Agile bandpass sampling RF receivers for low power applications

• Auteur / Autrice : Luis Lolis
• Direction : Dominique Dallet, Jean-Baptiste Begueret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Soutenance le 11/03/2011
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Christian C. Enz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Loïc Joët, Patrick Loumeau, Michaël Pelissier, Chiheb Rebai

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement du signal

Signal, Théorie du (télécommunications)

Radio logicielle

Mots clés libres

Sous échantillonnage

Récpteurs RF

Echantillonné

Capacités comutés

Dimensionnement système

Bruit de phase

Bandpass sampling

Sub sampling

Discrete time

Receiver

Switched Capacitor

System level design

Phase noise

Résumé

Les nouveaux besoins en communications sans fil pussent le développement de systèmes de transmission RF en termes the reconfigurabilité, multistandard et à basse consommation. Ces travaux de thèse font l’objet de la proposition d’une nouvelle architecture de réception capable d’adresser ces aspects dans le contexte des réseaux WPAN. La technique de sous échantillonnage (BPS-Bandpass Sampling) est appliquée et permet d’exploiter et certain nombre d’avantages liées au traitement du signal à Temps Discret (DT-Discrete Time signal processing), notamment le filtrage et la décimation. Si comparées à la Radio Logicielle, ces techniques permettent de relâcher les contraintes liées aux ADCs en maintenant des caractéristiques multistandard et de reconfigurabilité. Un simulateur dans le domaine fréquentiel large bande a été développé sous MATLAB pour répondre à des limitations au niveau système comme par exemple le repliement spectral et le produit gain bande. En addition avec une nouvelle méthode de conception système, cet outil permet de séparer les différentes contraintes des blocs pour la définition d’un plan de fréquence et the filtrage optimaux. La séparation des différentes contributions dans la dégradation du SNDR (notamment le bruit thermique, bruit de phase, non linéarité et le repliement), permet de relâcher de spécifications critiques liées à la consommation de puissance. L’architecture à sous échantillonnage proposée dans la thèse est résultat d’une comparaison quantitative des différentes architectures à sous échantillonnage, tout en appliquant la méthode et l’outil de conception système développés. Des aspects comme l’optimisation du filtrage entre les techniques à temps continu et temps discret et le plan de fréquence associé, permettent de trouve l’architecture qui représente le meilleur compromis entre la consommation électrique et l’agilité, dans le contexte voulu. Le bloc de filtrage à temps discret est identifié comme étant critique, et une étude sur les limitations d’implémentation circuit est menée. Des effets come les capacités parasites, l’imparité entre les capacités, le bruit du commutateur, la non linéarité, le gain finit de Ampli OP, sont évalués à travers d’une simulation comportementale en VHDL-AMS. On observe la robustesse des circuits orientés temps discret par rapport les contraintes des nouvelles technologies intégrés. Finalement, le système est spécifié en termes de bruit de phase, qui peuvent représenter jusqu’à 30% de la consommation en puissance. Dans ce but, une nouvelle méthode numérique est proposée pour être capable d’évaluer le rapport signal sur distorsion due au jitter SDjR dans le processus de sous échantillonnage. En plus, une conclusion non intuitive est survenue de cette étude, où on que réduire la fréquence d’échantillonnage n’augmente pas les contraintes en termes de jitter pour le système. L’architecture proposée issue de cette étude est sujet d’un développement circuit pour la validation du concept.

New needs on wireless communications pushes the development in terms reconfigurable, multistandards and low power radio systems. The objective of this work is to propose and design new receiver architecture capable of addressing these aspects in the context of the WPAN networks. The technique of Bandpass Sampling (BPS) is applied and permits to exploit a certain number of advantages linked to the discrete time (DT) signal processing, notably filtering and decimation. Compared to the Software-defined Radio (SDR), these techniques permit to relax the ADC constraints while keeping the multi standard and reconfigurable features. A wide band system level simulation tool is developed using MATLAB platform to overcome system level limitations such spectral aliasing and gain bandwidth product. In addition to a new system design method, the tool helps separating the blocks constraints and defining the optimum frequency plan and filtering. Separating the different contributions on the SNDR degradation (noise, phase noise, non linearity, and aliasing), critical specifications for power consumption can be relaxed. The proposed BPS architecture on the thesis is a result of a quantitative comparison of different BPS architectures, applying the system design method and tool. Aspects such filtering optimization between continuous and discrete time filtering and the associated frequency plan permitted to find the architecture which represents the best trade-off between power consumption and agility on the aimed context. The DT filtering block is therefore identified as critical block, which a study on the circuit implementation limitations is carried out. Effects such parasitic capacitances and capacitance mismatch, switch noise, non linear distortion, finite gain OTA, are evaluated through VHDL-AMS modelling. It is observed the robustness of discrete time oriented circuits. Finally, phase noise specifications are given considering that frequency synthesis circuits may represent up to 30% of the power consumption. For that goal, a new numerical method is proposed, capable of evaluating the signal to jitter distortion ratio SDjR on the BPS process. Moreover, a non intuitive conclusion is given, where reducing the sampling frequency does not increase the constraints in terms of jitter. The proposed architecture issue from this study is in stage of circuit level design in the project team of LETI for final proof of concept.