Méthodes et techniques non-conventionnelles pour la génération multifréquences en technologies CMOS avancées

par Abdessamad Boulmirat

Projet de thèse en Optique et radiofrequences

Sous la direction de José Luis Gonzalez jimenez.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec l'Université de Cantabrie , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec CEA/LETI (laboratoire) depuis le 15-11-2017 .


  • Résumé

    Ces dernières années, la demande de transmissions sans fils très haut débit a explosée, poussée notamment par l'électronique grande consommation et les infrastructures. Pour adresser ces très hauts débits (plusieurs Gigabits par secondes), les fréquences millimétriques sont très bien placées avec leur bande non licenciée de 9 GHz entre 57 et 66 GHz. La thèse proposée vise à améliorer les systèmes d'émission réception pour leur permettre par exemple d'adresser plus d'utilisateurs simultanément, ou d'accéder à des débits plus importants. L'architecture d'émission réception est aujourd'hui limitée notamment par la synthèse de fréquence, dont les limitations sont ses performances spectrales (le bruit de phase en particulier), ainsi que sa capacité à générer plusieurs fréquences en même temps. Le problème du bruit de phase limite l'efficacité spectrale des modulations adressables par le système d'émission réception et donc le débit. L'incapacité à générer plusieurs fréquences en même temps contraint les systèmes d'émission réception à des plans de fréquences simples, ou alors à dupliquer la synthèse de fréquence avec des surplus de consommation inacceptable. Le laboratoire d'accueil dispose de résultats à l'état de l'art international sur la génération de fréquence, et notamment sur une technique innovante de génération de fréquence programmable basé sur une boucle à verrouillage de phase à basse fréquence (de l'ordre du GHz) combinée à un multiplicateur de fréquence d'ordre élevé (de l'ordre de 30). Cette technique de génération ne permet aujourd'hui que de générer des fréquences multiples de la fréquence de la PLL. Fort de ce contexte, le but est de développer une architecture de synthèse de fréquence utilisant la technique de génération de fréquence par multiplication. La synthèse de fréquence devra pouvoir générer plusieurs fréquences n'ayant pas de diviseur commun, le système de calibration associé en garantissant des niveaux de bruit de phase très bas. Ainsi, le travail de thèse aura deux composantes principales : - la conception de circuit CMOS aux fréquences millimétriques afin de permettre la démonstration du concept. -l'étude théorique et la modélisation des signaux mis en jeux, leurs propriétés spectrales et les modes de verrouillage des oscillateurs (verrouillage par injection, bruit de phase). A la fin de la thèse, des prototypes de circuits intégrés mettant en oeuvre les architectures imaginées sera attendu. Les circuits permettront : -de démontrer la pertinence et la faisabilité d'une telle architecture à synthèse multi-fréquence programmable avec un bruit de phase à l'état de l'art. -de valider les modèles théoriques concernant les signaux mis en jeu dans le système et les modèles sur les modes de verrouillage originaux (modèles de spectre et de bruit de phase). Cette thèse donnera lieu à la rédaction de brevets et des communications écrites et orales dans des conférences et revues à comité de lecture.

  • Titre traduit

    Non conventional method and techniques for multi-frequency generation in advanced CMOS technologies


  • Résumé

    In recent years, the demand for very high-speed wireless transmissions has exploded, driven in particular by the huge demand in public market. To achieve the high data rate required (several Gigabits per second), the millimeter waves are very well placed with their unlicensed 9 GHz band between 57 and 66 GHz. The proposed thesis aims to improve the front-end systems to allow, for instance, addressing more users simultaneously, or access to more important data rate. The actual front-end architectures are today limited by the frequency synthesis, more specifically by the spectral performances (the phase noise in particular), as well as their ability to generate many frequencies simultaneously. Indeed, the phase noise limits the spectral efficiency of the modulations (such as OFDM or 64-QAM) used by the front-end system and therefore affects the data rate. Besides, the inability to generate several frequencies simultaneously forces the front-end systems to use simple frequency generators which reduce the performance of theses architectures. The host laboratory has international state of the art results on frequency generation, and in particular on an innovative technique of programmable frequency generation using a low frequency phase-locked loop (nearly 2GHz) combined with a frequency multiplier (multiplication factor around 30). Nevertheless, this technique only generate harmonics of the PLL frequency reference. During the PhD, the purpose is to develop non conventional methods and techniques for multi-frequency generation in advanced CMOS technologies using the multiplication principle. The frequency generation should provide harmonics with no common factor. Hence, the PhD will have two main components : - CMOS circuit design at millimeter frequencies to prove the concept - study and modeling of the signals involved in the process, their spectral properties and the locking modes of the oscillators (injection locking, phase noise).