Architectures de réception Radio

Contexte

De la 3ème à la 4ème génération de systèmes de communications sans fils
Avec l’arrivée des systèmes radio mobiles de 3ème et de 4ème génération, les standards de communications ont tendance à occuper plus de bande dans le spectre pour pouvoir assurer des services de voix, données et multimédia. Parmi les systèmes de 3ème génération (3G), l’UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), basé sur la technologie W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access), assure déjà des débits de données de 384 kbps (en milieu urbain) sur un canal de communication de largeur spectrale 3,84MHz [23 3GPP] et bien au-delà grâce à son évolution HSDPA/HSUPA. Entre le GSM et l’UMTS, par exemple, les canaux ont augmenté de 20 fois environ.Le LTE (Long-Term Evolution) est l’évolution du système UMTS pour la 4ème génération (4G) où on s’attend à avoir une connectivité de données en réception avec des débits pouvant atteindre 100Mbps [24 3GPP] (dans les meilleures conditions de propagation et d’allocations de canaux). On entend par connectivité de données, la capacité d’un terminal mobile à assurer une communication de données à des débits semblables à ceux d’un ordinateur connecté sur un réseau haut débit. En parallèle au développement du LTE, de nouveaux standards basés sur la modulation OFDM voient le jour. Grâce à la technologie OFDM, des débits de données élevés sont atteints grâce à une meilleure efficacité spectrale [25 Bahai]. Parmi les systèmes 4G basés sur l’OFDM, le WiMAX (Wireless Interopeability for Microwave Access) est l’un des plus prometteurs concurrents du LTE [26 WiMAX]. La vision 4G est d’assurer un service de connectivité de données pour les communications vocales et multimédia. La communication vocale sera assurée grâce à des protocoles spécifiques comme VoIP (Voice over IP) par exemple. Cette vision est pour l’instant loin d’être déployée. En effet le réseau GSM massivement déployé reste le support principal des communications vocales sans fils. La grande partie des terminaux mobiles 3G actuels contient deux chaînes de transmission/réception GSM/WCDMA juxtaposées dans une puce unique. La chaîne radio GSM reste donc le support principal des communications vocales dans les terminaux sans fils 3G. Il est clair que cette tendance restera vraie à court et moyen termes pour des raisons économiques d’infrastructure et de déploiement. Une reconfiguration totale du standard de communication est exigée dans ce contexte. En revanche, à long terme, le terminal mobile WiMAX ou LTE sera capable d’assurer les services de voix, données et multimédia (données à haut débit) sur la même puce. Dans ce cas, la reconfigurabilité du standard dans un terminal mobile sera moins exigée si, bien évidemment, le standard en question sera disponible partout. La majorité des standards sans fils de connectivité de données occupe deux bandes de fréquences différentes, une bande basse et une bande haute. Par exemple, le Wi-Fi ou 802.11 est un système à faible portée qui fonctionne dans les deux bandes suivantes : 2,4 – 2,5GHz et 5,2 – 5,3GHz [27 IEEE]. Egalement, le WiMAX, toujours en cours de définition, occupe également deux bandes de fréquences différentes : 2,5 – 2,7GHz  et 3,3 – 3,8GHz [28 Gray]. Par conséquent, les terminaux mobiles 4G doivent être forcément reconfigurables en termes de bandes de fréquences pour couvrir toutes les bandes du standard visé. En outre, les systèmes utilisant la technologie OFDM ont tendance à occuper des largeurs de canaux différentes avec un rapport de largeur pouvant atteindre 16 [28 Gray]. La reconfigurabilité en termes de largeurs de canaux sera donc indispensable. Dans ce cas, on parle de reconfigurabilité à la volée. Le terminal mobile doit pouvoir fonctionner simultanément avec plusieurs largeurs de canaux. Dans ce contexte de multitude de standards et de manque de visibilité en termes de  déploiement pour la 4G, nous pouvons conclure qu’à court et moyen termes le réseau GSM restera l’épine dorsale des communications vocales sans fil et que les trois types de reconfigurabilité (standards, bandes de fréquence, largeurs de canaux) seront exigés. Cependant, à long terme, le LTE ou le WiMAX mobile seront les standards assurant tout type de communications sans fil. La reconfigurabilité en termes de standards de communications sera alors moins exigée.

Récepteurs Radio sans fil et enjeux technologiques
Le passage du 3G au 4G est une raison majeure pour repenser les architectures des terminaux sans fils. Destinés au grand public et adressant des standards de communications de voix, de données et de multimédia, ces terminaux contiennent de plus en plus de fonctionnalités et doivent forcément augmenter en taille et consommer plus à technologie identique. L’objectif est de pouvoir assurer toutes ces fonctionnalités tout en réduisant la taille et la consommation, deux contraintes critiques pour les terminaux sans fils. Dans cette perspective de réduction de la taille, de la consommation et du coût de fabrication des terminaux sans fils, la tendance est d’intégrer les fonctions radiofréquences, analogiques et bande de base sur la même puce en utilisant la même technologie de fabrication. L’objectif des fabricants de terminaux 4G est de trouver des solutions innovantes au niveau de l’architecture et de la conception pour atteindre les trois exigences précédentes. La technologie CMOS s’est imposée comme la technologie de fabrication des circuits numériques et des fonctions bande de base. D’autre part, le CMOS occupe une place non négligeable dans la réalisation de beaucoup de fonctions analogiques basse fréquence et concurrence depuis la moitié des années 90 en RF les technologies bipolaires [29 Abidi]. Ce n’est donc que depuis seulement une dizaine d’années que des récepteurs radio en CMOS pur voient le jour, permettant ainsi à des fabricants de semiconducteurs de produire des solutions de terminaux sans fils en SoC (système sur puce). Dans une perspective d’intégration des fonctions radiofréquences, analogiques et bande de base sur la même puce, le choix de la technologie CMOS est indispensable. Jusqu’à 2001, la grande majorité des fabricants de terminaux sans fils et des équipementiers radio offraient des solutions de récepteurs multipuces souvent en technologie BiCMOS [29 Abidi]. Pour la plupart, la partie RF était séparée de la partie analogique, elle-même séparée de la partie numérique. Historiquement, l’architecture de réception superhétérodyne a été souvent utilisée parce qu’elle offre les meilleures performances radio [30 Saidi]. Son inconvénient majeur est le nombre de composants externes utilisés et sa forte hétérogénéité technologique. Elle est caractérisée par la présence de deux ou trois composants externes ainsi que la coexistence d’au minimum deux technologies de fabrication différente. L’architecture superhétérodyne ne peut donc pas répondre aux contraintes de coût, de surface et de reconfigurabilité qui accompagnent les objectifs de conception des terminaux 4G. D’un autre côté, depuis la moitié des années 90, des réalisations de chaînes de réception basées sur l’architecture Zéro-IF ou ZIF voient le jour [29 Abidi]. La ZIF, qui consiste à transposer le signal RF directement en bande de base, offre plusieurs avantages au niveau technologique et en termes de complexité de conception. En effet, beaucoup moins de composants externes sont nécessaires (uniquement le filtre RF juste après l’antenne) et il est envisageable de fabriquer les fonctions RF et bande de base en utilisant la même technologie (Fig. 1.1). Elle est considérée plus homogène du point de vue technologique et permet de réaliser des récepteurs entièrement CMOS en intégrant toutes les fonctions sur la même puce. Cependant, plusieurs effets parasites sont créés principalement par le fonctionnement à la fréquence porteuse : une forte disparité apparaît entre les voies I et Q du récepteur ; un décalage en continu (offset DC) est dû aux fuites de l’oscillateur en entrée suivi d’un auto mélange. D’autres problèmes sont liés au fait que le canal utile est ramené autour de la fréquence zéro. Notamment le bruit basse fréquence (1/f) de la technologie CMOS dégrade ainsi directement le rapport signal sur bruit (SNR) dans la bande utile.

La ZIF est très prometteuse en termes de coût de fabrication. Elle permet d’atteindre un degré de reconfigurabilité important et d’intégrer le récepteur sur SoC. Pour cela, beaucoup de techniques de traitement numérique du signal ont vu le jour ces dernières années pour corriger les principaux problèmes déjà cités. Notamment, il existe des algorithmes dédiés à la correction des disparités entre les voies I et Q et le DC offset [31 Gerven]. Un autre type d’architecture de réception a également vu le jour au milieu des années 90, c’est la Low-IF. Cette architecture permet de transposer le canal à une fréquence intermédiaire très basse mais non nulle. Ainsi, les problèmes de la ZIF sont évités tout en réduisant le nombre de composants externes. Cependant, le nombre d’étages de filtrage nécessaires reste important et ne permet pas d’atteindre le degré d’intégration et de reconfigurabilité offert par la ZIF.

Motivations et naissance de l’architecture échantillonnée

La radio logicielle
Le contexte actuel et la tendance exigée par l’arrivée des standards 3G et 4G fait que reconfigurabilité, réduction du coût de fabrication et intégration sur la même puce de toutes les fonctions de réception sont devenues des critères indispensables pour le développement des architectures futures de réception radio. C’est dans ce contexte que le concept de la radio logicielle a pris naissance. L’idée initiale remonte à 1995 et elle est due principalement à J. Mitola [32 Mitola] qui donne une première définition publiée du concept. Une radio logicielle ou Software Radio (SR) est capable de s’adapter à n’importe quelle bande de fréquence, n’importe quelle largeur de canal et est capable de recevoir en même temps plusieurs canaux de communications. Ainsi, idéalement, les futurs récepteurs radio mobiles auront un seul composant externe, l’antenne .

Cependant, l’état de l’art des convertisseurs analogique numérique [33 Walden] démontre l’impossibilité et le caractère non réaliste de l’approche [32 Mitola] au moins dans les prochaines années.

L’architecture échantillonnée
Récemment, des architectures de réception radio traitant le signal en analogique temps discret ont vu le jour [34 Jakonis], [35 Staszewski] et [36 Muhammad]. Dans ces chaînes de réception, l’échantillonnage du signal RF est fait par un mélangeur échantillonneur qui assure une double fonction de mélange et d’échantillonnage. Le traitement est réalisé par des circuits formés uniquement de capacités commutées, le signal d’entrée restant analogique mais sur une base de temps discrète. Dans des architectures classiques, le signal analogique reste sur une base de temps continue jusqu’à sa quantification dans le convertisseur analogique numérique. La nature temps discret du traitement de signal ne met en jeu que des capacités et des interrupteurs MOS et semble donc prometteuse d’une conception simple, d’une intégration totale en CMOS, d’une portabilité d’une technologie à une autre et d’une flexibilité vis-à-vis des standards et des largeurs de canaux. En ce sens, les architectures échantillonnées semblent répondre aux exigences de coût, de surface et de reconfigurabilité évoquées précédemment. Cependant, le développement des architectures échantillonnées est toujours en phase de démarrage, nous ne disposons pas encore de données claires sur les performances obtenues avec ces récepteurs. De plus, la conception et la maturité de ces solutions restent encore loin d’atteindre un état de mise en production. Des émetteurs-récepteurs entièrement CMOS  existent depuis 2001 [29 Abidi], surtout pour des standards sans fils comme Bluetooth et Wi-Fi. Il est évident que le même niveau d’intégration sera garanti avec les architectures échantillonnées, mais nous espérons en plus assurer une conception plus simple, une meilleure reconfigurabilité et une portabilité (facilité et rapidité de portage) pour les nœuds CMOS submicroniques futurs. La place de l’architecture échantillonnée doit être vue dans le cadre de cette tendance qui s’impose en conception radio.