Ben romdhane, Manel (2009) Échantillonnage non uniforme appliqué à la numérisation des signaux radio multistandard. PhD thesis Électronique et Communications, COMELEC, ENST et CIRTA'COM, SUP'COM de Tunis , ENST p.168.
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Abstract
Cette thèse de Doctorat s’inscrit dans le domaine de la conception de circuits innovants pour la numérisation des signaux radio multistandard. La nouveauté dans ce travail de recherche provient de l’exploration, pour la première fois dans le domaine des systèmes radio, de l’apport de l’utilisation des techniques d’échantillonnage non uniforme (NUS, Non Uniform Sampling). L’innovation de recherche apportée concerne l’établissement de formulations analytiques pour le calcul des métriques d’évaluation des performances de la technique NUS et pour le dimensionnement d’un nouveau récepteur radio multistandard avec un convertisseur analogique numérique (ADC, Analog-to-Digital Converter) contrôlé par une horloge non uniforme. Les résultats de cette étude ont conduit à la synthèse d’un filtre anti-repliement unique pour les standards GSM/UMTS/WiFi et à la diminution la fréquence moyenne d’échantillonnage de l’ADC ce qui a permis de diminuer la consommation de puissance de l’ADC et d’éliminer le circuit du contrôle automatique de gain (AGC). L’étude analytique et la conception niveau système ont été complétées par la proposition d’une architecture numérique originale de génération d’horloge non uniforme permettant de s’affranchir des contraintes et limitations des oscillateurs non uniformes proposés dans la littérature. Ce circuit Pseudorandom Signal Sampler (PSS) a fait l’objet d’une synthèse et d’une validation préliminaire sur FPGA puis la conception d’un circuit VLSI en technologie CMOS numérique 65 nm. Les résultats d’implémentation du PSS ont permis d’obtenir, pour un facteur de quantification temporelle égal à 16, une surface active de 470 (µm)², des fréquences moyennes d’échantillonnage pouvant atteindre 200 MHz basées sur un synthétiseur de fréquence qui offre des fréquences jusqu’à 3.2 GHz et enfin une consommation de puissance de 1.45 à 290.4 µW pour des fréquences d’échantillonnage moyennes allant de 1 MHz à 200 MHz. Une validation expérimentale de l’étage de numérisation proposé a été effectuée grâce à la réalisation d’une plate-forme de test composée du circuit générateur PSS dont la sortie contrôle un ADC auquel est appliqué en entrée un signal sinusoïdal de test et d’un PC pour l’acquisition par FIFO mais aussi pour le traitement des données. Les résultats des tests expérimentaux obtenus ont permis de confirmer les résultats théoriques en termes de diminution de la consommation de l’ADC.
| Item Type: | PhD Thesis (PhD) |
|---|---|
| Additional Information: | Abstract - Research activities of this Doctorate thesis deal with the design of innovative circuits for multistandard signals digitalization. The originality of this research work comes from the use for the first time of Non Uniform Sampling (NUS) techniques for radio systems design and implementation. Presented research innovation is relative to the establishment of analytical formulations for NUS technique performance evaluation metrics to design a novel multistandard radio receiver topology with an Analog-to-Digital Converter (ADC) controlled by a non uniform clock. Results of this study have led to the synthesis of a single anti-aliasing filter for GSM/UMTS/WiFi standards and the reduction of ADC mean sampling frequency that allows the ADC power consumption reduction and the elimination of the Automatic Gain Control (AGC) circuit. The analytical study and the system level design have been completed by the proposal of an original digital architecture for a Pseudorandom Signal Sampler (PSS) circuit designed to overcome previous non uniform generators constraints. This PSS circuit experimental validation have been first achieved thanks to a preliminarily FPGA-based implementation then by a VLSI circuit design on 65 nm Digital CMOS technology. The PSS implementation results lead, for a time quantizer factor of 16, to a 470 (µm)² active area occupation, mean sampling frequencies reaching 200 MHz based on frequency synthesiser offering frequencies until 3.2 GHz and finally a power consumption from 1.45 to 290.4 µW for mean sampling frequencies ranging from 1 MHz to 200 MHz. An experimental validation of proposed digitalization stage have been achieved thanks to the development of a test setup composed by the PSS generator delivering ADC control clock signals. A test sine wave is applied to the ADC input and its output is processed by a PC-based software created for sampled data processing. Obtained experimental results confirmed theoretical results in terms of ADC power consumption reduction. Keywords - Software Radio, multistandard radio receiver, signals digitalization, non uniform sampling, clock generation |
| PhD Supervisor: | Loumeau, Patrick and Ghazel, Adel |
| Date: | 07 February 2009 |
| Board of examiners: | Tabbane, Sami and Dallet, Dominique and Benabes, Philippe and Masmoudi, Mohamed and Youssef, Néji |
| Ecole Doctorale: | ED 130 INFORMATIQUE, TELECOMMUNICATIONS ET ELECTRONIQUE (EDITE) |
| Discipline: | Électronique et Communications |
| Collection (Fonds): | TELECOM ParisTech (ENST) |
| Institution: | ENST |
| Department: | COMELEC, ENST et CIRTA'COM, SUP'COM de Tunis |
| Subjects: | 2. Information and Communication Sciences and Technologies |
| Uncontrolled Keywords: | Radio logicielle, Réception radio multistandard, Numérisation des signaux, échantillonnage non uniforme, Génération d’horloge |
| ID Code: | 4780 |
| Deposited By: | Manel BEN ROMDHANE |
| Deposited On: | 13 August 2009 |
Table of content
Avant-propos v
Résumé et mots clefs ix
Abstract and keywords xi
Notations et symboles xiii
Acronymes et sigles xv
Table des matières xvii
Tables des figures xxi
Liste des tableaux xxv
Introduction générale 1
Chapitre 1. Numérisation des signaux radio dans un contexte radio logicielle 5
1.1. Introduction 5
1.2. Intérêt et contraintes de la radio logicielle 6
1.2.1. Définition de la conception de radio logicielle 6
1.2.2. Exigences de la réception radio multistandard 6
1.2.3. Architectures de réception multistandard 8
1.3. Discussion des traitements de numérisation des signaux radio multistandard 10
1.3.1. Sélection du canal radio 11
1.3.2. Filtrage anti-repliement 12
1.3.3. Conversion analogique numérique 15
1.4. Exploration de l’apport de l’échantillonnage non uniforme pour la numérisation des signaux radio 19
1.4.1. Principes des techniques d’échantillonnage 19
1.4.2. Propriétés d’anti-repliement spectral de l’échantillonnage non uniforme 21
1.4.3. Etude des réalisations de l’échantillonnage non uniforme 22
1.5. Conclusion 24
Chapitre 2. Définition d’une distribution non uniforme adaptée pour l’anti-repliement spectral 27
2.1. Introduction 27
2.2. Modes d’échantillonnage non uniforme 28
2.2.1. Echantillonnage non uniforme périodique 28
2.2.2. Echantillonnage aléatoire 29
2.2.3. Echantillonnage aléatoire à temps quantifié 33
2.3. Formulation analytique de l’échantillonnage non uniforme 36
2.3.1. Stationnarité d'une séquence d'échantillonnage aléatoire 36
2.3.2. De la stationnarité à l’anti-repliement spectral 41
2.3.3. Densité spectrale de puissance d’un signal aléatoire 43
2.3.4. Densité spectrale d’énergie d'un signal déterministe 44
2.4. Proposition d’une analyse spectrale 49
2.4.1. Etat de l’art des méthodes d’analyse spectrale adaptées à l’échantillonnage non uniforme 49
2.4.2. Représentation spectrale de l’échantillonnage aléatoire à temps quantifié 51
2.4.3. Atténuation du repliement spectral de l’échantillonnage aléatoire à temps quantifié 53
2.5. Conclusion 57
Chapitre 3. Définition d'une architecture de réception basée sur le traitement non uniforme en bande de base 59
3.1. Introduction 59
3.2. Proposition et dimensionnement d’une architecture de réception à traitement non uniforme 60
3.2.1. Récepteur multistandard contrôlée non uniformément 60
3.2.2. Dimensionnement du récepteur multistandard 62
3.2.3. Spécification du traitement en bande de base 64
3.3. Etude des méthodes de reconstruction 68
3.3.1. Formulation générale de la reconstruction 69
3.3.2. Méthode de reconstruction matricielle 70
3.3.3. Méthodes de reconstruction par interpolation 73
3.4. Validation du traitement de numérisation des signaux radio 76
3.4.1. Définition du modèle de référence de numérisation du signal radio 77
3.4.2. Métrologie d’évaluation de la reconstruction du signal radio 78
3.4.3. Résultats d’application des techniques de reconstruction 78
3.5. Conclusion 82
Chapitre 4. Conception et validation expérimentale d'un générateur non uniforme 85
4.1. Introduction 85
4.2. Conception d’un générateur non uniforme 86
4.2.1. Etude des générateurs non uniformes existants 86
4.2.2. Démarche de conception d’un nouveau circuit de génération d’horloge non uniforme 89
4.2.1. Circuit de génération d’horloge non uniforme proposé 94
4.3. Implémentation et performances du générateur non uniforme 96
4.3.1. Synthèse et performances sur cible FPGA 96
4.3.2. Implémentation et performances sur cible ASIC 100
4.3.3. Caractéristiques post-layout de la séquence non uniforme 104
4.4. Validation expérimentale de l’étage du traitement en bande de base 106
4.4.1. Méthodes d’acquisition d’un signal numérique non uniformément échantillonné 106
4.4.2. Plate-forme de validation expérimentale 107
4.4.3. Résultats et discussion 108
4.5. Conclusion 110
Conclusion générale 113
Annexe A : Etat de l’art des ADCs du commerce 117
Annexe B : Théorème de l’anti-repliement spectral 121
Annexe C : Estimation de la transformée de Fourier d'un signal déterministe échantillonné selon le mode JRS 125
Annexe D : Estimation de la transformée de Fourier d'un signal déterministe échantillonné selon le mode ARS 127
Références 131
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