Couverture ElectroniqueS n°127

L'avènement de convertisseurs de données de plus en plus véloces impose un générateur d'horloge de qualité pour l'échantillonnage de signaux. Une lecture attentive des caractéristiques des produits mis sur le marché, notamment en termes de bruit de phase, de gigue et de pureté spectrale, est plus que jamais indispensable. A vec l'introduction sur le marché de convertisseurs A/N et N/A de plus en plus rapides, capables de numériser des signaux radiofréquences à des cadences infernales de plusieurs giga-échantillons par seconde, les fonctions de génération de l'horloge d'échantillonnage, parfois négligées, doivent être maintenant sélectionnées avec la plus grande attention. En effet, afin d'obtenir les performances dynamiques garanties par le constructeur, comme le rapport signal sur bruit ou la dynamique, la qualité des horloges d'échantillonnage dispensées aux convertisseurs de données s'avère fondamentale. A ce jour, l'offre en générateurs d'horloge est plutôt large et variée, avec cependant de très gros écarts de performance. Ce qui oblige à une analyse détaillée de leurs caractéristiques de bruit de phase, gigue et raies parasites avant d'entériner un choix pour une application donnée. Analog Devices vise avant tout la performance, avec des composants essentiellement destinés au support de ses convertisseurs de données et de quelques produits pour les réseaux optiques. L'acquisition récente de Hittite, une société réputée pour la technologie et les performances de ses composants de synthèse à PLL, a permis à Analog Devices de compléter significativement son portefeuille de circuits de génération et de distribution d'horloge. Après les usuelles considérations théoriques mettant l'accent sur les dépendances qui existent entre les caractéristiques essentielles des convertisseurs rapides A/N et N/A, telles que le rapport signal/bruit et la dynamique, et les imperfections des signaux d'horloge d'échantillonnage, comme le bruit de phase ou la gigue, la discussion va s'orienter essentiellement vers les nouveaux générateurs d'horloge à très faible gigue AD9528 et HMC7044, tous deux compatibles JESD204B. Mais également sur des «briques» complémentaires, presque aussi importantes pour les fonctions de transposition de fréquence et de distribution des signaux d'horloge. L'impact de la gigue sur les systèmes radio-numériques A l'heure de la 4G, le MIMO ( Multiple Input Multiple Output ) se répandant à tous crins, les stations de base (BTS) se hérissent d'antennes, se dotent d'émetteurs et de récepteurs en quantité, ainsi que d'autres dispo-sitifs de correction de linéarité des étages de puissance. Ce qu'illustre la figure 1 qui représente l'architecture très simplifiée d'une station de base moderne. Un tel système radio-numérique comprend de nombreux composants, tant analogiques que numériques, dont le rythme est suspendu à celui d'une horloge primaire ultrastable, essentiellement à long terme. Cette horloge de référence, qui peut être générée à partir de signaux GPS ou d'une horloge primaire spécifique, sert d'élément de synchronisation inter-BTS, ainsi qu'aux différents constituants du système. Afin de pourvoir à toutes les fréquences de ce dernier, des fonctions de transposition de fréquence s'avèrent indispensables pour restaurer localement de nouveaux pilotes de qualité, en minimisant bruit de phase et raies parasites. La sélection optimale de ces générateurs est critique pour éviter que les oscillateurs locaux ne soient pollués par des niveaux de bruit excessifs. Ceux-ci risqueraient de dégrader les performances du système par la déformation des constellations, entraînant une réduction de la capacité et du débit des canaux de transmission. PATRICK BUTLER (ANALOG DEVICES) Diplômé de l'ENIB (Ecole nationale d'ingénieurs de Brest), Patrick Butler est, depuis 1992, ingénieur d'applications, spécialiste en traitement du signal chez Analog Devices. Il a exercé auparavant des fonctions d'ingénieur d'études chez Schlumberger ATE et d'ingénieur d'applications chez AMD et Harris Semiconductor. Bien qu'il existe plusieurs définitions de la gigue d'horloge ou jitter , pour ce qui concerne les convertisseurs de données la plus communément admise est la variation temporelle des fronts d'horloge autour de leur position idéale, exprimée en unité de temps crête à crête ou efficace. La gigue non déterministe ou aléatoire est un paramètre statistique dont l'impact sur la dégradation du rapport signal/bruit des convertisseurs est désormais bien connu et le limite à: où fsignal est la fréquence du signal analogique et tj la gigue du signal de l'horloge d'échantillonnage exprimée en valeur efficace. Cette gigue se cumule à l'incertitude sur le temps d'ouverture taj ( aperture jitter ) de la fonction échantillonneur-bloqueur des CAN telle que: où S/Btot ,S/B aj et S/Bcan sont respectivement les rapports signal sur bruit global et ceux résultant de l'incertitude sur le temps d'ouverture d'une part, du bruit de quantification et du bruit thermique interne du CAN d'autre part. Ce système radio-numérique comprend de nombreux composants, tant analogiques que numériques, dont le rythme est suspendu à celui d'une horloge primaire ultrastable, essentiellement à long terme. Cette manière plutôt expéditive d'évaluer l'impact de la gigue de l'horloge d'échantillonnage sur le rapport signal/bruit d'un convertisseur s'avère assez pessimiste. Tout d'abord, la relation (1) est établie pour des amplitudes du signal égales à la pleine échelle. Or, dans la pratique, il est recommandé de limiter l'amplitude des signaux d'entrée des CAN ou de sortie des CNA très en dessous des points de compression, soit - 20 dBFS environ pour les récepteurs. Il en est de même pour les CNA des transmetteurs selon le facteur de crête ou PAPR ( Peak to Average Power Ratio ) requis par les modulations supportées. Ensuite, cette estimation suppose que le bruit de gigue est blanc et rapporte la totalité de son énergie au signal, sans tenir compte d'éventuels filtres qui pourraient en rejeter une partie significative hors-bande. Il est alors plus pertinent d'évaluer les effets de cette gigue d'horloge à partir de son profil spectral et donc de son bruit de phase. Cette «gigue de phase», dont le niveau est déterminé par l'intégration du bruit de phase du signal d'horloge sur une bande de fréquence donnée, située à une certaine distance de la porteuse, est exprimée par la relation suivante: où fH est la fréquence d'horloge désirée, fmin et fmax les valeurs limites qui déterminent la bande passante spécifique liée à l'application et S (fH )ladensité spectrale du bruit de phase sur une bande latérale. Cette relation rapportée à la puissance du signal d'entrée permet d'établir le rapport signal sur bruit limite S/Bjpn dû au bruit de phase sur la bande spécifiée, à savoir: La relation (3) fait clairement apparaître que le rapport signal sur bruit limite dû au bruit de phase croît de façon inverse avec le ratio f signal . Cet élément est lourd de conséquence. fH Il indique que pour un bruit de phase donné, il vaut mieux, pour les récepteurs et leurs convertisseurs A/N, fonctionner dans un mode suréchantillonné que l'inverse. En conséquence, les architectures radio faisant appel au sous-échantillonnage ou mode « super Nyquist » devront être dotées de générateurs d'horloge d'échantillonnage dont les spécifications de bruit de phase sont à la hauteur des bits effectifs du convertisseur. La tâche du concepteur est alors de s'assurer que le dispositif de génération et de distribution d'horloge exhibe une gigue ou un bruit de phase adéquat sur la bande d'intérêt, où le système présente une sensibilité particulière. Curieusement, pour à peu près tout ce qui touche à la génération d'horloge, les spécifications de bruit de phase les plus usuelles sont données sur une bande d'intégration de 12kHz à 20MHz. Celle-ci a été définie pour répondre aux besoins des interfaces des réseaux optiques tels que Sonet. Cette bande plutôt restreinte ne fait pas l'affaire de la plupart des systèmes de radiocommunication actuels, sans faire cas des récepteurs large bande capables de couvrir des plages de fréquence de plusieurs centaines de mégahertz. En raison de la sensibilité des convertisseurs au bruit large bande, les caractéristiques de bruit pour des fréquences éloignées de la porteuse et celles correspondant au plancher de bruit seront évaluées en priorité. En plus du profil spectral du bruit de phase, l'amplitude et la qualité du signal dans le domaine temporel sont aussi importantes. Cela implique le respect des temps de montée et de descente requis, ou une vitesse de balayage minimale pour les signaux « carrés » et, dans le cas d'une simple sinusoïde, une fréquence minimale. Finalement, le rapport cyclique devra être équilibré si le convertisseur ne comprend pas un circuit stabilisateur spécifique. La circuiterie d'atténuation de gigue est classiquement construite autour d'une PLL à bande très étroite contrôlant un VCXO. Un tel choix réduit sensiblement la bande passante du filtre de boucle en raison du faible gain (en kHz/V) du VCXO. A cette gigue, se superposent toutes les «modulations» dues aux raies parasites en provenance de sources diverses. Cela inclut certains types de raies (référence, entière et de fraction) générées par les synthétiseurs à boucle à verrouillage de phase et, trop fréquemment, les effets de contamination des signaux d'horloge dus à une diaphonie excessive ou à une injection de bruit de mode commun, masse et alimentations. Toute une somme d'éléments qu'il est nécessaire de prendre en compte. Certaines applications ou configurations de test peuvent et parfois doivent s'accommoder de filtres pour nettoyer les signaux d'horloge. Toutefois le filtre n'est efficace que sur le bruit large bande, conservant l'intégralité du bruit proche de la porteuse au risque de diminuer dangereusement le dv/dt du signal de sortie, et aussi de limiter drastiquement les possibilités d'un changement de fréquence. L'alternative raisonnable est de faire appel à des générateurs d'horloge à très faible bruit, dont les étages de sortie sont optimisés pour attaquer les entrées d'horloge des convertisseurs et des circuits logiques avec les caractéristiques dynamiques appropriées. Le générateur d'horloge presque parfait? Récemment mis en production, le HMC7044 est l'un de ces générateurs d'horloge multifonctions affichant le plus faible bruit de phase de l'industrie. Il est constitué de deux synthétiseurs à PLL entière en cascade, dont le premier étage a pour vocation de « nettoyer » la gigue du signal de référence. Comme ses prédécesseurs, les AD9523-1 et AD9528, il peut être employé pour de la transposition de fréquence avec sélection automatique de la source de référence, mais surtout pour fournir des signaux d'horloge à ultra-faible bruit aux convertisseurs A/N et N/A rapides, qu'ils soient à entrées/sorties parallèles, série ou SerDes du type JESD204B. Avec l'horloge «DEVICE» comme horloge unique du système, l'ensemble du dispositif fonctionne selon un principe d'horloge harmonique. Avec une seule fréquence d'horloge générée et distribuée comme un diapason à tous les éléments du système, les risques d'interférences sont moindres et une meilleure intégrité des signaux est garantie. Comme illustré à la figure 2, la circuiterie d'atténuation de gigue est classiquement construite autour d'une PLL à bande très étroite contrôlant un VCXO. Un tel choix réduit sensiblement la bande passante du filtre de boucle en raison du faible gain (en kHz/V) du VCXO, contrairement à celui des VCO. En conséquence, un filtrage énergique du bruit de la référence de fréquence est autorisé. Les performances de cet étage sont alors limitées par celles du VCXO, dont la fréquence de sortie n'excède généralement pas quelques centaines de mégahertz. Cette fréquence est trop basse pour nombre d'applications. Pour cette raison, le second étage PLL2, débarrassé du bruit large bande de la référence, élève cette fréquence aux alentours de quelques gigahertz. Elle peut alors être conditionnée et distribuée vers les sorties du circuit, ou servir de fréquence de base haute pour de nouvelles transpositions. A ces fins, l'étage PLL2 s'appuie sur deux VCO intégrés à large excursion et très faible bruit, capables de satisfaire aux normes de radiocommunication les plus exigeantes, comme le GSM multiporteuse. Ce standard exige en effet des récepteurs une dynamique exempte de tout parasite (SFDR) de - 95dBc, avec des spécifications de bruit de phase approchant les - 160dBc/Hz à 800kHz. Ces VCO fonctionnent respectivement à 2,5 et 3GHz et sont associés aux diviseurs placés en aval afin d'offrir une large couverture de fréquence. Dans les cas extrêmes, il est possible d'utiliser un VCO externe plus performant jusqu'à des fréquences de 5 GHz. Sur le diagramme fonctionnel du HMC7044, la seconde boucle PLL haute fréquence alimente un arbre de distribution de signaux d'horloge à 7 paires de branches. Chacune d'elles est constituée de ses propres diviseurs et dispositifs de retard numériques et analogiques, programmables par bus SPI. Ces derniers permettent un alignement des fronts d'horloge avec une résolution aussi fine que 25 ps pour réduire les dispersions temporelles ( skew ) entre les signaux de sortie. Les 14 sorties configurables offrent une grande souplesse dans l'interfaçage avec les différents éléments d'un système radio-numérique, comme les convertisseurs A/N et N/A, les oscillateurs locaux pour les mélangeurs réels ou complexes, en passant par les sempiternels FPGA et autres Asic et DSP. Les sorties programmables sont compatibles avec les logiques LVDS, LVPECL, CML et LVCMOS, avec des ajustements de polarisation et de sortance, et le choix du couplage en continu ou en alternatif, et des options de terminaison interne/externe 50 ou 100O. Les sorties affichent une très faible diaphonie et leur circuiterie d'ajustement de phase combine à la fois linéarité et bruit minimal. Dans le même esprit, le HMC7044 embarque les régulateurs de tension nécessaires à ses alimentations et ce pour un PSRR optimal. Il ne nécessite qu'une seule valeur de tension d'alimentation de 3,3V et se présente sous la forme d'un boîtier QFN68 de 10x10mm. Mis sur le marché quelques mois plus tôt, l'AD9528 est un autre générateur distributeur d'horloge fonctionnellement semblable au HMC7044 et également doté du support pour le JESD204B. Comme l'indique le tableau, ses prétentions sont moindres tant pour la fréquence de sortie maximale que pour les caractéristiques de gigue ou de bruit de phase. Ce qui lui permet d'afficher une consommation parmi les plus faibles de sa catégorie et un coût assorti. Il est encapsulé dans un boîtier QFN à 72 broches et s'alimente aussi à partir d'une tension unique de 3,3 V. Son prédécesseur, l'AD9523-1, est dépourvu des fonctionnalités JESD204. Il s'avère intéressant en raison de sa modeste consommation inférieure à 1W, conjuguée à des performances de gigue lui permettant d'être associé à des convertisseurs 16 bits admettant des fréquences d'entrée/sortie de l'ordre de 200 MHz. Le second étage PLL dispose de plusieurs possibilités de synchronisation, alors que la fonction « zero delay » intégrée garantit un alignement temporel de ses sorties avec la phase du signal d'horloge de référence. Le standard JESD204B régit les liaisons SerDes des convertisseurs avec les FPGA. La sous-classe 1 qui a été définie pour ce standard prend en compte la notion de « latence déterministe » et apporte une solution aux retards variables introduits par les Fifo élastiques, les calibrages en tous genres… Positionnement en termes de rapport signal/bruit de divers circuits utilisés dans les systèmes de génération des signaux d'horloge. Satisfaire aux exigences du standard JESD204B Pour satisfaire aux exigences de JESD204B, les générateurs d'horloge haut de gamme récents, comme l'AD9528 et le HMC7044, embarquent les fonctions indispensables. Cela implique la résolution des ambiguïtés de phase au niveau des diviseurs et la génération rigoureusement synchrone du signal de référence SYSREF avec son horloge compagnon «DEVICE ». Ainsi, après initialisation complète des liens par l'activation du signal SYNC, il est possible d'envoyer sur SYSREF une ou plusieurs impulsions qui seront interprétées comme un ordre d'alignement des liens. Avec la possibilité d'émettre l'équivalent de marqueurs temporels permettant indirectement de déterminer avec précision le temps de propagation de chaque lien SerDes JESD204B et, ultimement, d'en compenser les différences. Analog Devices intègre dans la quasi-totalité de ses CAN et CNA compatibles JESD204B des mécanismes pour connaître les variabilités de propagation jusqu'au niveau temporel de l'échantillon. Afin de suivre les augmentations de la fréquence d'échantillonnage des convertisseurs, les dernières évolutions du standard ont porté les cadences par lien jusqu'à 12,5Gbit/s. Pour parvenir à cet objectif, l'horloge «DEVICE» est devenue l'horloge unique du système, l'ensemble du dispositif fonctionnant selon un principe d'horloge harmonique. Avec une seule fréquence d'horloge générée et distribuée comme un diapason à tous les éléments du système JESD204B, les risques d'interférences sont moindres et une meilleure intégrité des signaux sur le PCB est garantie. La fréquence de ces signaux d'horloge est ensuite divisée ou multipliée (x2, x3, x4, etc.) au sein des circuits (CAN, CNA et circuits logiques), pour y produire les nécessaires fréquences d'échantillonnage et de cadencement, dont le signal de trame LMFC ( Local Multi-Frame Clock ) de chaque lien JESD204B. Le système est apte à rattraper des écarts de propagation de lien pouvant aller jusqu'à une période de l'horloge locale. Autour des liens JESD204B et des signaux de synchronisation SYNC et SYSREF, la configuration du schéma bloc de la figure 3 comprend un ensemble de convertisseurs A/N et N/A autour d'un FPGA. Si celui-ci est susceptible d'assurer le traitement des données fournies ou à transmettre, en premier lieu il embarque les fonctions de sérialisation et de désérialisation des trames convoyées par les liens SerDes, selon le protocole JESD204B. Sans pour autant faire appel à la complexité des liaisons SerDes JESD204B, les concepteurs, devant faire face aux défis de synchronisation que représentent les gros systèmes multicanaux, pourront faire appel aux ressources de synchronisation et de mise en phase globale des registres et diviseurs de ces dispositifs de génération et de distribution d'horloge. Dans l'arsenal de composants de génération et de distribution d'horloge, il est parfois nécessaire de compter sur des fonctions simples et complémentaires comme des générateurs d'horloge et des étages tampons, élevant la complexité des circuits de distribution d'horloge multicanaux avec ou sans diviseurs et retards programmables. Ainsi, le HMC1034 est l'un des rares générateurs d'horloge à synthèse fractionnaire et entière affichant des niveaux de gigue de 11‡8 et 78 fs efficaces, respectivement. La figure 4 donne un éventail de certaines de ces fonctions ainsi que leur positionnement vis-à-vis de la problématique rapport signal à bruit – fréquence signal et de la gigue temporelle. Evaluer les paramètres de première importance Seule, une sélection attentive des composants de génération et de distribution permet d'extraire les meilleures performances possibles des convertisseurs de données. Il est plus judicieux de faire une estimation de la gigue d'horloge en se basant sur le bruit de phase et la bande de fréquence considérée pour l'application. Selon les applications et les éléments à alimenter, les paramètres les plus importants à considérer seront le plancher de bruit et le bruit de phase en pied de porteuse. Il existe aujourd'hui des solutions de génération d'horloge et de timing performantes et abordables, susceptibles de supporter les convertisseurs de données les plus rapides, sans pour autant être le facteur qui bride leurs performances les plus fondamentales. Homogènes, des produits comme le HMC7044 réussissent à présenter des caractéristiques en termes de bruit de phase voisines de celles obtenues avec des composants discrets, au niveau de leur VCO, de leur détecteur de phase et de toute la circuiterie logique de distribution et de conditionnement (division, retard) des signaux produits sur leurs sorties. En prime, des fonctions complexes de synchronisation et de signalisation sont mises à disposition, tout en garantissant une extrême précision temporelle ainsi qu'une souplesse de programmation incomparable des fonctions comme la gestion des compromis performance-consommation.

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