SOFT RF

Aspects RF du
terminal mobile :
Vers le soft RF ?

David ANDRY – Christophe RAFFIN

DESS Communications mobiles 2001/2002

Responsable : M. Bertrand BONTE

INTRODUCTION

Actuellement, l’importance de la partie radio-fréquence du terminal mobile est évidente. En effet, elle représente la moitié du coût et du nombre de composants du terminal. Par ailleurs, étant donné la diversité des standards utilisés dans les radiocommunications mobiles (UMTS, GSM 900, DCS 1800 , IS-95…), le besoin en terminaux multi-normes et multi-standards apparaît. De ce fait, des efforts s’orientent vers une tête RF universelle.

L’une des solutions est la suivante : créer des interfaces radio entièrement re-programmables et qui, selon l’environnement, se configurent dans la norme exigée. Des recherches actuelles portent sur des circuits RF entièrement re-configurables. En effet, la propriété de re-configuration se fait à l’aide de composants comme des capacités variables. L’implémentation de tels composants permet un certain degrés de liberté dans les fonctions RF.

Cependant, une autre alternative devient de plus en plus intéressante. Il s’agit de la radio logicielle. Son concept consiste à numériser le signal RF au plus prés de l’antenne et à faire réaliser les fonctions de l’interface radio par des processeurs de traitement du signal. On parlera plus couramment de software radio. Cette technique offre de véritables perspectives de terminaux mobiles universels.

Dans un premiers temps, nous nous efforcerons de présenter la partie RF d’un mobile actuel et ainsi d’énoncer les limitations d’une telle architecture face aux prochains enjeux. Puis, nous présenterons des alternatives énoncées précédemment.

1. Fonctionnalités et rôle de la partie RF :

Dans cette partie, nous décrirons les différentes composantes de la structure RF de base. Puis nous présenterons une architecture plus spécifique au mobile, c’est à dire celle d’un terminal GSM bi-bande 900-1800.

1.1 Principe d’émission et de réception RF :

Fig. 1 : Schéma de base d’un système émission/réception RF.

En premier lieu, on remarque que l’antenne est utilisée en émission et en réception. De plus, à cause du switch, l’émission et la réception ne peuvent être simultanées.

En réception, l’amplificateur LNA est là pour apporter une première amplification du signal et compenser toute les pertes d’insertions aux connexions depuis l’antenne. De plus, il doit limiter l’effet du bruit sur la chaîne de réception. Le mélangeur du circuit permet de faire la transposition en fréquence (« downconverter ») des signaux reçus vers la fréquence intermédiaire. Cette opération se fait à l’aide du VCO ( Oscillateur local ).

En émission, après production des porteuses I et Q, on module le signal à l’aide du signal d’information (modulator). Puis on effectue une transposition de fréquence vers la fréquence RF. Cette transposition est réalisée à l’aide du mélangeur (« upconverter »). Ensuite, le signal RF obtenu est amplifié pour être envoyé vers l’antenne.

Cependant, ce schéma est idéal et des applications telles que le système GSM nécessitent une architecture plus complexe (filtres, contrôle de puissance…)

1.2 Une architecture plus complexe : le GSM bi-bande.

A présent, nous allons décrire différents problèmes auxquels nous sommes confrontés dans un système multi-bandes. Pour cela, nous allons prendre l’exemple d’un terminal mobile GSM 900 – DCS 1800 [1].

a) Problème de la fréquence image.

La structure précédente, idéale, présente un inconvénient. En effet, 2 émetteurs peuvent être reçus pour une valeur donnée de l’oscillateur local Fo. Par exemple, si on veut recevoir une émission de la station de base à F1=935.2 Mhz, on réglera la fréquence du VCO à Fo = 1375.2 Mhz. Malheureusement, la fréquence F’1=Fo+Fi = 1815.2 Mhz (Fi = fréquence intermédiaire) mélangée à 1375.2 Mhz tombera aussi à 440 Mhz. Cette deuxième fréquence F’1 est appelée fréquence image de F1. On voit que l’émetteur est séparé de son image par un intervalle égal à 2 Fi.

Pour résoudre ce problème, il est nécessaire de placer des filtres de bande entre l’antenne et le mélangeur. Ces filtres sont des filtres à ondes de surface ( FOS ou Surface Acoustic Wave ).

Pour un système bi-bandes, deux filtres sont nécessaires. Ces deux filtres sont de technologie différente : FOS pour le GSM 900 et filtre céramique pour le DCS 1800.

b) le contrôle de puissance.

Deux raisons expliquent le contrôle de puissance :

· En émission, la station de base régule la puissance à une valeur juste suffisante pour une liaison sans erreur et une consommation minimale du mobile.

· En début et fin d’émission, la forme de la montée et de la descente de puissance est contrôlée par le circuit de gestion du mobile, pour un encombrement spectral minimal.

Dans le mobile, ce contrôle s’effectue d’une part à l’aide de coupleurs qui prélèvent une partie de la puissance émise, et donc jouent le rôle de capteur dans la boucle de régulation. D’autre part, cette puissance prélevée est comparée à une consigne donnée par le circuit de contrôle de puissance. En fonction de l’écart entre la consigne et la mesure, on régule la puissance des amplificateurs d’émission.

c) le modulateur GMSK.

Le modulateur GMSK se trouve physiquement :

· Pour moitié dans le circuit de traitement numérique (DSP) qui effectue tous les traitements allant du codage de la voix jusqu’au calcul des signaux I et Q.

· Pour moitié dans le circuit RF qui produit les porteuses GSM et DCS modulées.

Fig. 2 : Le modulateur GSMK complet.

Le circuit RF utilise un signal de référence (porteuse) modulé par les voies I et Q (cf. fig. 2). La production de cette porteuse nécessite beaucoup de circuits électroniques ( plusieurs PLL sont utilisées dans le GSM).

1.3 Conclusion.

On remarque que la structure d’un terminal bi-bandes GSM-DCS est beaucoup plus complexe que le schéma idéal d’un émetteur/récepteur RF. En effet, en raison des problèmes dût aux contraintes de transmission mobile, beaucoup de paramètres doivent être pris en compte dans la chaîne RF.

Ces différentes contraintes induisent des terminaux avec beaucoup de composants électroniques et offrent donc des architectures très rigides. En effet, des circuits RF sont spécifiques à une norme et ne peuvent aucunement évoluer vers d’autres standards et d’autres bandes.

Par conséquent, pour répondre aux enjeux d’un mobile universel, il faudra nécessairement rendre cette tête RF plus souple et trouver d’autres technologies adéquates à cette demande.

On pourrait entrevoir des composants reprogrammables, capables d’évoluer selon la norme utilisée tels que les MEMS composants (MEMS : Micro Electro Mechanical).

2. 1^ereSolution : Les composants reprogrammables :

Nous avons vu précédemment le manque d’adaptabilité de la partie RF d’un mobile GSM actuel. Pour pallier à cette faiblesse, l’une des solutions envisageables est de reprogrammer les composants « physiques » déjà implantés. Andreas KAISER, chercheur à l’IEMN, nous propose une architecture utilisant cette technologie. Ces composants se nomment MEMS [2].

2.1 Exemples de composants MEMS :

· Les capacités variables :

Fig. 3 : Schéma d’une capacité variable

Le principe est d’appliquer une tension variable Vdc sur le condensateur dont la plaque supérieure est reliée à 2 ressorts mécaniques. Cette différence de potentiel induit une variation de la distance entre les deux plaques, ce qui entraîne une variation de la valeur de la capacité. Cette valeur peut atteindre 150% de la valeur nominale Co (Capacité sans application de tension Vdc).

· Les RF switches :

Fig. 4 : Schéma de principe d’un micro-switch capacitif

Ces composants peuvent être soit ohmiques, soit capacitifs. Le principe de fonctionnement est proche de celui d’une capacité variable. La valeur de la capacité prend l’une des 2 valeurs fixées Con et Coff (interrupteur fermé et ouvert) suivant la tension de commande appliquée au condensateur.

· Inductance variable :

Pour ce type de composants, il est plus difficile de faire varier la valeur de la self. En effet, pour modifier cette valeur il faut soustraire ou ajouter des spires, ce qui est beaucoup plus complexe que les techniques précédentes. Cependant, des recherches sont en court.

2.2 Architecture Radio utilisant les composants MEMS :

Nous allons voir une association de ces différents composants reprogrammables dans une application de type récepteur multi-standards RF (cf. Annexe).

Dans cette architecture, certains paramètres peuvent donc être configurés. Les inductances et les capacités variables sont utilisées pour faire varier la fréquence centrale des filtres et la fréquence d’oscillation des VCO. Les micro-switches RF sont utilisés pour acheminer le signal dans les différents blocs correspondant aux traitements désirés.

2.3 Conclusion :

Bien que cette technologie réponde à l’aspect multi-standards recherché, le coût, la fabrication, le design et l’assemblage restent à optimiser pour une application grand public. En effet, ces composants n’existent qu’en laboratoire.

3. 2^ème solution : Le software radio :

Pour pallier aux inconvénients des composants reprogrammables (coût, design, fabrication…), une des alternatives est de remplacer les composants discrets par des traitements numériques, ces traitements numériques étant facilement modifiables et reprogrammables. Nous n’étudierons que les récepteurs en radio logicielle, l’émission reprenant le même principe que la réception [3].

3.1 Le récepteur Soft radio idéal :

Fig. 5 : Principe d’un récepteur Soft RF idéal.

Dès réception du signal par l’antenne, celui-ci est amplifié par un ampli faible bruit puis filtré afin d’atténuer tout les signaux parasites. Ensuite, il est aussitôt numérisé par un convertisseur analogique/numérique de cadence égale à 100 millions d’échantillons par seconde. Les mots obtenus sont traités par un DSP.

On peut donc constater que le but d’une telle architecture est de numériser le signal le plus près possible de l’antenne. Ainsi, certains composants de la tête RF très rigides comme le mélangeur disparaissent. Les opérations de filtrage s’opèrent à l’aide de traitements numériques de l’information.

Cependant, un tel système est utopique car des problèmes techniques apparaissent. En effet, pour travailler sur différentes normes et différentes bandes, l’amplificateur faible bruit et le filtre doivent fonctionner en large bande. De plus, pour échantillonner des signaux allant jusque 2,5 Ghz (UMTS, Bluetooth…), la fréquence d’échantillonnage devrait être de 5 Ghz (cf. théorème de Shannon). Aussi, l’ensemble des signaux réceptionnés impliquent une grande dynamique du convertisseur. Cette contrainte est satisfaite grâce aux convertisseurs actuels mais dans une certaine bande de fréquence, ce qui limite l’utilisation universelle d’un tel système.

La solution envisagée est, d’une part réduire la bande passante à numériser et d’autre part diminuer la fréquence de travail en passant par une fréquence intermédiaire. Cette alternative est plus couramment appelée « software defined radio » (radio logicielle restreinte).

3.2 Une architecture plus faisable : le software defined radio :

Fig. 6 : Un récepteur radio logicielle faisable.

Ce récepteur fonctionne sur une bande moins large (quelques dizaines de Mhz) que le récepteur idéal, à cause de l’utilisation d’un filtre image. En effet, on ne numérise plus le signal au plus près de l’antenne, mais après un mélangeur qui permet de transposer le signal dans une bande intermédiaire. Le début de la chaîne ressemble donc à celui d’une chaîne RF « classique ».

Le fait de baisser la fréquence d’échantillonnage permet d’utiliser les convertisseurs actuels. La charge d’information à traiter par le DSP s’en trouve grandement diminuée.

Le filtre passe bande suivant le mélangeur joue le même rôle que dans la chaîne idéale. Le « digital front end » est la partie maîtresse de ce récepteur. Elle reçoit les données du convertisseurs et effectue des opérations nécessaires à l’extraction de l’information désirée. Ces opérations sont les suivantes :

· Démodulation

· Ré-échantillonnage

· Sélection du canal

La sélection du canal concrétise la flexibilité d’un tel système. En effet, plusieurs canaux peuvent être traités différemment ou simultanément, opération qui était impossible sur une chaîne RF classique.

Actuellement, cette faculté de simultanéité de traitement des canaux est utilisée dans certaines BTS. On peux démoduler dans un même temps 8 canaux GSM [4]. Cette solution permet de diminuer les coûts des BTS (une interface RF au lieu de 8) et leur complexités. Voici la description d’une telle architecture :

Section numérique

Section analogique

Fig. 7 : Architecture de réception large bande pour une BTS.

Pour pouvoir faire fonctionner plusieurs standards et ajouter de nouvelles fonctionnalités sur les mobiles et les BTS, un remplacement ou une mise a jour du logiciel de traitement implanté dans la chaîne Soft RF est nécessaire. Deux types de téléchargement sont possibles [5]. Le premier est le cas nécessitant un transfert long et un débit important. Pour cela, deux solutions sont envisagées : une liaison filaire associée à une connexion sur un serveur spécialisé ou bien un chargement préliminaire sur la carte USIM. Dans le cas de transferts courts (correction logiciel, mise à jour…), une liaison radio sera établie.

Le software defined radio semble beaucoup plus envisageable dans un avenir proche qu’une chaîne pure « soft radio ». Mais dans le futur, d’autres architectures « soft radio » pures pourrons être mises en œuvre [6]. Par exemple, l’utilisation de CAN en parallèle ( augmentation de la fréquence d’échantillonnage) et une mise en réseaux de plusieurs DSP ( DSP spécialisé pour une tache donnée, mise en commun des puissances de calcul) pourront permettre de numériser les signaux directement sur l’antenne. Ainsi, l’objectif initial recherché par l’emploi des systèmes « soft radio » sera atteint.