Généralités sur les systèmes de télécommunication et filtres reconfigurables

Depuis quelque dizaines d’années, le secteur des télécommunications a connu de formidables avancées qui ont mené à la multiplication des normes et des standards. Ces derniers nécessitent la conception de circuits spécifiques satisfaisant des performances de plus en plus contraignantes. Une des principales fonctions des systèmes de communication est le filtrage radiofréquence (RF). Nous commencerons cette étude par décrire un système de transmission, puis nous rappellerons les principales architectures dans les émetteurs/récepteurs actuels pour bien illustrer l’évolution des systèmes de télécommunication, depuis la radio analogique jusqu’au concept de la radio opportuniste, ainsi pour souligner l’importance du filtrage RF qui constitue un verrou technologique pour l’implémentation d’une architecture complètement accordable et intégrée. La seconde partie de ce chapitre sera consacrée à une étude bibliographique de topologies des filtres actifs et passifs réglables et reconfigurables. Un tableau de synthèse permettra alors une comparaison des caractéristiques de ces différents filtres. I

Système de transmission

D’une manière générale, les systèmes de télécommunications numériques, ou analogiques, présentent la topologie représentée sur la figure 1.1. Ces systèmes sont composés d’une voie émission Tx (Transmitter), d’une voie réception Rx (Receiver) et d’un canal de transmission. Le canal de transmission peut contenir différents supports, comme par exemple une propagation de signal en espace libre, une fibre optique, un câble coaxial, etc. Les voies d’émission et de réception sont constituées de fonctions électroniques de base telles que des mélangeurs, filtres, amplificateurs faible bruit et Chapitre I 6 amplificateurs de puissance. La synthèse de fréquence est réalisée à l’aide d’une boucle à verrouillage de phase, PLL (Phase Locked Loop). Figure 1. 1: Topologie d’un système d’émission-réception sans fil. Le front-end représentant la partie analogique RF du système, située entre l’antenne et le traitement numérique, DSP (Digital Signal Processor), détermine majoritairement la taille et la consommation du dispositif. Ainsi, dans l’optique d’une intégration maximale de cette partie, et ceci afin de réduire les coûts du dispositif, les ingénieurs systèmes imaginent de nouvelles architectures moins coûteuses et les ingénieurs de conception cherchent à améliorer les performances des circuits intégrés en exploitant au maximum les potentialités de la technologie mise à leur disposition. Pour des raisons de coût, cette dernière est de plus en plus à base de silicium ce qui ne facilite malheureusement pas la réalisation de fonction radio principalement à cause de la faible qualité du substrat. Cependant, le silicium reste inégalé en termes de capacité d’intégration des fonctions numériques et de capacité de production. La partie suivante montrera, d’un point de vue fonctionnel, les différentes architectures des systèmes d’émission en étudiant leurs similitudes avec les systèmes de réception. 4

Architectures de front-end RF

Structure générale A chaque extrémité du système de transmission, il peut n’y avoir que la fonction d’émission ou que la fonction de réception. Si les deux sont nécessaires, les antennes peuvent être distinctes ou communes. Dans ce dernier cas, le partage se fait à l’aide d’un commutateur radiofréquence ou d’un duplexeur, figure 1.2. Figure 1. 2 : Synoptique d’une extrémité de transmission symétrique.

Architectures des systèmes d’émission 

Architecture superhétérodyne

En général, dans une chaîne d’émission, l’information analogique est tout d’ abord traitée numériquement en bande de base par le DSP d’où sont issus les signaux I et Q, figure 1.3, [Raz98]. Ces signaux modulés numériquement sont en quadrature dans le plan complexe. Les modulations numériques utilisant ce type de signaux sont largement employées pour les communications sans fils car elles permettent d’obtenir un faible taux d’erreur binaire, BER (Bit Error Rate), une efficacité spectrale accrue et peuvent permettre un rendement en puissance amélioré. Dans le cas de l’architecture superhétérodyne, un modulateur I/Q recombine les signaux I et Q issus du DSP en un signal unique porté à une fréquence f1 grâce à un premier oscillateur local (OL1). Un deuxième oscillateur local (OL2) associé à un mélangeur permet de transposer le signal issu du modulateur autour de la fréquence porteuse f2 du canal (FRF). Enfin, l’amplificateur de puissance permet de fournir la puissance utile à l’émission.