Ce mémoire présente la conception de différents systèmes antennaires miniatures devant fonctionner dans des conditions environnementales et climatiques sévères, mais également capables d’opérer dans plusieurs bandes de fréquence ISM et plusieurs standards de communications mobiles. Ce système antennaire dédié infine à l’intégration dans les modules TRAX-BOX développés par la société TRAXENS, doit satisfaire différents critères techniques, industriels et économiques, définis par leur application finale qui est le suivi de conteneurs métalliques multimodaux de grandes dimensions. Pour cela, le système doit présenter un fonctionnement multibande et large bande, un diagramme de rayonnement omnidirectionnel, une bonne efficacité, un encombrement réduit permettant une intégration simple et efficace dans son boîtier, une rigidité mécanique permettant au système d’être protégé contre les vibrations et les chocs, une large plage de températures de fonctionnement et un faible coût de fabrication. Ces exigences techniques et industrielles sont souvent difficiles à satisfaire simultanément. Pour ce faire, plusieurs techniques de conception de systèmes multi-antennaires multibandes ont été employées. L’insertion de fentes sur les résonateurs et la juxtaposition d’éléments parasites a tout d’abord permis d’élargir la bande des antennes. En ce qui concerne l’isolation mutuelle des antennes, l’insertion de fentes sur le plan de masse, est l’une des techniques qui permettent d’isoler les antennes. / This thesis presents the design of different small antenna systems, operating in harsh environmental and climatic conditions, but also be able to operate in several ISM frequency bands and several mobile communication standards. This antenna system designed to be integrated in the TRAXBOX modules developed by TRAXENS, must meet various technical, industrial and economic criteria, defined by their final application which is the monitoring of multimodal metallic containers. To this end, the system must provide a multiband and wideband operations, an omnidirectional radiation pattern, a good efficiency, a reduced size allowing an easy and efficient integration into its housing, mechanical rigidity allowing the system to be protected against vibrations and shocks, a wide operating temperature range and low manufacturing cost. These technical and manufacturing requirements are often difficult to simultaneously satisfy. To do this, several design techniques of multiband multi-antenna systems have been employed. The use of slots and parasitic elements has first allowed widening the antennas bands. Regarding the mutual isolation of the antennas, the insertion of slots on the ground plane is one of the techniques that improve the antennas isolation. However, in this manuscript, we have mainly focused on the optimal layout of the parasitic resonators to simultaneously increase the bandwidth but also optimize the system efficiency and the isolation between antennas after interpretation of the various physical phenomena observed.

International Telemetering Conference Proceedings / October 21, 2002 / Town & Country Hotel and Conference Center, San Diego, California / This paper provides an overview of software radio and its current state in the industry. Software radio is a technology in which all of the waveform processing, including the physical layer, of a wireless device moves into software. If designed properly, this approach leads to dramatically improved device flexibility, software portability, and reduced development costs. Of course, such a technology brings with it numerous challenges, from hardware components to power constraints to the regulatory environment.

Le domaine de la recherche dans les multi-standards, les systèmes multi-bandes, architectures, et circuits a été un thème populaire. La perspective est d'avoir des dispositifs qui peuvent être adaptés, parfaitement, aux différents réseaux tout en offrant d'excellentes fonctionnalités sur les différents technologies d’accès radio. Les architectures de transmetteurs configurables ciblant les cas d'utilisation complémentaires des WiFi-WiGig ont été étudiés. Des approches novatrices basées sur des DAC FIR semi-numériques configurables à grande vitesse sont proposées. Les DAC de FIR nécessitent des filtres longs avec des coefficients de résolution élevés pour atteindre des niveaux d'atténuation de stopband satisfaisants aux exigences de bruit hors bande. Normalement, cela limite la vitesse et se traduit par une grande surface de silicium. Dans ce travail, les techniques de conception de circuits sont développées de sorte qu'un élément de circuit unitaire réalisant un coefficient d'une fonction de transfert peut être réutilisé dans la réalisation d’un coefficient d'une autre fonction de transfert. Une puce prototype de passe-haut FIR DAC qui peut être configuré pour le fonctionnement de l'IEEE 802.11ac et les standards IEEE 802.11ad a été mise en œuvre sur une technologie CMOS 28nm FDSOI de STMicroelectronics. Le test De cette puce a démontré la validité des architectures d'émetteur proposées. Le puce prototype peut traiter des signaux des bandes de base aussi larges que 63,63 MHz et 300 MHz à une fréquence d'horloge de 1,4 GHz avec une consommation de 103,07 mW dans le 802.11ac et 86,89 mW dans le mode 802.11ad. / The vision of research into multi-standard and multi-band systems, architectures, and circuits has been to develop devices which can hope seamlessly from one network to the other while delivering excellent functionality in different radio access technologies.In this work, configurable transmitter architectures based on FIR DACs which target WiFi-WiGig complementary use cases have been studied. FIR DACs require long filters with high resolution coefficients to meet high out-of-band noise attenuation. Normally, this limits speed and results in large area. In this work, circuit techniques are developed so that a unit circuit element realizing a coefficient of one transfer function can be re-used in realizing a different-valued coefficient of another transfer function. The work also proposes topologies that exploit digital signal processing at advanced nodes to implement quadrature modulation while realizing up-conversion, digital-to-analog conversion and image and quantization filtering in one configurable FIR DAC block. A prototype high pass FIR DAC chip which can be configured for processing IEEE 802.11ac and IEEE 802.11ad signals was implemented in ST CMOS 28nm FDSOI technology. The test of this chip has demonstrated the validity of the proposed transmitter architectures. The prototype chip can process baseband signals as wide as 63.63 MHz and 300 MHz at a clock frequency of 1.4 GHz while consuming 103.07 mW in the 802.11ac and 86.89 mW in the 802.11ad modes.

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L'explosion de la téléphonie cellulaire et le déferlement de normes de communication mobiles de couverture réduite (Wide, Local, Personal Area Networks, WAN, LAN et PAN), motivent de nombreuses études avec des approches très différentes. C'est dans ce contexte que s'inscrit ce travail de thèse qui propose une architecture reconfigurable pour la numérisation du signal radio de récepteurs mobiles multistandards. De la transition progressive du GSM vers l'UMTS en Europe découle le besoin de terminaux bi-mode GSM/UMTS dans un futur proche. Pour cette raison nous avons appliqué cette étude à ces deux normes. La première phase du travail cherche à déterminer la chaîne la mieux adaptée à la réception de différentes normes. Les récepteurs à conversion directe ou homodynes sont particulièrement adaptés à cette application car ils allient forte intégration et implémentation multi-standard. Mais la flexibilité d'un tel système impose des contraintes sévères pour le traitement analogique en bande de base. En effet, la bande de réception dans son intégralité (60MHz pour l'UMTS) se retrouve en bande de base. La deuxième phase propose une architecture reconfigurable GSM/UMTS pour la bande de base analogique. Une fois l'architecture du récepteur choisie, nous avons défini les fonctions assurées par le traitement du signal en bande de base ainsi que les blocs qui la constituent. Puis nous avons déduit l'architecture qui répond le mieux au cahier des charges fixé, notamment en ce qui concerne la reconfigurabilité. Nous avons privilégié une architecture qui nous permette de réutiliser telle quelle ou de reconfigurer, le maximum de blocs afin qu'ils servent aussi bien pour le GSM que pour l'UMTS. La troisième phase présente une méthode qui permet de définir un cahier de charges à partir des spécifications techniques d'une norme, pour les différents blocs de la bande de base analogique, à savoir amplificateurs à gain variable, filtre anti-repliement et convertisseur analogique-numérique. Ceci sera fait en termes de dynamique et de linéarité pour tous les éléments de la bande de base. Pour les filtres, nous définirons en plus leurs gabarits. Cette méthode met en évidence les compromis entre les fonctions de filtrage anti-repliement, conversion analogique - numérique et amplification à gain variable. La quatrième décrit un convertisseur analogique-numérique GSM/UMTS et enfin, la conception d'un filtre anti-repliement reconfigurable GSM/UMTS. Lors de cette phase du travail notre réflexion s'est portée sur le degré de reconfigurabilité de ce bloc et sur la recherche du meilleur compromis entre flexibilité, performance et surface. Enfin, une conclusion récapitule les principaux résultats obtenus et présente les perspectives.

Avec le nombre croissant de services accessibles par l'utilisateur sur un terminal mobile, les caractéristiques multi-standards et la reconfigurabilité des chaînes radio-fréquences amènent des contraintes de conception de plus en plus importantes sur les composants RF, en particulier sur les filtres. La solution que nous proposons dans ce travail consiste à répartir la fonction de filtrage sur l'ensemble de l'émetteur RF. Ainsi, tout en gardant sa fonctionnalité première, chaque composant (filtre, duplexeur, amplificateur, antenne...) apporte une fonction de filtrage supplémentaire et/ou complémentaire qui permet, une fois intégré dans l'ensemble de la chaîne, de répondre aux gabarits imposés par les différents standards. Ce mémoire présente une première étude sur ce sujet. Il met en évidence la faisabilité du concept de filtrage réparti, avec la présentation de quelques architectures multi-fonctions : amplificateur-filtrant, diviseur de puissance filtrant, antenne filtrante...

Ces travaux de recherche s’inscrivent dans le cadre de la conception de récepteurs multistandard optimisés pouvant traiter des signaux à spécifications hétérogènes. L’idée est d’appliquer l’échantillonnage aléatoire au niveau de l’étage en bande de base d’un récepteur radio logicielle restreinte afin de tirer profit de son pouvoir d’anti-repliement. La nouveauté dans ces travaux est l’étude analytique de la réduction du repliement spectral par l’échantillonnage aléatoire à temps quantifié, candidat favorable à l’implémentation matérielle. Une deuxième contribution concerne aussi l’étude analytique de l’échantillonnage pseudo-aléatoire à temps quantifié (TQ-PRS) dont l’importance réside en sa grande facilité d’implémentation matérielle. Les formulations théoriques ont permis d’estimer l’atténuation des répliques en fonction du facteur de la quantification temporelle et du facteur du sur-échantillonnage. Les mesures de l’atténuation du repliement spectral ont permis de dimensionner l’étage en bande de base d’une architecture de réception multistandard. Le dimensionnement s’intéresse à différentes configurations de l’étage en bande de base régies par les performances du convertisseur analogique numérique (ADC) utilisé.Les travaux de recherche ont démontré que l’application du TQ-PRS au niveau de l’ADC mène soit à une réduction de l’ordre du filtre anti-repliement soit à une réduction de la fréquence d’échantillonnage. Un bilan global de la consommation de puissance a permis un gain de 30% de la consommation de l’étage en bande de base analogique. En tenant compte du générateur de l’horloge TQ-PRS et de l’étage de sélection numérique du canal, ce gain devient 25%. / The work presented in this Ph.D. dissertation deals with the design of multistandard radio receivers that process signals with heterogeneous specifications. The originality of these research activities comes from the application of random sampling at the baseband stage of a software defined radio receiver. The purpose behind the choice of random sampling is to take advantage of its alias-free feature. The originality of this work is the analytic proof of the alias attenuation feature of the time quantized random sampling, the implementation version of the random sampling. A second contribution concerns also the analytic study of the simplest implementation version of the random sampling, the time quantized pseudo-random sampling (TQ-PRS). Theoretical formulas allow the estimation of the alias attenuation in terms of time quantization factor and oversampling ratio. Alias attenuation measurement permits to design the baseband stage of the proposed multistandard radio receiver architecture. The design concerns different configuration of the baseband stage according to the performances of the used analog-to-digital converters (ADC). The TQPRS allows decreasing the anti-aliasing filter order or the sampling frequency. The design of the baseband stage reveals a difference on the choice of the time quantization factor for each standard. The power consumption budget analysis demonstrates a power consumption gain of 30% regarding the power consumption of the analog baseband stage. This gain becomes 27.5% when the TQ-PRS clock and the digital canal selection stages are considered.

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One of the main challenges posed by 4G wireless communication systems is achieving flexible, programmable multi-standard radio transceivers with maximum hardware share amongst different standards at a minimum power consumption. Evaluating the feasibility and performance of different multi-standard/multi-band radio solutions at an early stage, i.e. system level, is key for succeeding in surmounting this challenge. This entails for- mulation of the transceiver budget for several RF architectures and frequency plans with different degrees of hardware sharing. This task is complicated by the fact that transceiver blocks can have different implementations that lead to different performances. The tools that are available for use at present have only analysis capabilities or address only one standard and/or receiver architecture at a time.In the belief that a new approach to this problem is necessary, the work that has led to this thesis proposes a novel methodology that automates the design-space explo- ration of integrated multi-standard wireless radio receivers. This methodology has been implemented in a multi-standard RF Transceiver Architecture Comparison Tool, TACT. TACT helps surmounting many of the challenges faced by RF system designers targeting multi-standard/multi-band radio receivers.The goal of the algorithms TACT is built upon is to find a multi-standard receiver frequency plan and budget that meets or exceeds the specifications of the addressed wire- less standards while keeping the requirements of each of the receiver blocks as relaxed as possible. TACT offers RF engineers a deep insight into the receiver behavior at a very early stage of the design flow. It models the impact of critical circuit non-idealities using a high level of abstraction. This reduces the number of design iterations and, thus, the time-to-market of the solution. The reuse of already available intellectual property (IP) blocks is also considered in TACT, what can result in a significant cost reduction of the receiver implementation. A combination of a behavioural-based cooperative multi-agent optimization and deterministic techniques is proposed.The capabilities of the proposed techniques and developed tool are illustrated through case studies addressing different design challenges the design of multi-standard receivers present.The last part of this thesis is devoted to one of the key blocks of any communica- tions receiver: the analog-to-digital converter. This work focuses on modeling and design methodologies for continuous-time ΔΣ modulators. A method to evaluate the stability margin of continuous-time ΔΣ modulators as a function of the timing uncertainty effects is proposed. / QC 20100907 / RaMSiS