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UNIVERSITÉ DE CAEN BASSE NORMANDIE École doctorale SIMEM HABILITATION À DIRIGER

UNIVERSITÉ DE CAEN BASSE NORMANDIE École doctorale SIMEM HABILITATION À DIRIGER LES RECHERCHES Présentée et soutenue publiquement par MME CORINNE BERLAND Professeur associé ESIEE Paris, Chercheur au CRISMAT-LaMIPS Sous la direction de M. PHILIPPE DESCAMPS ARCHITECTURE D’ÉMETTEURS POUR SYSTÈMES DE RADIOCOMMUNICATION SOUTENUE LE : 06/09/2010 DEVANT LE JURY COMPOSÉ DE : M. JEAN-BAPTISTE BEGUERET, Professeur des universités, IMS Rapporteur M. ANDREAS KAISER, Directeur de recherche au CNRS, IEMN Rapporteur M. RAYMOND QUÉRÉ, Professeur des universités, XLIM Rapporteur M. PHILIPPE DESCAMPS, Professeur des universités, ENSICAEN, LaMIPs M. PATRICE GAMAND, Ingénieur, HDR, NXP Semiconductors M. ROBERT PLANA, Professeur des universités,Université Paul Sabatier M. SERGE TOUTAIN, Professeur émérite , Ecole polytechnique de l’université de Nantes REMERCIEMENTS Je tiens à remercier tous les membres du jury pour avoir accepter de rapporter et examiner mes travaux pour cette habilitation. Je remercie également les personnes qui m’ont encouragées et soutenues dans mes activités de recherche : Patrice, Serge, Jean-Batiste et Philippe. Je remercie enﬁn Olivier et Jean- François, de l’ESIEE, qui donnent à notre équipe cette forte compétence traitement du signal. 4 Table des matières Introduction i 1 Architectures d’émetteurs 1 1.1 Introduction à la problématique des émetteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 Performances d’un émetteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.2 Impact de l’ampliﬁcateur sur les performances de l’émetteur . . . . . . . . . . . 3 1.2 Étude de la faisabilité d’une architecture polaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.1 Introduction aux architectures polaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.2 Architecture polaire pour application WLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 Nouvelle architecture numérique d’émetteur 15 2.1 Principe de l’architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1.1 Dimensionnement du modulateur Sigma Delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.2 Conception et réalisation du modulateur Sigma Delta . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.3 Conclusion de ce travail et perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3 Algorithmes de synchronisation pour émetteurs 23 3.1 Synchronisation d’une architecture polaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.1.1 Introduction à l’algorithme LMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.1.2 Interpolateurs et impacts sur les performances du système . . . . . . . . . . . . 26 3.1.3 Algorithme de correction pour l’architecture polaire . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2 Synchronisation dans le cas d’une architecture "LINC" . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4 Génération de signaux de référence haute fréquence pour les architectures RF 39 4.1 Introduction au résonateur à onde de volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2 Structure de l’oscillateur avec le réseau de condensateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3 Simulations et mesures du circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.4 Réglage de la fréquence de référence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5 Conclusions et perspectives 51 A Curriculum vitae 55 B Publications 65 B.1 Emetteur polaire pour modulation OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 B.2 Analyse de l’impact de la désynchronisation dans une architecture polaire . . . . . . . . 71 5 6 TABLE DES MATIÈRES B.3 Nouvelle architecture d’émetteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 B.4 Algorithme de synchronisation pour architecture polaire . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 B.5 Algortihme LMS appliqué au cas de l’architecture polaire et l’architecture LINC . . . . 103 B.6 Oscillateur de référence à base de résonateur à onde de volume . . . . . . . . . . . . . . 109 B.7 Oscillateur de fréquence large bande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Introduction Les travaux présentés dans ce mémoire concernent l’évolution et ma vision des architectures d’émet- teurs et de récepteurs pour systèmes de radiocommunication. Le début de mes travaux de recherche pour cet axe se situe en 1991, à mon arrivée au sein du laboratoire de circuits intégrés chez Alcatel Radiotélé- phone. J’ai initialement travaillé sur la conception de circuits radiofréquences pour téléphones portables, pour ensuite élargir mon travail vers le dimensionnement, la spéciﬁcation et la simulation d’architec- tures d’émetteurs-récepteurs. C’est suite à cette expérience de recherche et développement industrielle que j’ai rejoint l’ESIEE en 1998 où j’ai continué cet axe de travail avec ce degré de liberté et d’innova- tion qu’offre le milieu de la recherche par rapport au milieu industriel. J’ai ainsi préparé mon doctorat, soutenu en juin 2001, à partir de ces travaux. Bien qu’ayant travaillé à la fois sur les récepteurs et les émetteurs, l’activité que j’ai développée s’est principalement orientée sur les émetteurs. L’introduction de modulations plus complexes, pour faire face à l’augmentation du débit transmis, a rendu plus délicate la réalisation d’émetteurs. Ceux-ci doivent transmettre un signal de bonne qualité (en termes de rapport signal sur bruit), en garantissant une occu- pation spectrale limitée et un rendement acceptable. La solution classique est la réalisation d’émetteur linéaire où l’ampliﬁcateur de puissance est utilisé de telle sorte qu’aucune distorsion ne soit réalisée sur le signal modulé. Dans ce cas, l’ampliﬁcateur travaille bien plus bas que son point de compression, engendrant ainsi une forte perte de rendement. Des solutions de linéarisation doivent donc être mise en œuvre et c’est dans ce contexte que se situent mes activités. Mes premiers travaux ont concernés les architectures polaires, aussi appelée EER (Envelope Elimina- tion and Restoration) pour application dans les systèmes de radiocommunication. Ma première publica- tion sur le sujet vient de l’idée d’adapter les architectures des émetteurs implémentés dans les terminaux portables, les synthèses de fréquence modulée, aux modulations à enveloppe non constante. Cela per- mettait de garder le bénéﬁce des architectures utilisées pour la téléphonie mobile (bruit, rendement) et d’autre part permettait un fonctionnement multimode. Aﬁn de pouvoir aller plus loin dans l’analyse de ce type de solution, j’ai été à l’initiative d’un sujet de thèse sur l’étude de cette solution dans le cadre d’une modulation complexe, modulation OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) avec comme exemple d’application la norme 802.11a. Le choix de cette modulation nous a permis d’analyser com- plètement le faisabilité d’une architecture polaire pour des modulations avec une occupation spectrale importante (20 MHz) et une forte variation de sa puissance instantanée. Cette thèse a donné lieu à 9 publications dont 1 revue. A partir de ces premiers travaux, nous avons eu l’idée de modiﬁer l’architecture polaire de telle sorte que le signal à l’entrée de l’ampliﬁcateur de puissance, bien qu’à enveloppe constante, contienne dans sa phase à la fois les informations d’amplitude et de phase, informations restaurées à l’aide du ﬁltre d’antenne. Cette idée a donné lieu à un brevet international avec la société ST Microelectronics et a également permis le ﬁnancement d’une thèse CIFRE. La génération du signal à enveloppe constante à été réalisée à l’aide d’un modulateur uploads/Ingenierie_Lourd/ architecture-d-x27-emetteur-pour-systemes-de-radiocommunication.pdf