Modélisation comportementale avancée, en VHDL-AMS, des éléments du RFNoC

Le RFNoC met les interconnexions RF à l’échelle du SoC, ce qui fait apparaitre de nouvelles contraintes et opportunités. En terme de contraintes, Le ségment RF des RFNoC doit être à la fois ultra-compact, à très basse consommation d’énergie, à très large bande passante et éventuellement reconfigurable afin d’utiliser au mieux les ressources spectrales disponibles. Quant aux opportunités, nous pouvons citer la très haute vitesse de transmission des ondes électromagnétiques véhiculant les don- nées échangées dans le RFNoC ainsi que la très large bande des ressources spectrales disponibles qui ne sont limitées que par la bande passante des circuits du RFNoC. Dans le chapitre précédent, nous avons présenté les modèles idéaux des composants du RFNoC tandis que dans ce troisième chapitre, nous présenterons des modèles précis des composants du RFNoC. Le dimensionnement d’un réseau sur puce basé sur des interconnexions RF né- cessite des simulations les plus précises possibles et en tenant compte de l’essentiel des défauts et imperfections des éléments et circuits rentrant dans la composition de ces réseaux. Par le biais du contenu de ce chapitre, après un court état de l’art, nous présen- tons les descriptions des modélisations en VHDL-AMS, d’une ligne de transmission, d’un LNA, d’un mélangeur, et d’un oscillateur local. Chacun de ces modèles déve- loppés est validé par une approche adaptée. Tous les composants sont représentés sur l’architecture du RFNoC de la figure 3.1. La description de la modélisation du filtre passe-bas est présentée dans le chapitre 2, paragraphe 2.3.3.2 (page 63) et nous n’apporterons pas de modifications à ce composant dans ce chapitre.

La modélisation du mélangeur ainsi que du LNA est réalisable à des niveaux d’abstraction différents. Ces niveaux d’abstraction sont répartis du plus haut ni- veau (généraliste, moins précis et rapide à simuler) au plus bas (ciblé, précis et lent à simuler). Le choix de l’un ou de l’autre est souvent un compromis entre lesbesoins de simulation en termes de performances d’un coté et des contraintes de simulations des modèles en termes du temps et de puissance de calcul de l’autre coté. Le modèle communément appelé comportemental en est un exemple. Il est à la fois à haut niveau d’abstraction ce qui permet de l’intégrer dans des simulations de systèmes complexes et tient compte de suffisamment de spécifications des circuits pour s’approcher le plus possible du comportement réel de celui-ci. Les autres ni- veaux d’abstraction sont de type structurel, ou mixtes pour lesquels l’architecture du composant à modéliser est indispensable contrairement à la modélisation com- portementale.Un modèle du LNA à haut niveau d’abstraction en VHDL-AMS est développé par H. LI et al [Li 05] pour permettre rapidement d’évaluer les performances avec des simulations systèmes. Les impédances réelles d’entrée et de sortie sont modéli- sées sous forme d’un circuit en série composé d’une capacité, d’une inductance et d’une résistance. La partie résistive de cette impédance en entrée est divisée en deux résistances, l’une est idéale et l’autre bruitée afin de modéliser le facteur de bruit. Les non linéarités sont spécifiées, pour ce modèle, par le point de compression à 1 dB (pour un fonctionnement amplificateur de puissance) ou bien par le point d’inter- ception d’ordre trois (pour un fonctionnement LNA) mais pas les deux à la fois. La caractéristique fréquentielle du LNA est également modélisée grâce à un filtre passe- bande. Les modélisations de l’amplification linéaire, du bruit et de la non-linéarité sont optimisées pour qu’elles correspondent aux paramètres d’un modèle équivalent du niveau transistor. La même approche a été appliquée lors de la modélisation du mélangeur par W. Yang et al [Yang 04].

Une bibliothèque des composants d’une chaine complète composée d’un émet- teur/récepteurs RF ainsi que du canal de propagation est proposée par B. Nicolle et al [Nicolle 07] et permet la simulation temporelle des systèmes de transmission sans-fil. Les éléments clés de cette chaine sont principalement, le LNA, le mélangeur, l’amplificateur de puissance, le filtre et la PLL 1. Cette bibliothèque tient compte d’un certain nombre de paramètres critiques, à savoir, le facteur de bruit, le bruit de phase et les harmoniques. Les impédances d’entrée et de sortie sont des simples résistances. Lors de la modélisation du LNA, le gain en puissance, l’IP3, le facteur de bruit, ainsi que la bande passante sont pris en compte. Quant au mélangeur qui intègre aussi l’oscillateur local, le modèle est équivalent à celui du LNA, avec en plus un multiplieur à la sortie qui permet la transposition du signal d’entrée. Le bruit de phase de l’oscillateur local est considéré. Le canal présenté est de type Gaussien. La validation de quelques paramètres est montrée. Les modèles sont décrits en partie en VHDL-AMS, le reste est modélisé sur Matlab/Simulink, notamment les parties concernant le bruit des composants (facteur de bruit et bruit de phase).