Génération d`impulsions : Fondamentaux et applications

Transcription

Génération d’impulsions
Fondamentaux et applications
Ecole d’automne Ultra-Large Bande – octobre 2006
Jean-François Naviner
Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications
LTCI UMR ENST-CNRS 5141
Plan
2

Définitions et motivations

Régulations et spécifications

Modélisation et synthèse

Techniques principales de réalisation

Produits commerciaux

Perspectives
E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions
24-10-2006
Définition d’un signal à Ultra-Large
Bande (ULB)

Bande fractionnelle mesurée à -10dB
supérieure à 20% f H ( −10 dB ) − f L( −10 dB )
> 20%
ou
fC

Bande supérieure à 500MHz
DSP (dB)
-10dB
fL
3
fC
fH
24-10-2006
Motivation théorique

Théorème de Shannon sur la
capacité du canal
⎛
P ⎞
C = B ⋅ log 2 ⎜1 +
⎟
B
⋅
N
0 ⎠
⎝
• Avec :
C : Capacité du canal (bit/s)
B : largeur de bande (Hz)
P : Puissance du signal reçu (W)
N0 : Densité spectrale de puissance de bruit (W/Hz)

Une grande largeur de bande permet de :
• Réduire les problèmes de multi-trajets ;
• Augmenter la capacité du canal ;
• Réduire la densité spectrale de fréquence.
4
24-10-2006
5

De très haut débits
sont possibles à
très courtes
distances.

Communications à
(très) bas débit audelà de qq. Dizaines
de mètres.
Source : Intel
Débit versus distance
24-10-2006
Deux types de communications ULB

ULB à impulsions
(I-UWB, IR-UWB)
• Absence de porteuse
• Communication par
séries d’impulsions

ULB multiporteuses
(MC-UWB)
• OFDM : forme de
modulation la plus
commune
6
s (t ) =
+∞
∑ A ( t ) ⋅ p ( t − iT )
i =−∞
i
N
s (t ) = ∑ di ( t ) ⋅ e
i =1
24-10-2006
f
j 2π i T
Ts
1
7
MC-UWB
puissance (dB)
puissance (dB)
Spectres typiques
I-UWB
versus
fréquence (GHz)
10
1
fréquence (GHz)
24-10-2006
10
Caractéristiques du signal IR-UWB
8

Impulsions très courtes en bande de base à très faible
rapport cyclique ;

Signal très large bande donc à grande diversité
fréquentielle : robuste aux interférences ;

Signal à très faible DSP donc systèmes à faible
consommation d’énergie ;

Sauts temporels pseudo-aléatoires : si le code est
long, signal proche d’un bruit blanc : systèmes
«discrets» ;

Très forte résolution temporelle : peut permettre la
séparation de trajets et une localisation précise.
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Plan
9

Perspectives
24-10-2006
Régulations

Etats-Unis : février 2002
• Différents masques selon le contexte applicatif
(intérieur, extérieur, radars automobiles,
imagerie et surveillance)

Europe : mars 2006…
• Différents masques selon le contexte applicatif
(courtes distances, radars automobiles,
capteurs)

10
Japon : août 2006…
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Régulations (en intérieur)
en moyenne maximum
Europe
Japon
-40
-45
Limites d’émission (dBm/MHz)
-41,3
Etats-Unis
-50
avec DAA
-55
-60
-65
-70
-75
-80
-85
0,96
1,6 1,99
2,7
4,8
3,1 3,4
6,0
7,25
9,0
10,2510,6
-90
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Fréquence (GHz)
11
24-10-2006
10
Régulations (en intérieur)
en pic maximum
Europe
-5
Limites d’émission (dBm/50MHz)
0
avec DAA
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
1,6
-50
1
2,7
2
4,8
3,1
3
4
6,0
5
6
9,0
7
8
9
Fréquence (GHz)
12
24-10-2006
10,6
10
Puissance moyenne,
puissance maximale

Puissance moyenne :
(
)
max
Pmoy
= −41,3 + 10 ⋅ log B−10 dB ( MHz ) dBm

Puissance maximale :
max
Pcr ete$
13
⎛ B−3dB ( MHz ) ⎞
= 20 ⋅ log ⎜
⎟⎟ dBm avec 1 ≤ B ( MHz ) ≤ 50
⎜
50
⎝
⎠
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Puissances maximale et moyenne
exemples

Puissance moyenne :
• Bande passante à -10dB : 1,5GHz
max
Pmoy
= −41,3 + 10 × log1500 = −9,5dBm

Puissance maximale :
• Bande passante à -3dB : 700MHz
max
Ppeak
= 20 × log
700
= 23dBm
50
( 200mW )
• Avec une charge de 50Ω : Vcrête~4,5V
14
24-10-2006
Limitation technologique

En pratique, la technologie va limiter la
puissance crête.

Exemple :
• Bande passante(-3dB)=1GHz : Ppeak=26dBm
• Z=50Ω
VDD - VSS
15
Max. Ppeak
Max. Ppeak (2xV)
CMOS 180nm
1,8V
15,1dBm
21,1dBm
CMOS 120nm
1,2V
11,6dBm
17,6dBm
CMOS 90nm
1V
10dBm
16dBm
CMOS 65nm
0,8V
8,06dBm
14,1dBm
24-10-2006
Temps moyen entre impulsions
max
Ppeak
= α alors

Si

Exemple :
max
moy
P
max
= 10dBm = 10mW
• Si Ppeak
•
16
max
Ppeak
max
Pmoy
= 20dB
d’où
Tmoy .silence + Témission
Témission
≥α
max
= −10dBm = 0,1mW
et si Pmoy
Tmoy .silence
Témission
≥ 100

Ceci peut influer sur le choix de modulation.
¾
max
Affecter aux impulsions une puissance < Ppeak
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Caractéristiques principales d’une
impulsion
17

Amplitude crête-à-crête

Durée

Puissance

Bande passante à -3dB, -10dB

Fréquence centrale
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Plan
18

Perspectives
24-10-2006
Modulation du signal IR-UWB
frequency domain
0.5
0
0.4
-5
0.3
-10
0.2
-15
0.1
-20
Amplitude (log)
amplitude
Time domain
0.0
-0.1
-25
-30
-0.2
-35
-0.3
-40
-0.4
-45
-0.5
-2e-010
-1e-010
0e+000
1e-010
2e-010
3e-010
4e-010
-50
0.0e+000
nanoseconds

19
1.0e+010
1.5e+010
2.0e+010
2.5e+010
Frequency
Rapport cyclique très faible
Tp
5.0e+009
η=
Tp
Tc
Tc
24-10-2006
<< 1
t
Schémas de modulation

Modulation en tout ou rien

Modulation par la position de
l’impulsion

Modulation à deux états de phase

…

Modulations hybrides
• Ex. : PPM + BPSK
20
24-10-2006
Modulation en tout ou rien
t
1

t
0
OOK (On-Off Keying)
• Évite la périodicité si la séquence est non périodique.
• Mise en œuvre simple à l’émission et à la réception.
• Possibilité d’impulsions deux fois plus puissantes qu’en
PPM si équi-répartition des symboles.
21
24-10-2006
Modulation par la position de l’impulsion
t
00

01
10
11
Pulse Position Modulation (PPM)
• Pas de périodicité du train d’impulsions
• Possibilité de symboles à grand nombre d’états
• Mise en œuvre simple à l’émission par contrôle de
l’instant d’impulsion
22
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Modulation à deux états de phase
t
1

t
0
Bipolar Signaling Keying (BPSK)
• A taux d’erreur binaire identique, requiert un SNR
inférieur de 3dB à celui d’une modulation PPM
• Synchronisation simple
• Alternance d’impulsions et d’impulsions inversées
supprime les raies spectrales dues à la périodicité du
signal
23
24-10-2006
Modèles simples d’impulsions
24

Monocycle gaussien et ses dérivées

Impulsion de Rayleigh

Impulsion d’Hermite

Monocycle gaussien modulé
24-10-2006
Gaussienne, monocycle et dérivées

Gaussienne
y ( t ) = K ⋅ exp ( −α ⋅ t 2 )

Dérivée première

Dérivée seconde
y ( t ) = −2 ⋅ K ⋅ α ⋅ t ⋅ exp ( −α ⋅ t 2 )
y ( t ) = K ⋅ ( 4 ⋅ α 2 ⋅ t 2 − 2 ⋅ α ) ⋅ exp ( −α ⋅ t 2 )
25
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Impulsions en polynômes d’Hermite
modifiés
⎛ t2 ⎞ d n ⎛ t2 ⎞
hn ( t ) = ( −1) ⋅ exp ⎜ − ⎟ ⋅ n ⎜ − ⎟ avec n ∈ `
⎝ 4 ⎠ dt ⎝ 2 ⎠
n
26

Propriétés :
-
Durée d’impulsion
quasi-identique ∀n.
-
Largeur de bande
quasi-identique ∀n.
-
L’impulsion possède
une composante
continue.
-
Le nombre de passage
à zéro est égal à n.
24-10-2006
Gaussienne modulant une sinusoïde

Fenêtrage d’une fonction sinusoïdale par une
gaussienne.
y ( t ) = A ⋅ sin ( 2π ⋅ Fc ⋅ t ) ⋅ exp ( −α ⋅ t 2 )
• Exemple pour le masque FCC
27
24-10-2006

gaussienne.
• Exemple pour le masque européen
28
24-10-2006
Domaine temporel
Domaine fréquentiel
0
0.8
-2
0.6
-4
0.4
-6
Amplitude normalisée (log)
1.0
amplitude
0.2
0.0
-0.2
-0.4
-8
-10
-12
-14
-0.6
-16
-0.8
-18
-1.0
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
-20
3.0
3.5
4.0
nanosecondes

4.5
5.0
6.0
gaussienne.
• Exemple pour une bande de 500MHz
29
5.5
fréquence (GHz)
24-10-2006
Dérivées gaussiennes modulant une
sinusoïde
Dom aine fréquentiel
Amplitude normalisée (log)
0
-5
gaussienne
-10
dérivée 1ère
dérivée sde
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-2
0
2
4
6
8
10
12
fréquence (GHz)
30
24-10-2006
Elargissement de la bande passante
31
24-10-2006
Elargissement de la bande passante
32
24-10-2006
Synthèse à partir d’un masque

Principe :
• appliquer une transformée inverse de Laplace
au masque du gabarit.
ωmax
= cste ⋅ ∫ M ( p ) ⋅ e p⋅t dp
ωmin
m (t )
f max
= cste ⋅ ∫ M ( f ) ⋅ e j⋅2π ⋅ f ⋅t df
f min
• …s’en approcher par la définition d’un filtre.
33
24-10-2006
Synthèse d’un filtre à partir d’un masque

Exemple : gabarit FCC
• à f=1,6GHz DSP=-75dBm/MHz
• à f=3,1GHz DSP=-51,3dBm/MHz
• Pour une caractéristique en limite de masque, une
atténuation minimale de 24dB/octave est nécessaire.
• Pour un type de filtre donné (Tchebychev, Butterworth,
elliptique…), on détermine l’ordre minimal. (ex. ordre 4
pour approx. Tchebychev).
• La réponse impulsionnelle du filtre constitue l’impulsion
dans le domaine temporel pour une approximation
donnée et un ordre fixé à partir du masque.
34
24-10-2006
Gigue d’horloge
35

Pour un BER fixé, décroissance forte
du débit avec l’augmentation de la
gigue ;

Influence du type de modulation ;

Influence de la forme d’onde ;

Influence de la gigue sur le nombre
possible d’utilisateurs.
24-10-2006
Plan
36

Perspectives
24-10-2006
Générateur d’impulsion à effet
avalanche
Vcc
Cc
Rc
Vin
Vout
Cb
T1
RL
Rb
-Vbb
37

L’effet avalanche est évitée dans les technologies d’intégration.

Possible en discret.

Temps de montée subnanoseconde.

Difficile à caractériser, dépend de la température.

Tension élevée requise.

Délai avant nouveau déclenchement.
24-10-2006

Diodes à effet tunnel
Source: M-pulse Microwave
Générateur d’impulsion à effet tunnel
• Ge ou AsGa

Limites :
• Non compatible Si
• Faible amplitude
(<500mV)
• Polarisation sensible à
T°c
• Relativement chères
38
24-10-2006
Générateur de fronts à diode SRD

Step Recovery Diode
P
I
N
Vin
t
Rs
Vin
Vout
C
Rb
SRD
Id
C
RL
Id
t
Vb
Vout
t
39
24-10-2006
Générateur d’impulsions à diode SRD

Limites
• Non compatible Si
• Tensions requises > qq. Volts
• Délais entre impulsions
J. Han and C. Nguyen, "On the Development of a Compact Sub-Nanosecond Tunable Monocycle Pulse Transmitter for UWB Applications,«
Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 54, pp. 285-293, 2006.
40
24-10-2006
Caractéristiques d’un générateur
d’impulsions

Monolithique versus hybride

Technologie(s)
Pimpulsion

Rendement

Largeur de bande, fréquence centrale

Modulations possibles

Délai minimal entre impulsions

Programmation
Ptotale
• Fréq. Centrale, largeur de bande, puissance

41
Surface
24-10-2006
Quelques architectures possibles pour
une intégration monolithique
séquence
vers l’antenne
DLL
séquence
Logique
combinatoire
filtre
vers l’antenne
vers l’antenne
séquence
séquence
séquence
×
42
vers l’antenne
VG-PA
24-10-2006
vers l’antenne
Générateur de monocycle de Scholtz
Vcc
L
IA
C
Q4
Q5
Q1
Iin
IA
Q2
Q3
Vout
50Ω

Requiert une entrée en Iin=tanh(t)

Q1-Q5 réalisent IC5=tanh²(t)

L et C dérivent deux fois.

Vout est une approximation de la dérivée seconde du
monocycle gaussien.
H. Kim, D. Park, and Y. Joo, "Design of CMOS Scholtz's monocycle pulse generator," presented at Ultra Wideband Systems and Technologies, 2003 IEEE Conference on, 2003.
43
24-10-2006
Logique ECL
44

Logique rapide.

Possibilité de former des impulsions par combinaisons
de portes.

Inconvénients : consommation, faible excursion en
tension.
24-10-2006
Circuits différentiels, H-bridge
VDD
antenne

Le slew-rate et la dynamique sont doublés.

Pas de masse : nécessite des antennes en boucle.

À partir d’un front, génère un monocycle.
• Production de doublets
45
24-10-2006
Générateur programmable CMOS (1)
VDD
A
t
C
A
B
C
D
Vout
B
RL
C
D
H
Générateur 3
de délais
(50ps)
Logique
de
contrôle
4
4
DFF
10
Générateur
d’impulsion
Vout
Filtre
passe-bande
K. Marsden , H.-J. Lee, D. Ha, and H.-S. Lee,
"Low power CMOS re-programmable pulse generator for UWB systems," presented at Ultra Wideband Systems and Technologies, 2003 IEEE Conference on, 2003.
46
t
t
t
4
Machine
à états
t
24-10-2006

Bande : 3-5GHz, Fc~4GHz

Compatible 2-PPM et BPSK.

Débit obtenu : 160Mb/s.

Conçu en CMOS 130nm, 1,2V, 10mW, 1,56mm².

Nécessite filtre passe-bande en sortie pour gabarit Fcc.
L. Smaini, C. Tinella, D. Helal, C. Stoecklin, L. Chabert, C. Devaucelle, R. Cattenoz, N. Rinaldi, and D. Belot,
"Single-chip CMOS pulse generator for UWB systems," Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol. 41, pp. 1551-1561, 2006.
47
24-10-2006

Compatible BPSK.

Débit obtenu : 36Mb/s.

Conçu en CMOS 180nm, 2,2V, 29,7mW, 0,40mm² (cœur).

Nécessite transfo. (balun) extérieur.
T. Norimatsu, R. Fujiwara, M. Kokubo, M. Miyazaki, Y. Ookuma, M. Hayakawa, S. Kobayashi, N. Koshizuka, and K. Sakamura,
"A novel uwb impulse-radio transmitter with all-digitally-controlled pulse generator,"
presented at Solid-State Circuits Conference, 2005. ESSCIRC 2005. Proceedings of the 31st European, 2005.
48
24-10-2006
Conception conjointe
générateur d’impulsions - antenne
n
4
générateur de délai
programmable
clk
générateur
de
triangle
donnée
50Ω
filtre gaussien
du 6ième ordre
50Ω

Impulsion de type monocycle gaussien (largeur min. 375ps,
175mVcc)

Modulation PPM.

Impédance sortie générateur = imp. antenne = 100Ω

Conçu en BiCMOS 180nm, 1,8V, 45mW, 0,306mm² (cœur).
S. Bagga, A. V. Vorobyov, S. A. P. Haddad, A. G. Yarovoy, W. A. Serdijn, and J. R. Long,
"Codesign of an impulse generator and miniaturized antennas for IR-UWB," Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 54, pp. 1656-1666, 2006.
49
24-10-2006
Plan
50

Perspectives
24-10-2006
Time Domain
PulsON

Kit d’évaluation
• Fréquence de répétition
des impulsions : 9,6MHz
• Fc : 4,7GHz
• Bande à -10dB : 3,2GHz
• EIRP : -12,8dBm
• P : 6,5W
• Portée :

Communications

Radar
– 9,6Mbps : 6,4m (office), 12
17m (champ libre)
– 150kbps : 25m (office),
100-140m (champ libre)
Sécurité
Source : www.timedomain.com
51
24-10-2006
Pulse-link
CWave

Basé sur IEEE802.15.3

Bw1 : 3,3-4,7GHz avec Fc=4GHz

Bw2 : 7,4-8,7GHz avec Fc=8GHz

Modulation BPSK, jusqu’à 1,35Gbps

Processing gain : PG=1 … 64

Codage LDPC

Application : HDTV
Source : www.pulselink.net
52
24-10-2006
Freescale
XS110

Basé sur IEEE802.15.3,
gabarit FCC

DS-UWB (Direct Sequence Spread Spectrum)

Débit : 29, 57, 86 ou 114Mbps

Consommation totale : 750mW sous 3,3V

Technologies 180nm CMOS et SiGe

Portée 10m

Applications : TV, HDTV , wireless fast
ethernet
Source : www.freescale.com
53
24-10-2006
General Atomics
Spectral keying

Spectral Keying
• FSK et PPM

5 sous-bandes de 500MHz entre 3,1 et 7,3GHz

Fréq. Répétition des pulses : 6, 12 ou 18MHz

Débits : 40 ou 80Mbps

Sous 3,3v ou 1,8v

Applications : vidéo, wireless-USB
Source : www.ga.com
54
24-10-2006
Plan
55

Perspectives
24-10-2006
Perspectives

Conception conjointe générateur
d’impulsions et antenne

Futurs générateurs d’impulsion
Perspectives
• Intégration CMOS complète
• Programmables (puissance, Fc, Bw,
modulation)
• Permettre des modes ‘burst’ (jusqu’à
500MIps)
• Recherche d’une consommation minimale
56
24-10-2006
Références

FCC First Report and Order Regarding UWB Transmission, 98-153, Federal Communication Commission, 14 février 2002.

L.W. Fullerton and I.A. Cowie. Ultrawide band communication system and method. US Patent n° US 5677927, 1997.

L.W. Fullerton and I.A. Cowie. Time domain transmission method. US Patent n° US 5363108, 1997.

J. Schwoerer, Etude et implémentation d’une couche physique UWB impulsionnelle à bas débit et faible complexité, doctorat de l’INSA de
Rennes, 30 janvier 2006.

J. T. Conroy, J. L. LoCicero, and D. R. Ucci, "Communication techniques using monopulse waveforms," presented at Military Communications
Conference Proceedings, 1999. MILCOM 1999. IEEE, 1999.

J.H. Redd, « An Introduction to Ultra Wideband Communication Systems », Prentice Hall, 2005.

M. Pelissier, B. Denis, and D. Morche, "A methodology to investigate UWB digital receiver sensitivity to clock jitter," presented at Ultra Wideband
Systems and Technologies, 2003 IEEE Conference on, 2003.

T. Terada, S. Yoshizumi, Y. Sanada, and T. Kuroda, "Transceiver circuits for pulse-based ultra-wideband," presented at Circuits and Systems,
2004. ISCAS '04. Proceedings of the 2004 International Symposium on, 2004.

W. M. Lovelace and J. K. Townsend, "The effects of timing jitter and tracking on the performance of impulse radio," Selected Areas in
Communications, IEEE Journal on, vol. 20, pp. 1646-1651, 2002.

N. V. Kokkalis, P. T. Mathiopoulos, G. K. Karagiannidis, and C. S. Koukourlis, "Performance analysis of M-ary PPM TH-UWB systems in the
presence of MUI and timing jitter," Selected Areas in Communications, IEEE Journal on, vol. 24, pp. 822-828, 2006.

J. Han and C. Nguyen, "On the Development of a Compact Sub-Nanosecond Tunable Monocycle Pulse Transmitter for UWB Applications,"

H. Kim, D. Park, and Y. Joo, "Design of CMOS Scholtz's monocycle pulse generator," presented at Ultra Wideband Systems and Technologies,
2003 IEEE Conference on, 2003.

K. Marsden , H.-J. Lee, D. Ha, and H.-S. Lee, "Low power CMOS re-programmable pulse generator for UWB systems," presented at Ultra
Wideband Systems and Technologies, 2003 IEEE Conference on, 2003.

L. Smaini, C. Tinella, D. Helal, C. Stoecklin, L. Chabert, C. Devaucelle, R. Cattenoz, N. Rinaldi, and D. Belot, "Single-chip CMOS pulse generator
for UWB systems," Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol. 41, pp. 1551-1561, 2006.
57
24-10-2006
Références

T. Norimatsu, R. Fujiwara, M. Kokubo, M. Miyazaki, Y. Ookuma, M. Hayakawa, S. Kobayashi, N. Koshizuka, and K. Sakamura, "A novel uwb
impulse-radio transmitter with all-digitally-controlled pulse generator," presented at Solid-State Circuits Conference, 2005. ESSCIRC 2005.
Proceedings of the 31st European, 2005.

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24-10-2006