Cette thèse est le fruit d'un partenariat entre la BL TVFE de NXP Semiconductors et l'ESIEE dans le cadre d'une thèse CIFRE. Le but est d'apporter une solution qui permette la réception de plusieurs canaux pour le câble. Ce sujet est lié à la problématique de numérisation large bande. Dans la première partie, nous faisons un état-de-l'art sur les convertisseurs analogiques-numériques (CAN), sur les architectures parallèles (entrelacement temporel et bancs de filtres hybrides (BFH)), et sur les méthodes d'échantillonnage (passe-bande et complexe). Puis, nous étudions une architecture composée d'un banc de filtres analogiques et un banc de CANs. Nous cherchons à réduire surtout le taux d'échantillonnage. Nous comparons notre solution à un CAN large bande performant, avec notre fonction de coût. L'un des avantages de cette architecture est que tous les composants sont faisables, même les CANs, et qu'il est possible d'éteindre des sous-bandes pour diminuer la consommation. Cette solution est intéressante pour le moment mais n'est pas compétitive en termes de consommation et de surface. Nous proposons une alternative dans la partie 3, avec les BFH. Nous étudions cette architecture, en gardant à l'esprit la faisabilité de la solution. Nous avons choisi un BFH à deux voies, avec un filtre analogique passe-bas et un passe-haut. Puis, nous proposons un algorithme d'optimisation des filtres de synthèse pour atteindre nos objectifs de distorsion et de réjection de repliement. Une identification des filtres analogiques est aussi présentée. Finalement, une réalisation physique prouve le concept et valide les limitations théoriques de cette architecture

Les Convertisseurs Analogique-Numérique (CAN) à Bancs de Filtres Hybrides (BFH) sont de bons candidats pour répondre aux exigences des futurs systèmes de communication devant être versatile, intelligent et à large-bande. Cependant, les BFH montrent une grande sensibilité aux non-idéalités analogiques du banc d'analyse, de sorte que les CAN à BFH classiques ne seraient pas pratiquement utilisables à moins que ces erreurs ne soient corrigées. Les efforts, dans cette thèse, ont porté sur l'étude de ce problème afin de proposer des pistes de solutions. A cet égard, la conception des BFH est, d'abord, décrite sous la forme de matrice. Puis, en utilisant des circuits analogiques simplement réalisables ainsi que des Filtres numériques à Réponse Impulsionnelle Finie (RIF), les BFH sont conçus pour la conversion A/N. Selon la simulation des CAN à BFH, nous montrons que la sensibilité de ceux-ci aux erreurs analogiques est très élevée puisque la matrice d'analyse associée est mal-conditionnée, surtout dans le cas oµu le suréchantillonnage est utilisé. Pour estimer numériquement les imperfections des circuits analogiques, nous proposons l'utilisation de méthodes d'estimation aveugle, basées sur des statistiques de seconde-ordre ou d'ordre supérieur. Cependant, ces techniques semblent ne pas être applicables aux BFH classiques en raison du sous- échantillonnage inclus µa chaque branche du CAN à BFH. Ainsi, pour exploiter les techniques numériques pour la correction des imperfections analogiques des Filtres d'analyse, nous proposons de nouvelles structures µa Entrée-sortie Multiple (ESM). Dans ces structures, il n'existe plus aucune opération de sous-échantillonnage entre les entrée-sortie associées. Les simulations prouvent que les BFH µa ESM (à sous-bande et à multiplexage temporel) mènent non seulement à une meilleure résolution mais aussi µa une sensibilité moins élevée par rapport aux BFH classique. En conclusion, en utilisant les BFH à ESM, les méthodes aveugles telles que la déconvolution ou l'annulation du bruit peuvent être employées afin de réduire encore la sensibilité aux non-idéalités analogiques.

Afin de répondre aux besoins de la Radio Logicielle, les futurs systèmes de numerisation devront convertir en large bande et être versatiles. Les convertisseurs analogique/numérique à bancs de Filltres hybrides (BFH) sont une solution intéressante. Ils se composent d'un banc de ¯Filtres analogiques dit banc d'analyse, de convertisseurs analogique/numérique et d'un banc de Filltres numériques dit banc de synthèse. Ce travail a abouti àde nouvelles méthodes de synthèse des BFH qui prennent en compte les contraintes de réalisation des Filtres analogiques. En effet, elles partent d'un banc d'analyse quelconque mais supposé connu et calculent alors un banc de synthèse. Nous avons aussi montré l'intérêt et surtout la possibilité de la conversion à BFH en bande passante. De plus, les futurs systèmes de numérisation devront être ca- pables de s'adapter dynamiquement à différents standards et différentes modulations. Or, dans les BFH, les Filtres de synthèse étant numériques, leurs coeffcients peuvent être modiffiés par logiciel en fonction des besoins. Nous avons exploité cette idée et obtenu une méthode qui permet d'améliorer la résolution potentielle dans une bande de fréquence restreinte. Enfin, les méthodes présentées jusqu'alors trouvent un banc de Filtres numériques à réponse impulsionnelle finie (RIF). Or on peut aussi penser à utiliser des Filtres à réponse impulsionnelle infinie (RII). Les études ont montré que dans certains cas, les Filtres RII permettent d'obtenir un BFH plus performant qu'un BFH à Filtres RIF pour le même nombre d'opérations numériques. Nous avons mis au point plusieurs méthodes de synthèse de Filtres RII pour BFH.

Cette thèse est le fruit d'un partenariat entre la BL TVFE de NXP Semiconductors et l'ESIEE dans le cadre d'une thèse CIFRE. Le but est d'apporter une solution qui permette la réception de plusieurs canaux pour le câble. Ce sujet est lié à la problématique de numérisation large bande. Dans la première partie, nous faisons un état-de-l'art sur les convertisseurs analogiques-numériques (CAN), sur les architectures parallèles (entrelacement temporel et bancs de filtres hybrides (BFH)), et sur les méthodes d'échantillonnage (passe-bande et complexe). Puis, nous étudions une architecture composée d'un banc de filtres analogiques et un banc de CANs. Nous cherchons à réduire surtout le taux d'échantillonnage. Nous comparons notre solution à un CAN large bande performant, avec notre fonction de coût. L'un des avantages de cette architecture est que tous les composants sont faisables, même les CANs, et qu'il est possible d'éteindre des sous-bandes pour diminuer la consommation. Cette solution est intéressante pour le moment mais n'est pas compétitive en termes de consommation et de surface. Nous proposons une alternative dans la partie 3, avec les BFH. Nous étudions cette architecture, en gardant à l'esprit la faisabilité de la solution. Nous avons choisi un BFH à deux voies, avec un filtre analogique passe-bas et un passe-haut. Puis, nous proposons un algorithme d'optimisation des filtres de synthèse pour atteindre nos objectifs de distorsion et de réjection de repliement. Une identification des filtres analogiques est aussi présentée. Finalement, une réalisation physique prouve le concept et valide les limitations théoriques de cette architecture / This thesis is a partnership between the BL TVFE of NXP Semiconductors and ESIEE. Its goal is to provide a solution to multi-channel reception for cable network. This is linked to the problematic of broadband digitization. In the first part, the state-of-the art of ADCs, parallel architectures (TI and HFB) and sampling methods (bandpass sampling and complex sampling) is recalled. Then we study an architecture called RFFB with a bank of analog filters and a bank of ADCs. We try to reduce the constraints on ADCs, especially the sampling rate with the different sampling. We propose an interesting solution to broadband digitization and compare this solution to a challenging wideband ADC, using the cost function we introduce. This architecture has the major advantage that all the components are feasible, even the ADCs, and it is possible to switch-off subbands to save power. It could be a good solution at the present time but it is not competitive in terms of power consumption and surface. An alternative is proposed in Part 3, where we study Hybrid Filter Banks. It is interesting to study this architecture with realization feasibility in mind. This is why we select a 2-channel HFB with a lowpass filter and a highpass filter as analog filters. Then we propose an efficient optimization algorithm to find the best synthesis filters and reach our targets of distortion and aliasing rejection. An identification of analog filters is also suggested to cope with the issue of sensitivity to analog errors. Finally, a physical realization proves the concept of aliasing rejection and confirms the theoretical issues of this architecture

Ce travail de thèse s'inscrit dans un pro jet inter-Carnot intitulé TEROPP (Technologies for TERminals in OPPortunistic radio applications) financé par l'ANR de 2008 à 2011. L'objectif de ce projet était de concevoir les éléments clés d'un terminal reconfigurable adapté à la radio cognitive. Les travaux ont porté depuis les antennes jusqu'à l'aspect réseaux. Les travaux décrits dans cette thèse sont focalisés sur le "frontal" RF agile en fréquences multi-voies et s'intéresse plus particulièrement à la numérisation d'un signal large-bande via une architecture multi-voies. Nous avons proposé et étudié une nouvelle architecture basée sur la technique de banc de filtres hybride (BFH). Un BFH est une architecture parallèle à sous-échantillonnage qui met en jeu de l'analogique, i.e. des filtres analogiques et des convertisseurs analogique-numériques ainsi que du traitement numérique. L'originalité de l'architecture proposée est d'utiliser des filtres à échantillonnage de charge passe-bande pour les filtres analogiques. Ces filtres ont l'avantage d'être facilement intégrables en CMOS et reconfigurables. Une telle architecture devrait permettre de convertir une bande très large, tout en limitant la complexité et la consommation et offre des possibilités de reconfigurabilité en termes de bande reçue et résolution.

Ce travail avait pour objectif d'étudier un dispositif qui, pour une cadence d'échantillonnage donnée, permette d'élargir la bande de fréquence de conversion analogique/numérique. L'orientation choisie est celle des structures parallèles et en particulier des bancs de filtres hybrides (BFH). Nous avons proposé certaines méthodes de synthèse des BFH. Leur particularité est qu'elles prennent en compte les contraintes de réalisation des filtres analogiques. Diverses améliorations de ces méthodes en particulier leur optimisation vis-à-vis de certains paramètres ont été proposées. Le bruit de quantification a été étudié et nous avons montré par un calcul théorique mais aussi en simulation l'influence sur la sortie du bruit de quantification du quantificateur de chaque voie. Ensuite, nous avons étudié les effets de la quantification des coefficients des filtres de synthèse. Une formule théorique qui estime le bruit introduit par la quantification de ces coefficients a été déduite. Des simulations qui confirment la validité de cette formule ont été effectuées. Le caractère hybride des bancs de filtres étudiés implique des problèmes spécifiques liés à l'implémentation analogique. Nous avons ainsi montré que de très petites variations des valeurs des composants analogiques par rapport aux valeurs nominales obtenues après la synthèse détériorent gravement les performances du banc de filtres. Nous avons alors proposé une solution originale à ce problème. Il s'agit d'une calibration du banc de filtres après réalisation.

Les futures applications de radio cognitive requièrent des systèmes de numérisation capables de convertir alternativement ou simultanément soit une bande très large avec une faible résolution soit une bande plus étroite avec une meilleure résolution, ceci de manière versatile (i.e. par contrôle logiciel). Pour cela, les systèmes de numérisation basés sur les Bancs de Filtres Hybrides (BFH) sont une solution attractive. Ils se composent d'un banc de filtres analogiques, un banc de convertisseurs analogique-numérique et un banc de filtres numériques. Cependant, ils sont très sensibles aux imperfections analogiques. L'objectif de cette thèse était de proposer et d’étudier une méthode de calibration qui permette de corriger les erreurs analogiques dans la partie numérique. De plus, la méthode devait être implémentable dans un système embarqué. Ce travail a abouti à une nouvelle méthode de calibration de BFH utilisant une technique d'Égalisation Adaptative Multi-Voies (EAMV) qui ajuste les coefficients des filtres numériques par rapport aux filtres analogiques réels. Cette méthode requiert d'injecter un signal de test connu à l'entrée du BFH et d'adapter la partie numérique afin de reconstruire le signal de référence correspondant. Selon le type de reconstruction souhaité (d’une large-bande, d’une sous-bande ou d’une bande étroite particulière), nous avons proposé plusieurs signaux de test et de référence. Ces signaux ont été validés en calculant les filtres numériques optimaux par la méthode de Wiener-Hopf et en évaluant leurs performances de ces derniers dans le domaine fréquentiel. Afin d’approcher les filtres numériques optimaux avec une complexité calculatoire minimum, nous avons implémenté un algorithme du gradient stochastique. La robustesse de la méthode a été évaluée en présence de bruit dans la partie analogique et de en tenant compte de la quantification dans la partie numérique. Un signal de test plus robuste au bruit analogique a été proposé. Les nombres de bits nécessaires pour coder les différentes données dans la partie numérique ont été dimensionnés pour atteindre les performances visées (à savoir 14 bits de résolution). Ce travail de thèse a permis d'avancer vers la réalisation des futurs systèmes de numérisation basés sur les BFH. / The future applications of cognitive radio require digitization systems being capable to perform a flexible conversion in terms of bandwidth and Resolution. The digitization systems based on Hybrid Filter Bancs (HFB) provide an attractive solution for achieving this purpose. The HFBs consist of a bank of analog filters, a bank of analog/digital converters and a bank of digital filters. However, they are so sensitive that the presence of analog errors renders them impossible to carry out. Therefore, the goal of the thesis was to propose and study a calibration method for the analog errors to be corrected in the digital part. Furthermore, the proposed method had to be implementable in an embedded system. Based on Multichannel Adaptive Equalization (MCAE), we proposed a new calibration method. The digital filter coefficients are adjusted according to the real analog filters. To perform this calibration process, a known test signal is injected into the HFB which output is compared to a linked desired signal, their difference is used to adjust the digital part iteratively until the goal is achieved. For different reconstruction goals (wideband, subband or a particular narrow band), we proposed two ways to generate the test and desired signals. With the filters achieved by using method Wiener-Hopf, these signals have been validated by the evaluation of the reconstruction performances. In order to approach the optimal coefficients with a minimal computational complexity, we have implemented an algorithm of stochastic gradient. The robustness of the MCAE method has been studied both in presence of the thermal noise in the analog part and in presence of quantization errors in the digital part. A more robust test signal against the analog noise has been proposed. According to our analytical expressions, for the reconstruction goal (i.e. resolution of 14 bits), the numbers of bits needed for coding the different data of the digital part can be indicated. This thesis is a step forward for realizing future digitization systems based on HFBs.

Les futures applications de radio cognitive requièrent des systèmes de numérisation capables de convertir alternativement ou simultanément soit une bande très large avec une faible résolution soit une bande plus étroite avec une meilleure résolution, ceci de manière versatile (i.e. par contrôle logiciel). Pour cela, les systèmes de numérisation basés sur les Bancs de Filtres Hybrides (BFH) sont une solution attractive. Ils se composent d'un banc de filtres analogiques, un banc de convertisseurs analogique-numérique et un banc de filtres numériques. Cependant, ils sont très sensibles aux imperfections analogiques. L'objectif de cette thèse était de proposer et d'étudier une méthode de calibration qui permette de corriger les erreurs analogiques dans la partie numérique. De plus, la méthode devait être implémentable dans un système embarqué. Ce travail a abouti à une nouvelle méthode de calibration de BFH utilisant une technique d'Égalisation Adaptative Multi-Voies (EAMV) qui ajuste les coefficients des filtres numériques par rapport aux filtres analogiques réels. Cette méthode requiert d'injecter un signal de test connu à l'entrée du BFH et d'adapter la partie numérique afin de reconstruire le signal de référence correspondant. Selon le type de reconstruction souhaité (d'une large-bande, d'une sous-bande ou d'une bande étroite particulière), nous avons proposé plusieurs signaux de test et de référence. Ces signaux ont été validés en calculant les filtres numériques optimaux par la méthode de Wiener-Hopf et en évaluant leurs performances de ces derniers dans le domaine fréquentiel. Afin d'approcher les filtres numériques optimaux avec une complexité calculatoire minimum, nous avons implémenté un algorithme du gradient stochastique. La robustesse de la méthode a été évaluée en présence de bruit dans la partie analogique et de en tenant compte de la quantification dans la partie numérique. Un signal de test plus robuste au bruit analogique a été proposé. Les nombres de bits nécessaires pour coder les différentes données dans la partie numérique ont été dimensionnés pour atteindre les performances visées (à savoir 14 bits de résolution). Ce travail de thèse a permis d'avancer vers la réalisation des futurs systèmes de numérisation basés sur les BFH.