Développement d’une tête de réception numérique innovante pour réception de télécommunications par satellite en Bande X

Development of an innovative digital RF front-end for the reception on ground of satellite in the X-Band

• Auteur / Autrice : Arij Battikh
• Direction : Denis Barataud, Guillaume Neveux, Cédric Chambon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes
• Date : Soutenance le 12/02/2020
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Jean-Yves Dauvignac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Barataud, Guillaume Neveux, Cédric Chambon, Cyril Nicolas Decroze, Jean-Philippe Fraysse, Angel Mediavilla
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Yves Dauvignac, Joaquim Portilla

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes électromagnétiques -- Polarisation

Circuits de commutation

Bande X

Satellites artificiels dans les télécommunications

Radiofréquences

Antennes (électronique)

Mots clés libres

SATCOM

Radio Fréquence (RF)

Radio-logicielle

Duplexeur de polarisation numérique (DOMT)

Sous-échantillonnage RF

Track and Hold Amplifier (THA)

Convertisseur Analogique Numérique

SNR

SFDR

THD

SATCOM

Radio Frequency (RF)

Software Radio

Digital Polarization Duplexer (DOMT)

RF subsampling

Track and Hold Amplifier (THA)

Digital Analog Converter

SNR

SFDR

THD

Résumé

Cette thèse réexamine l’architecture des récepteurs de station sol de télécommunications par satellites (SATCOM) en mettant en oeuvre des briques technologiques innovantes de sous-échantillonnage / numérisation RF et de duplexeur de polarisation numérique (DOMT). Un démonstrateur fonctionnant en Bande X a été étudié et conçu à partir de ces briques technologiques. Le sous-échantillonnage des signaux RF est réalisé grâce à la technologie Track and Hold Amplifier (THA) qui permet d’échantillonner des signaux dont la bande passante couvre plusieurs GHz (DC-13 GHz dans le cadre de ce travail). Une étude expérimentale a été menée pour comparer les performances en termes de dynamiques, de taux de distorsion harmonique et de facteur de bruit d’un THA avec celles d’un mélangeur équivalent. La numérisation du signal FI image basse fréquence du signal RF sous-échantillonné est ensuite assurée par un Convertisseur Analogique Numérique (CAN) haute vitesse. Le DOMT réalisé comporte une jonction tourniquet purement analogique qui permet de canaliser les signaux polarisés reçus. L’unité de traitement numérique du signal du DOMT permet de recombiner les signaux polarisés orthogonalement à partir d’un calibrage numérique. Le fonctionnement en bande X de ce concept innovant de tête de réception numérique est démontré, d’une part, théoriquement à partir d’un modèle mathématique et expérimentalement d’autre part, à travers les caractérisations du démonstrateur conçu. Les résultats obtenus en simulation comme en mesure permettent de valider le concept et d’obtenir un couplage de polarisation croisée de l’ordre de 40dB en bande X.

This thesis reconsiders the architecture of ground station receivers of satellite communications (SATCOM) thanks to the implementation of innovative technological components: theRF sub-sampling/digitization and the digital polarization duplexer (DOMT). A demonstrator operating at X-Band has been studied and designed from these technologies. The sub-sampling of the RF signals is performed using Track and Hold Amplifier (THA) technology which allows sampling signals whose bandwidth covers several GHz (DC-13 GHz in the context of this work). An experimental study has been conducted to compare the performances of a THA with those of an equivalent mixer in terms of dynamics, harmonic distortions and noise factor. The digitization of the IF signals, low frequency image of the sub-sampled RF signal, is then ensured by a high-speed Digital Analog Converter (ADC). The realized DOMT is based on the use of a purely analog turnstile junction which separates the polarized received signals. The DOMT digital signal processing unit allows recombination of orthogonally polarized signals from a digital calibration. The proper functioning of this innovative digital RF front-end concept is demonstrated at X band, theoretically from a mathematical model on the one hand and experimentally on the other hand, thanks to the characterizations of the designed demonstrator. The obtained results in both simulation and measurement validate the concept and allows obtaining a cross-polarization coupling around 40dB at X band.