Les systèmes RF intelligents

La partie RF d’un système de communication sans fil est constituée de différentes composantes passives ou actives qui sont reliées entre elles de manière bien précise en fonction de l’application. Normalement, lorsque le circuit est assemblé, il n’est plus possible de modifier le comportement ou les caractéristiques de ce dernier si l’application change. De plus, il est difficile de corriger les effets non-désirables causés par le vieillissement des composantes ou par un changement quelconque dans l’environnement physique. Les SRFI possèdent cette capacité de modifier leurs caractéristiques en fonction de besoins spécifiques qui changent dans le temps. De cette manière, il est possible d’ajuster la partie RF d’un système de communication à un contexte particulier et de compenser pour le vieillissement ou le comportement nonlinéaire des composantes. Ce nouveau type de système qui est en quelque sorte conscient de son environnement et de lui-même permet d’obtenir de meilleures performances ou encore d’être utile à plusieurs applications.

Les principaux acteurs 

Initiative 1
La première initiative majeure concernant les SRFI a été mis en place par le DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) en juillet 2001. Cette initiative a pris le forme d’une sollicitation d’appels d’offre pour des projets ayant un lien avec les différents objectifs concernant les SRFI (DARPA. 2001). Lors du lancement de ce programme. le superviseur était le Dr. Edgar J. Martinez.

En résumé. selon le DARPA. le concept d’un SRFI signifie que le comportement d’un système RF est contrôlé par une partie numérique. Ce système est constitué d’une composante RF passive ou active qui est dans un format très compact et intégré. Il comporte aussi des circuits intégrés numériques qui assurent la gestion de l’état de la composante RF en s’ajustant aux différents changements qui peuvent survenir. Ces changements peuvent êtres liés à des modifications dans l’environnement de la composante ou encore à des nouveaux besoins fonctionnels pour d’autres modes d’opération.

Pour illustrer ce concept. le DARPA utilise l’exemple suivant. Les circuits actuels de type MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits) possèdent des caractéristiques intrinsèques qui font en sorte qu’ils peuvent êtres utilisés sur une large bande de fréquence. Par contre. pour une fonction précise comme un amplificateur de puissance. les réseaux d’adaptation d’impédance fixes à l’entrée et à la sortie limitent son fonctionnement sur une bande de fréquence restreinte. Une solution à ce problème est d’utiliser un SRFI qui possède des réseaux d’adaptation d’impédance variables (RAIV) pour ainsi ajuster la plage d’opération de l’amplificateur. Dans ce cas, la partie numérique gère l’état des RAIV pour l’utilisation sur la plage de fréquence voulue. Ceci permet d’augmenter les performances de la composante et d’ajuster ses caractéristiques en fonction du mode de fonctionnement ou de la plage de fréquence d’opération.  Ce dernier possède quatre sections distinctes dont la section principale qui consiste en une composante RF conventionnelle. Les trois autres sections permettent au SRFI de changer de configuration afin de contrôler le comportement. Premièrement. à l’entrée et à la sortie de la composante RF, il y a les RAIV qui sont reliés à la partie numérique. Ensuite, les détecteurs intégrés situés dans les RAIV et à la sortie du système permettent de connaître l’état du circuit. Finalement, la section numérique fait l’acquisition des différents paramètres provenant des détecteurs, effectue le traitement de ces informations et contrôle l’état des RAIV de manière à ajuster le comportement du SRFI.

En prenant en considération cette structure pour les SRFI. voici un résumé des suggestions et objectifs du DARPA. Les MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) font partie du type de technologie à privilégier pour les RAIV qui pourraient être intégrés dans les procédés de fabrication MMIC. Ils constituent aussi un candidat de choix à cause de leur propriété de mobilité physique. Pour la partie numérique. les technologies à base de silicium sont le choix idéal vu le niveau d’intégration et de complexité qu’ont atteint ces dernières. De plus. il est recommandé de tirer profit des performances des éléments chimiques des groupes III et V pour la composition des semiconducteurs (GaAs. InP. InSb. InAsSb. AlGaAs. GalnP. InGaAs. GaN. AIN. GalnAsP).

L’initiative proposée par le DARPA est divisée en deux phases et la première phase d’une durée minimale de trois ans vise la démonstration de concepts à différents niveaux pour la réalisation des SRFI. Les principaux points d’intérêt sont les concepts touchant l’architecture des composantes. les procédés de fabrication et les technologies d’intégration. La deuxième phase vise la démonstration de systèmes complets utilisant les composantes et les technologies développées durant la première phase.

Donc l’initiative vise particulièrement l’innovation dans les secteurs suivants: l’étude de concepts de base pour les SRFL l’asservissement de fonctions RF, le développement de RAIV. la démonstration d’algorithmes numériques pour le contrôle de circuits RF et l’utilisation de techniques d’intégration pour les différentes parties. Ces innovations devraient se traduire par la réalisation de systèmes multifonctions qui seront plus performants à différents niveaux (fréquence, puissance, dimension, etc).

Initiative 2
La deuxième initiative concernant les SRFI a pris la forme d’un atelier qui a eu lieu en juin 2002 pendant le Symposium International sur les micro-ondes (IEEE-MTI-S. 2002). Les principaux objectifs de cet atelier étaient de promouvoir auprès de la communauté académique et industrielle ce nouveau type de technologie et de permettre l’échange d’idées concernant la réalisation de ces systèmes intelligents. L’atelier était donc un événement visant à définir les problématiques de base entourant les SRFI en dressant un portrait d’ensemble des possibilités. avantages et inconvénients de cette nouvelle technologie. Le Dr. Edgar J. Martinez était le responsable de l’atelier et en guise d’introduction. il a énoncé les concepts de base concernant les SRFI tels que présentés dans la première initiative. Il y a eu 6 autres présentations dont 4 concernant les technologies de base pour la réalisation des SRFI et 2 montrant les perspectives commerciales pour ces nouvelles technologies. Les différents participants provenaient du milieu académique (professeurs. laboratoires de recherche) et commercial (entreprises en télécommunication et fabricants de composantes et de systèmes électroniques). Voici un résumé des points importants à retenir pour ces 6 présentations.

• L’évolution de la réduction à l’échelle de la technologie CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor) et l’amélioration des interconnexions rendent possible la réalisation de systèmes ayant une certaine intelligence. Par exemple. l’utilisation d’un grand nombre de réseaux neuronaux en parallèles devrait permettre d’obtenir un système qui possède les facultés pour gérer son état et qui peut s’adapter à différents environnements ou à un changement dans le contexte d’opération. Donc, les avancements de la technologie des circuits intégrés numériques et les différents algorithmes développés seront nécessaires pour faire le suivi et le contrôle de la partie RF.
• Du côté RF, l’évolution des technologies MEMS apporte des éléments plus performants pour réaliser des RAIV et des filtres ajustables. En effet. les commutateurs de type MEMS offrent plusieurs avantages par rapport à ceux de type FET (Field effect Transistor) ou PIN (Positive-Intrinsic-Negative). II est présentement possible de réaliser un RAIV qui peut couvrir une grande plage d’impédance avec une faible consommation de puissance pour maintenir le contact. une bonne isolation et ce pour des fréquences d’opération élevées. Par contre, le temps de transition des interrupteurs est relativement long et la puissance qui peut circuler dans ces derniers est encore limitée. Pour la réalisation de filtres ajustables, les varacteurs de types MEMS offrent de bons facteurs de qualité (Q) à des fréquences d’opération élevées sauf qu’ils nécessitent une boucle de rétroaction pour compenser les variations de capacité causées par les changements de température et autres facteurs physiques.
• Certaines caractéristiques des composantes RF actuelles peuvent être optimisées Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission. par le biais de méthodes de correction et d’ajustement. Par exemple, il est possible d’améliorer les performances d’un amplificateur de puissance au niveau du transmetteur en effectuant une prédistorsion numérique et/ou un ajustement continuel de la tension d’alimentation de l’amplificateur. Le but est d’utiliser des moyens numériques pour étendre la fonctionnalité des circuits RF actuels. Pour obtenir ces améliorations. il est premièrement nécessaire d’employer des méthodes qui permettent de connaître l’état ou la condition de la fonction RF que  l’on veut améliorer. Ensuite, il faut être en mesure de modifier ou contrôler l’état du système et finalement, il est nécessaire de faire appel à des algorithmes et des fonctions de contrôle qui permettent de gérer le comportement du système.
• Donc l’évolution de la technologie autant du côté numérique que RF permet de réaliser des SRFI. En plus d’améliorer les performances des composantes ou systèmes actuels, les SRFI sont le point d’entrée pour les systèmes adaptatifs multifonctions. Ces derniers offrent l’avantage d’utiliser un seul système ou radio pour différentes applications. Cette caractéristique est très intéressante pour le marché des systèmes de communication sans fil et aussi pour les différentes applications militaires. Le principal problème pour l’obtention de cette caractéristique est d’avoir à manipuler des signaux RF à des fréquences et des amplitudes qui peuvent varier sur une grande plage. Par exemple. ceci implique l’utilisation d’amplificateurs ayant une très grande plage dynamique, une bonne linéarité et ce sur une large plage de fréquence. Ces caractéristiques sont valides autant au niveau de l’émetteur (PA – Power Amplifier) que du recepteur (LNA – Low Noise Amplifier). Il est à noter que la principale lacune concernant les systèmes multifonctions est l’incapacité actuelle de faire des explorations architecturales en utilisant des logiciels de conception et de simulation. De plus. il faut être conscient que les principaux intéressés pour ces systèmes intelligents se situent au niveau commercial et militaire et que ces deux domaines ont des objectifs. des besoins et des moyens différents.
• En ce qui concerne les perspectives commerciales pour les systèmes intelligents et Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission. les concepts associés. il faut mentionner que ces derniers vont permettre d’améliorer les performances des différentes composantes RF conventionnelles en utilisant des RAIV et d’autres structures ajustables. De plus. ils vont contribuer à l’évolution des systèmes et des applications avec des composantes moins volumineuses et moins coûteuses en offrant un meilleur contrôle sur la consommation de puissance et les caractéristiques en fréquence. Ce nouveau paradigme dans les circuits RF a comme objectif d’avoir des systèmes multifonctions qui peuvent s’ajuster de manière automatique aux conditions de fonctionnement en utilisant des détecteurs. des algorithmes de contrôle et des composantes ajustables.