Auteur : Clarence Mayott, ingénieur applications, produits à signaux mixtes, Linear Technology Corp.

Introduction

Dans les systèmes sans fil modernes, de nombreuses techniques différentes sont mises en œuvre pour maximiser le débit de données et améliorer la fiabilité des transmissions. Les techniques de diversités temporelle, fréquentielle et avec codage sont utilisées pour transmettre la plus grande quantité possible de données, à plusieurs utilisateurs en même temps. Les signaux sont transmis à différents moments, sur différentes fréquences, ou avec différentes séquences binaires désignées comme les “Gold codes”, de manière à pouvoir les distinguer les uns des autres et les recevoir sans erreur. Ces techniques sont bien connues et se sont perfectionnées depuis le début de leur utilisation il y a quelques dizaines d’années. Elles peuvent aussi être mises en œuvre conjointement avec la diversité d’antenne ou la diversité spatiale. La diversité d’antenne implique l’utilisation de plusieurs antennes pour transmettre ou recevoir un signal. La diversité d’antenne simple se fonde sur la combinaison d’antennes présentant les meilleures performances pour décoder le signal. Les versions plus complexes de la diversité d’antenne comprennent les systèmes MIMO (multiple input, multiple output (entrées multiples, sorties multiples)) et les applications de formation de faisceau, où plusieurs antennes sont déployées au niveau de l’émetteur et du récepteur pour augmenter la diversité spatiale. Utiliser de multiples antennes d’émission exige que les variations de synchronisation entre les convertisseurs numériques analogiques (CNA) de chaque canal, soit de l’ordre de la picoseconde. Cela nécessite de synchroniser les CNA entre eux pour que les données transmises soient diffusées simultanément. Lorsque le système remplit cette condition, il est capable de transmettre les mêmes données sur plusieurs antennes vers un récepteur commun, pour obtenir un maximum de chances que la réception des signaux se passe bien, avec un minimum de chance de perte d’un signal provenant d’un émetteur.

Accès multiple par répartition temporelle (AMRT ou TDMA), en fréquence (AMRF ou FDMA), en code (AMRC ou CDMA)

Les systèmes de communications peuvent gérer plusieurs utilisateurs à la fois par le biais d’une diversité, quelle qu’elle soit. La version la plus basique est l’accès multiple par répartition temporelle (AMRT ou TDMA), qui consiste essentiellement à transmettre des données à plusieurs utilisateurs à des moments différents. Le récepteur attend alors simplement son créneau temporel et décode les données correspondantes. L’accès multiple par répartition en fréquence (AMRF ou FDMA) fonctionne de la même manière mais dans le domaine fréquentiel. Les données sont transmises à différents utilisateurs sur des fréquences spécifiques et le récepteur décode uniquement les données transmises sur ces fréquences. Les systèmes plus modernes incorporent l’accès multiple par répartition en code (AMRC ou CDMA), comme les systèmes sans fil, dans lesquels c’est le produit de convolution des données et d’un code spécifique qui est transmis. Ce code est ensuite utilisé au niveau du récepteur pour décoder les données transmises spécifiquement à cet utilisateur. Puisque ces techniques sont mises en œuvre dans différents domaines, elles peuvent être utilisées ensemble dans le même système pour obtenir un maximum de diversité.

Ces techniques ont été utilisées dans plusieurs générations de protocoles sans fil et, à chaque fois, elles ont permis d’augmenter le débit de données du système. Elles permettent de compenser les effets d’un phénomène inévitable lors de la transmission de données sur une certaine distance, et connu sous le nom de fading. Le fading est la décroissance de l’amplitude du signal due à la compensation qui se produit dans le canal par lequel il est transmis. Le signal va incontestablement prendre différents chemins, à partir de l’antenne d’émission jusqu’au récepteur. Le signal change de phase en chemin, lors de sa transmission vers le récepteur. Ces différences de phase peuvent entraîner une compensation du signal au niveau du récepteur, à l’origine du fading. Pour contrebalancer le fading, il est possible d’utiliser de multiples antennes de réception ou d’émission. Lorsqu’un signal est émis par plusieurs antennes ou reçu sur plusieurs antennes, il est très improbable qu’une compensation se produise dans tous les cas. L’utilisation de plusieurs antennes est désignée comme la diversité d’antenne et peut améliorer encore le débit de données d’un système sans fil.

Diversité d’antenne

Il existe plusieurs manières de mettre en œuvre la diversité d’antenne dans un système sans fil. Elle est un moyen de réaliser l’accès multiple par répartition spatiale (AMRS ou SDMA), puisque l’espace entre les antennes est utilisé pour différencier les signaux. Il peut y avoir plusieurs antennes du côté émission et une seule antenne du côté réception (MISO), une seule antenne du côté émission et plusieurs antennes du côté réception (SIMO), ou plusieurs antennes du côté émission et plusieurs antennes du côté réception (MIMO). Les systèmes fondés sur le MIMO présentent les meilleurs résultats en termes de diversité d’antenne, mais la complexité du décodage nécessite un émetteur et un récepteur sophistiqués. Dans un environnement toujours changeant, une caractérisation du canal en permanence est nécessaire. De plus, lorsque la distance entre l’émetteur et le récepteur augmente, la complexité du canal entre les antennes d’émission et de réception le rend instable et difficile à distinguer, ce qui atténue les effets bénéfiques du MIMO. Les systèmes à antennes d’émission multiples et antenne de réception unique sont assez courants dans les communications sans fil et exploitent la diversité d’antenne pour améliorer leurs performances.
Dans un système sans fil MISO avec diversité d’antenne, plusieurs CNA transmettent des données sur de multiples antennes simultanément. Puisque les antennes d’émission sont situées à différents emplacements, sur une tour par exemple, les signaux se propagent vers le récepteur par différents chemins. Le chemin entre l’antenne d’émission et l’antenne de réception n’est pas le même. Les signaux reçus ne seront pas identiques sur chacune des antennes en raison des effets multichemin spécifiques à chaque canal. La caractérisation de chaque canal à l’aide de l’émission de signaux pilotes va donner au récepteur des informations précieuses sur les performances de chaque canal. Ces informations peuvent servir à modifier numériquement les données avant leur transmission, ce qui permet de maximiser les chances de réception par le récepteur. Puisque chaque canal nécessite une modification et une correction spécifiques, des CNA distincts et un processeur de signaux numériques dédié (DSP) sont nécessaires pour chaque antenne d’émission. Si les CNA de transmission ne sont pas parfaitement alignés en temps, les signaux transmis seront mal alignés et la précision de la formation de faisceau sera mauvaise. L’émetteur sera incapable de maintenir un canal stable d’un point à un autre. Le récepteur ne pourra pas corriger ces erreurs. Pour éviter cela dans le domaine temporel, ces CNA doivent être synchronisés, c’est-à-dire que les données doivent être transmises depuis chaque CNA au même instant. Même la plus petite variation dans le temps peut dégrader les performances du système.

Synchronisation

Quand les CNA émettent les données à des fréquences de l’ordre du gigahertz (GHz), il est extrêmement difficile de synchroniser les sorties de plusieurs dispositifs. Si un CNA échantillonne à 2,7 Géch/s, le code de sortie change toutes les 370ps. L’horloge d’échantillonnage et l’horloge des données du FPGA doivent être alignées pour chacun des CNA en transmission. Le LTC2000A, un CNA 16bits, 2,7Géch./s, simplifie la synchronisation à l’aide d’un registre interne, capable de régler le temps de latence des données dans le CNA. De manière à pouvoir utiliser cette fonctionnalité, le décalage temporel des lignes de données et des lignes d’horloge avec chacun des CNA doit être moins de 0,4 du cycle de la fréquence d’horloge d’échantillonnage. La figure 1 montre la topologie idéale pour deux LTC2000A. Les longueurs de trajet des chemins de données et de chemins d’horloge vers chaque CNA doivent correspondre à quelques picosecondes près. Cela est réalisé à l’aide de techniques de routage numériques appropriées. Si cette condition est remplie, alors les données sont garanties de se trouver toutes dans un même cycle d’un dispositif à l’autre. Au sein du LTC2000A se trouve un registre interne pour programmer le temps de latence des données. Le registre de chaque CNA peut être réglé séparément, ce qui permet au bout du compte de les aligner tous ensemble dans le domaine temporel. Cela permet d’atteindre les performances maximales quand toutes les techniques de diversité sont mises en œuvre. Augmenter le nombre de CNA de transmission augmente les possibilités de diversité. La capacité à synchroniser de nombreux CNA améliore la diversité d’antennes et permet d’utiliser des réseaux d’antennes plus grands.

Figure 1 : Système avec multiples CNA LTC2000A synchronisés

Figure 1 : Système avec multiples CNA LTC2000A synchronisés

Performances

Le LTC2000A affiche aussi d’excellentes performances CA qui renforcent celles du système sans fil. La figure 2 montre le spectre de 16 de canaux de CDMA dont un canal de gap a été éliminé. La puissance de chacune des porteuses est de -36dBm et la puissance dans le canal de gap est de -96dBm. Cela montre l’excellente pureté spectrale du LTC2000A. En raison de la pureté spectrale du LTC2000A, le filtrage de la sortie du LTC2000A nécessaire avant la transmission est minimal, ce qui simplifie le réseau en sortie du CNA. La figure 3 montre un réseau simple qui peut être utilisé pour commander un circuit de sortie à partir du LTC2000A. Le LTC2000A met à jour jusqu’à 2,7Géch./s, ce qui élargit la bande passante utilisable au-delà de 1GHz. Le taux d’échantillonnage élevé apporte aussi une bande passante suffisante pour les applications de communications haut de gamme, tout en permettant d’excellentes performances spectrales et en termes de bruit.
La densité spectrale de bruit du LTC2000A est supérieure à 158dBc/rHz pour des signaux jusqu’à 500MHz, ce qui maintient le rapport signal sur bruit à un niveau élevé sur une large plage de fréquences générées. Il présente aussi une gamme dynamique exempte de parasites supérieure à 74dB jusqu’à 500MHz, et un SFDR supérieur à 65dB pour des fréquences de sortie jusqu’à 1GHz. Cela permet aux signaux générés d’être exempts de parasites et de nécessiter un minimum de filtrage. Pour les applications de formation de faisceau les plus précises, la version 16 bits du LTC2000A fournit la précision la plus élevée. Pour les applications aux performances plus faibles, le LTC2000A existe en versions 14 bits et 11 bits compatibles au niveau des broches. Le LTC2000A améliore les performances de n’importe quel système de communication sans fil.

Figure 2 : Graphe du domaine fréquentiel montrant 16 canaux de CDMA produits par le LTC2000A avec un seul canal de gap

Figure 2 : Graphe du domaine fréquentiel montrant 16 canaux de CDMA produits par le LTC2000A avec un seul canal de gap

Figure 3 : Schéma de principe caractéristique d'utilisation du LTC2000A

Figure 3 : Schéma de principe caractéristique d’utilisation du LTC2000A

Conclusion

Les conceptions sans fil modernes repoussent constamment les limites de la performance. En utilisant de multiples antennes pour la diversité d’antenne, le problème omniprésent du fading multichemin peut être éliminé. Le LTC2000A rend possible l’utilisation de plusieurs antennes en utilisant des fonctionnalités intégrées de synchronisation. Synchroniser des LTC2000A, quel que soit leur nombre, peut être réalisé simplement en modifiant un bit dans un registre de commande. Quand un grand nombre de LTC2000A sont synchronisés, ils peuvent être utilisés dans des applications complexes de formation de faisceau mettant en œuvre une ou plusieurs antennes. Le LTC2000A peut aussi être utilisé avec d’autres techniques de diversité telles que diversité temporelle, en fréquence et en code. Pour un complément d’informations concernant le LTC2000A, y compris les fichiers de conception, des exemples de topologies, des programmes de génération de signaux et des codes de FPGA échantillons, rendez-vous sur www.linear.com/LTC2000A.