Etude et conception d'algorithmes de correction d'erreurs dans des structures de conversion analogique-numérique entrelacées pour applications radar et guerre électronique

Study and Design of Mismatch Correction Algorithms in Time-Interleaved Analog to Digital Converters for Radar and Electronic Warfare Applications

• Auteur / Autrice : Antoine Bonnetat
• Direction : Dominique Dallet, Jean-Michel Hodé, Guillaume Ferré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 14/12/2015
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : : Université Bordeaux-I (1971-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Garda
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie Chabert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Garda, Patrick Loumeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Filtrage du signal

Étalonnage

Convertisseurs analogique-numérique

Mots clés libres

Électronique numérique

Traitement du Signal

Convertisseur Analogique- Numérique à Temps Entrelacée,

ET-CAN

Disparités

Modélisation

Estimation

Compensation

Filtrage à temps variant périodique

LPTV

Implémentation,

Architecture

FPGA

Digital Electronics

Signal Processing

Time-Interleaved Analog-to-Digital Converter,

TIADC

Mismatches

Modelisation,

Estimation,

Compensation

Linear Periodic Time-Varying System,

LPTV

Hardware Architecture

FPGA

Résumé

L’ évolution des systèmes radar et de guerre électronique tend à concevoir desrécepteurs numériques possédant des bandes instantanées de plus en plus larges. Cette contraintese reporte sur les Convertisseurs Analogique-Numérique (CAN) qui doivent fournir une fréquenced’échantillonnage de plus en plus élevée tout en conservant une puissance dissipée réduite. Unesolution pour répondre à cette demande est le CAN à Temps Entrelacés (ET-CAN) qui paralléliseM CANs pour augmenter la fréquence d’échantillonnage d’un facteur M tout en restant dansun rapport proportionné avec la puissance dissipée. Cependant, les performances dynamiquesdes ET-CANs sont réduites par des défauts d’entrelacements liés à des différences de processusde fabrication, de leur tension d’alimentation et des variations de température. Ces défautspeuvent être modélisés comme issus des disparités d’offsets, de gains ou décalages temporels etglobalement comme issus des disparités de réponses fréquentielles. Ce sont sur ces dernièresdisparités, moins traitées dans la littérature, que portent nos travaux. L’objectif est d’étudierces disparités pour en déduire un modèle et une méthode d’estimation puis, de proposer desméthodes de compensation numérique qui peuvent être implémentées sur une cible FPGA.Pour cela, nous proposons un modèle général des disparités de réponses fréquentielles desET-CANs pour un nombre de voies M quelconques. Celui-ci mélange une description continuedes disparités et une description discrète de l’entrelacement, résultant sur une expression desdéfauts des ET-CANs comme un filtrage à temps variant périodique (LPTV) du signal analogiqueéchantillonné uniformément. Puis, nous proposons une méthode d’estimation des disparitésdes ET-CANs basée sur les propriétés de corrélation du signal en sortie du modèle, pour Mvoies quelconques. Ensuite, nous définissions une architecture de compensation des disparitésde réponses fréquentielles des ET-CANs et nous étudions ses performances en fonction de sesconfigurations et du signal en entrée. Nous décrivons une implémentation de cette architecturepour M=4 voies entrelacées sur cible FPGA et nous étudions les ressources consommées afin deproposer des pistes d’optimisation. Enfin, nous proposons une seconde méthode de compensationspécifique au cas M=2 voies entrelacées, dérivée de la première mais travaillant sur le signalanalytique en sortie d’un ET-CAN et nous la comparons à une méthode similaire de l’état del’art.

The evolution of radar and electronic warfare systems tends to develop digitalreceivers with wider bandwidths. This constraint reaches the Analog to Digital Converters(ADC) which must provide a sample rate higher and higher while maintaining a reducedpower dissipation. A solution to meet this demand is the Time-Interleaved ADC (TIADC)which parallelizes M ADCs, increasing the sampling frequency of an M factor while still ina proportionate relation to the power loss. However, the dynamic performance of TIADCsare reduced by errors related to the mismatches between the sampling channels, due to themanufacturing processes, the supply voltage and the temperature variations. These errors canbe modeled as the result of offset, gain and clock-skew mismatches and globally as from thefrequency response mismatches. It is these last mismatches, unless addressed in the literaturethat carry our work. The objective is to study these errors to derive a model and an estimationmethod then, to propose digital compensation methods that can be implemented on a FPGAtarget.First, we propose a general TIADC model using frequency response mismatches for any Mchannel number. Our model merge a continuous-time description of mismatches and a discretetimeone of the interleaving process, resulting in an expression of the TIADC errors as a linearperiodic time-varying (LPTV) system applied to the uniformly sampled analog signal. Then,we propose a method to estimate TIADC errors based on the correlation properties of theoutput signal for any M channel. Next, we define a frequency response mismatch compensationarchitecture for TIADC errors and we study its performance related to its configuration and theinput signal. We describe an FPGA implementation of this architecture for M=4 interleavedchannels and we study the resources consumption to propose optimisations. Finally, we proposea second compensation method, specific to M=2 interleaved channels and derived from the firstone, but working on the analytical signal from the TIADC output and we compare it to a similarstate-of-the-art method.