inter-dépendants et que les paramètres caractéristiques de tous ces circuits vont jouer un rôle primordial sur la transmission et la réception du signal. On peut citer par exemple les adaptations en entrée et en sortie des circuits afin de limiter les phénomènes de réflexion de signal. La conception de ces circuits doit donc être réalisée avec beaucoup d'attention et respecter un cahier des charges très strict. Nous regarderons la conception de circuits intégrés (MMIC = Microwave Monolithic Integrated Circuits) afin de tenir compte de l’évolution des technologies, de la réduction de l’encombrement et du coût de ce type de systèmes.

SYSTEME DE TRANSMISSION PAR FIBRE OPTIQUE :

Dans le cas de transmission numérique par fibre optique, le canal hertzien est remplacé par la fibre optique. Le modulateur est optique, se faisant à une longueur d’ondes donnée en général 1.55µm, et la démodulation est effectuée par la photodiode de réception, qui récupère les données numériques en convertissant la lumière en courant électrique.

Les communications optiques ont l’avantage de présenter des débits extrêmement élevés, pouvant atteindre 80 à 120Gbits/s.

Le rôle du module d’émission est de convertir le signal électrique en un signal optique, le signal électrique pouvant être un multiplexage de plusieurs signaux. Le module d'émission est composé soit d'un laser à modulation direct (interne), soit d’un laser continu suivi d’un modulateur (modulation externe). Dans les deux cas, la transformation du signal électrique en signal optique se fait à l’aide d’un amplificateur (appelé Driver) qui commande, le cas échéant, le laser ou le modulateur externe.

La transmission du signal dans la fibre optique (canal de transmission) est perturbée par l’atténuation dans celle-ci et les pertes d'insertion au niveau du multiplexage. Afin de réaliser une transmission du signal optique sur de très longues distances, il est nécessaire de l'amplifier au cours de son trajet. L'amplificateur optique à fibre dopée à l'Erbium (EDFA pour Erbium-Doped Fiber Amplifier) répond à ce besoin. L’utilisation des amplificateurs optiques permet ainsi d’augmenter la distance entre les répéteurs. Les répéteurs ont pour rôle de convertir le signal optique faible et distordu en un signal électrique, ensuite ils régénèrent le train original des pulsations numériques optiques pour la suite de la transmission.

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Figure 12 : Synoptique de base d’un système de transmission par fibre optique.

A la réception, le signal optique reçu est converti en signal électrique, cette fonction est réalisée par un photodétecteur. Le signal électrique résultant à la sortie de celui-ci est en général d’un niveau insuffisant pour le traitement électronique et c’est pour cela qu’il est associé à un amplificateur électronique à faible bruit. Cet ensemble représente une interface optique qui délivre une tension de signal proportionnelle à la puissance optique reçue. Il peut être suivi d'un post- amplificateur (amplificateur limiteur) avec un contrôle automatique de gain, un niveau constant est nécessaire pour attaquer le circuit de décision qui sert à la remise en forme des donnés (CDR). Une partie du signal à la sortie du post-amplificateur, est envoyé vers le circuit de récupération d'horloge. Ce dernier permet de générer l'horloge pour la synchronisation des circuits numériques du récepteur avec ceux de l'émetteur. Cela permet de reconstituer, d'une manière correcte, les données émises par l'émetteur. Si les données étaient multiplexées électriquement, le démultiplexage est réalisé en dernière étape dans la chaîne de réception.

Une liaison par fibre optique est limitée en débit transmis par les circuits électroniques à l’émission et à la réception. Les techniques de multiplexage électrique et optique permettent d’augmenter le débit transmis tout en ayant un fonctionnement optimal de l’électronique incluse dans le système de transmission par fibre optique. Les techniques principales sont le multiplexage temporel et le multiplexage en longueur d’onde.