Couverture ElectroniqueS n°127

Avec leur capacité de numériser et synthétiser instantanément des largeurs de bande jusqu'à 2 ou 3 GHz, les convertisseurs RF offrent aux concepteurs la possibilité de réduire considérablement le nombre de composants requis par un sous-système radio. Ils autorisent aussi un haut niveau de reconfigurabilité par voie logicielle impossible à obtenir avec une conception radio classique. T out concepteur radio est contraint de trouver un compromis entre une conception large bande la plus performante possible et la consommation d'énergie. La manière dont il répond à cette contrainte détermine la taille et le poids de la radio et influe donc radicalement sur sa localisation : bâtiments, tours, poteaux, véhicules souterrains, packs, poches, oreilles, lunettes, etc. Chaque radio dispose d'une quantité d'énergie en rapport avec son emplacement. Un bâtiment ou une tour, par exemple, auront probablement plus de puissance disponible qu'un smartphone ou un casque Bluetooth. Dans tous les cas, il existe une loi fondamentale : moins une radio consomme, plus le débit par unité de puissance est élevé et plus la radio est petite et légère. Ce précepte a été le fil conducteur de l'innovation dans l'électro-nique des communications depuis de nombreuses années. Les fabricants de semi-conducteurs n'ont cessé d'ajouter des fonctionnalités et d'offrir des performances accrues dans des composants de plus en plus petits. Les systèmes sont ainsi plus compacts, plus fonctionnels, plus légers, voire les trois à la fois dans certains cas. Un équipement ainsi optimisé peut être placé dans des endroits jusqu'alors impensables. L'espace requis dans un bâtiment peut être diminué lorsque l'unité radio est située sur une tour et la taille d'une tour peut être réduite si le poids de l'unité radio est suffisamment faible. Ainsi, une unité radio qui devait DANIEL E. FAGUE ET STEVEN C. ROSE (ANALOG DEVICES) Daniel E. Fague est directeur de l'ingénierie d'application des systèmes au sein de la division High Speed Products d'Analog Devices. Il a obtenu son BSEE à l'université Gonzaga et son MSEE à l'université de Californie à Davis. Steven C. Rose est ingénieur de conception au sein de la même division. Il a reçu son BSEE à l'université du Michigan et son MSEE à l'université de Californie à Berkeley. SYSREF être transportée dans Ctrl un véhicule en raison de son poids peut désormais être incluse dans un pack. L'environnement actuel est rempli d'anciennes installations nécessitant des bâtiments, des tours, des poteaux et des véhicules. Pour répondre au besoin d'interconnexion du monde, les ingénieurs ont conçu des équipements avec les composants disponibles à leur époque. Ils ont façonné le riche environnement de communication dont nous disposons aujourd'hui. Un environnement où nous pouvons parler, envoyer des SMS, prendre des photos, télécharger et surfer presque n'importe où sur différents réseaux : réseaux mobiles sans fil, LAN sans fil, réseaux « ad hoc » de courte portée, etc. Tous se connectent au réseau câblé haut débit sur lequel les données sont acheminées par des câbles RF et éventuellement par fibre optique ( voir figure 1 ). Une expérience vidéo améliorée Comme le démontrent plusieurs études, l'augmentation des quantités de données transmises devrait se poursuivre tout au long de la prochaine décennie (1) . Le moteur de cette croissance est une demande apparemment insatiable pour un contenu plus riche nécessitant une bande passante plus large. Ainsi, les opérateurs de télévision par câble et les fournisseurs de fibre optique jusqu'au domicile continuent de se faire concurrence sur des services haut débit à domicile, en offrant des connexions plus rapides et davantage de chaînes de télévision haute définition. Le passage à l'ultra haute définition (définition UHD ou 4K) demande plus de deux fois la capacité nécessaire pour la HD et exige des largeurs de bande de canal plus importantes que celles utilisées actuellement. En outre, la vidéo immersive, qui inclut la réalité virtuelle (VR), ainsi que les jeux et les effets 3D – tels que la visualisation à 180° ou panoramique et multidimensionnelle, le tout avec une télévision 4K UHD – nécessitera une bande passante allant jusqu'à 1 Gbit/s par utilisateur (2) . Cela va bien au-delà des exigences déjà très importantes de la simple diffusion de la télévision 4K UHD et du streaming. Les jeux en ligne requièrent des bandes passantes symétriques sur le réseau, car les temps de latence y sont cruciaux. Cela entraîne le développement d'une capacité de transmission beaucoup plus grande. Ce besoin de capacités étendues en émission incite les fabricants d'équipements à améliorer leurs conceptions pour réaliser des transmissions symétriques à large bande passante. Les capacités accrues des convertisseurs RF actuels jouent un rôle essentiel dans la diffusion d'un contenu vidéo aussi riche. Ils doivent pouvoir créer des signaux ayant une dynamique élevée, avec d'excellentes performances en termes de parasites afin d'exploiter des modulations d'ordre supérieur, telles que 256-QAM, 1024-QAM et 4K-QAM. Ces schémas de modulation sont exigés pour augmenter l'efficacité spec-trale de chaque canal. En effet, le réseau de câbles coaxiaux et les amplificateurs de distribution ont une bande passante finie de 1,2 GHz à 1,7 GHz. De meilleures performances des équipements de transmission de tête allongent la durée de vie utile de la base installée, ce qui allège les contraintes du budget d'investissement. Les opérateurs de services multiples (MSO) disposent ainsi de plus de temps pour la mise à niveau de leurs matériels et systèmes de transmission. Le test multibande, multimode Les smartphones actuels ressemblent de moins en moins aux téléphones mobiles traditionnels, car ils s'enrichissent continuellement de nouvelles fonctions. Un grand nombre d'entre elles sont associées à des radios. Un mobile actuel contient au moins cinq à sept radios et souvent davantage. Chacune de ces radios doit être testée lors de la fabrication du smartphone, ce qui pose de nouveaux défis aux fabricants de testeurs de communications mul-timodes. Il faut être rapide pour que les coûts restent faibles, sachant que le nombre de ces tests augmente avec la multiplication des radios. Construire un matériel de test différent pour chaque radio du smartphone mobile devient délicat du fait de la taille et du coût du testeur. Avec le nombre grandissant de bandes de fréquence ouvertes ou proposées pour les services mobiles, tester de plus en plus de radios dans un téléphone mobile devient encore plus complexe (3) . Les convertisseurs RF sont en mesure de relever ce défi. Dans l'émetteur comme dans le récepteur, ils offrent une flexibilité qui ne peut être obtenue avec les radios classiques. Les convertisseurs RF large bande capturent et synthétisent directement des signaux dans chaque bande simultanément. Plusieurs radios seront ainsi testées en même temps dans le téléphone mobile. Avec les générateurs de canaux intégrés aux CNA RF et CAN RF, ces multiples signaux radio sont traités efficacement dans les convertisseurs. Par exemple, sur la figure 2, les trois générateurs de canaux par CNA RF permettent à trois signaux/bandes différents d'être synthétisés directement, combinés puis translatés numériquement en bande RF avec l'oscillateur à commande numérique (NCO), avant d'être transformés en signal analogique par le CNA RF. Dans d'autres segments de marché, tels que les équipements de test pour le domaine aérospatial et la défense, il y a un besoin croissant de solutions large bande pour les radars à impulsions et les communications militaires. En raison du nombre et des types de radars (systèmes de renseignements électroniques, équipements de guerre électronique et de communications) devant être testés, les fabricants doivent mettre au point un instrument flexible doté de fonctionnalités multiples (4) . Par exemple, les générateurs de formes d'onde arbitraires sont nécessaires pour créer divers signaux, tels qu'une modulation de fréquence linéaire, des signaux pulsés, des signaux à cohérence de phase et des signaux modulés, dans une large gamme de fréquence de sortie et bandes passantes. L'appareil de mesure doit également être capable de recevoir de tels signaux lors du test de l'excitateur ou de l'émetteur. Les convertisseurs RF couvrent bien cette application, en permettant la synthèse et la mesure RF directes aux fréquences RF. Dans certains cas, cela évitera une translation de fréquence et dans d'autres, cela limitera à une seule le nombre de translations, simplifiant le matériel et réduisant sa taille, son poids et sa consommation d'énergie. L'ajout de fonctions numériques, telles que les géné-rateurs de canaux, les interpolateurs, les NCO et les multiplexeurs, permet un traitement efficace du signal à partir d'une technologie Cmos faible consommation. Les radios définies par logiciel Les convertisseurs RF deviennent des composants essentiels dans les radios définies par logiciel. En synthétisant et capturant directement les fréquences radio dans une gamme de plusieurs gigahertz, les convertisseurs RF simplifient l'architecture radio en éliminant l'ensemble des étages de translation fréquentielle ascendante ou descendante. Ces fonctions seront en effet implantées sous une forme numérique. La suppression de l'étage de translation analogique et des mélangeurs associés ainsi que des synthétiseurs de l'oscillateur local (OL) et des filtres associés réduit la taille, le poids et la puissance ( size , weight and power ou SWaP) d'une radio. Celle-ci peut alors être positionnée dans davantage d'endroits et fonctionner à partir de sources d'alimentation plus petites. Cette technologie permet aux radios d'être suffisamment compactes et légères pour être portées à la main, placées dans de petits véhicules terrestres ou montées dans divers équipements aériens tels que des avions, des hélicoptères et des véhicules aériens sans pilote (UAV) (5) . Outre une meilleure communication entre différentes plateformes ( voir figure 3 ), le matériel radio construit avec des convertisseurs RF a l'avantage d'être multifonction, multimode et multibande. Puisque les convertisseurs RF vont jusqu'aux bandes radar inférieures, et bientôt jusqu'aux bandes radar supérieures, le concept d'une seule unité servant de radar et de liaison de communication tactique devient réalité. Une telle unité offre un atout évident en termes de réparations sur le terrain, de mises à niveau, de procédures d'achat et de coûts. La synthèse et la capture directe des fréquences radar font d'un convertisseur RF le composant idéal pour les radars à commande de phase. Comme les convertis-seurs RF réduisent grandement la quantité de matériel d'une radio traditionnelle, une chaîne de signal individuelle devient beaucoup plus petite et légère. Il est donc possible d'intégrer un grand nombre de radios dans un espace réduit. Des systèmes radar à commande de phase montés sur des navires ou au sol, ainsi que des systèmes et des unités plus petites pour les opérations de renseignement, seront élaborés avec un meilleur SWaP. La technologie derrière les convertisseurs RF L'un des progrès technologiques qui font des convertisseurs RF une réalité découle des process Cmos dont les gravures se font toujours plus fines. Avec la diminution de la longueur de la grille et de la taille du transistor Cmos de base, les portes numériques sont plus rapides, plus petites et consomment moins d'énergie (6) . Cela permet d'intégrer davantage de traitement numérique du signal (DSP) sur la puce du convertisseur RF, tout en gardant une consommation d'énergie et une surface de puce raisonnables. L'intégration de générateurs de canaux, de modulateurs et de filtres numériques programmables par logiciel est essentielle à la construction d'une radio efficace et flexible. Ce DSP plus performant permet également l'utilisation du traitement numérique pour aider à corriger les défauts analogiques du convertisseur. Du côté analogique, chaque nouveau nœud fournit des transistors plus rapides qui ont un meilleur appariement par unité de surface. Ces améliorations sont primordiales pour obtenir des convertisseurs de haute précision plus efficients. Néanmoins, les progrès liés aux procédés technologiques ne suffisent pas et des avancées architecturales interviennent aussi. L'architecture optimale pour les CNA RF est l'architecture à pilotage de courant. Les performances de ce type de CNA dépendent de l'appariement des sources de courant qui le constituent. La variabilité d'une source de courant non étalonnée est proportionnelle à la racine carrée de la surface de cette source (7) . La variabilité par unité de surface s'améliorera avec chaque avancée technologique. Cependant, même dans les procédés les plus évolués, une source de courant ayant une erreur aléatoire suffisamment faible pour un convertisseur haute résolution aurait une surface très grande. Avoir une source de courant aussi imposante aurait pour résultat d'augmenter la taille du convertisseur et, plus grave encore, la capacité parasite de cette source de courant dégraderait les performances du CNA à haute fréquence. Une solution beaucoup plus intéressante consiste à calibrer des sources de courant plus petites pour atteindre la précision souhaitée. Cela réduit considérablement les effets parasites et permet ainsi d'avoir la performance en linéarité souhaitée, sans compromettre les performances à haute fréquence. S'il est correctement réalisé, cet étalonnage s'avérera très stable en température et ne sera effectué qu'une seule fois. Un étalonnage unique et stable signifie qu'il n'est pas nécessaire d'exécuter cette procédure de façon périodique en arrière-plan (8) . Ce qui économise de l'énergie et dissipe les inquiétudes quant à de potentiels parasites induits. Un autre choix architectural, qui aide à obtenir les performances souhaitées du convertisseur à des vitesses très élevées, concerne le commutateur mis en œuvre pour contrôler le courant du CNA. La structure traditionnelle à double commutateur ( voir figure 4 ) présente plusieurs inconvénients lorsqu'elle fonctionne à très haute vitesse (9)(10) . Comme les données transmises au commutateur double resteront souvent les mêmes pendant un à plusieurs cycles d'horloge, le nœud terminal aura un temps de stabilisation qui sera dépendant d'elles. Si la fréquence d'horloge est suffisamment lente pour que ce nœud se stabilise en une seule période d'horloge, cela ne pose pas de problème. Cependant, à des vitesses très élevées, ce nœud ne se stabilisera pas complètement en un seul coup d'horloge et le temps de stabilisation lié aux données causera une distorsion à la sortie du CNA. Si l'on utilise une structure à quatre commutateurs ( voir figure 5 ), les signaux de données sont tous remis à zéro. La tension du nœud final est ainsi indépendante des données en entrée, ce qui élimine le problème mentionné ci-dessus. Le commutateur quadruple permet également de mettre à jour les données du CNA sur les deux fronts du signal d'horloge. Cette fonctionnalité sera mise à profit pour doubler efficacement la fréquence d'échantillonnage du CNA sans doubler la fréquence d'horloge (11) . L'utilisation d'un algorithme d'étalonnage de source de courant bien conçu et d'une cellule de commande de courant à quatre commutateurs, combinée aux process Cmos à gravure fine actuels, permet de concevoir un CNA apte à échantillonner à des cadences très élevées et avec une excellente dynamique. Cela facilite la synthèse de signaux de haute qualité sur une large plage de fréquences. Lorsque ce CNA à large bande est associé à un DSP performant, il devient un émetteur radio très flexible et puissant, qui sera configuré pour fournir des signaux dans les différentes applications mentionnées dans cet article (12) . Les futures radios Si les convertisseurs RF d'aujourd'hui aboutissent déjà à des changements radi-caux dans la conception des architectures radio, leur impact sur la consommation d'énergie et la taille des radios s'accentuera à mesure que les procédés évolueront et que la conception du convertisseur RF s'améliorera. Ces avancées technologiques arrivent juste à temps pour concrétiser la nouvelle génération de radios, telles que certaines applications de stations de base sans fil 5G émergentes comme le MIMO massif, ainsi que des applications de formation de faisceaux et de radars à commande de phase à grande échelle. Avec la lithographie submicronique profonde, des quantités encore plus importantes de circuits numériques seront placées sur la puce du convertisseur RF. Des fonctions de calcul intensives, telles que la prédistorsion numérique (DPD), mais aussi des algorithmes de réduction du facteur de crête (CFR), seront intégrées (13) . Ces algorithmes aident à améliorer le rendement de l'amplificateur de puissance et à réduire la puissance globale du système de façon spectaculaire. De telles intégrations limiteront la pression exercée sur la logique FPGA gourmande en énergie, et déplaceront ces fonctions vers une logique dédiée plus sobre. D'autres possibilités incluent l'intégration du convertisseur RF et du traitement numérique avec des composants analogiques RF, hyperfréquences ou millimétriques. Avec, à la clé, une réduction supplémentaire de la taille et une simplification accrue de la conception de la radio, pour parvenir à une approche système bits-to-antenna. n

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