Evaluation du modulateur IQ BGX7101 Compte rendu

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1 Evaluation du modulateur IQ BGX7101 Compte rendu Quatrième année département Informatique, Microélectronique et Automatique

2 Auteurs : Hugo Fondu Sylvain Fossaert Année : 2013/2014 Nom de la matière : Projet A l attention de: Alexandre Boe Nicolas Defrance Emmanuelle Pichonat

3 Table des matières Présentation du projet... 4 La modulation... 5 Pourquoi moduler?... 5 Explication rapide d une chaine de transmission... 6 Les domaines d applications de la modulation... 6 Qu'est ce que la modulation IQ?... 7 Modulation QPSK... 7 Modulation X-PSK... 7 Comment fonctionne un modulateur IQ?... 7 Mathématiquement... 7 Physiquement... 7 Le modulateur IQ BGX Etude de la carte... 9 Contraintes du à l hyperfréquence... 9 Rôle de chaques composants... 9 Réalisation de la carte Principales difficultés Conclusion... 11

4 Présentation du projet Le projet consiste en la réalisation d une carte électronique test permettant l évaluation du modulateur IQ7101. Pour ce faire, il nous est demandé : - De dimensionner et router une carte interface permettant la modulation d'un signal, et de trouver des applications pratiques pouvant être réalisées en séance de travaux pratiques. - A l'aide du logiciel Altium Designer créer un schematic afin d'expliciter la fonction de notre circuit. - Avant de faire le routage nous devons faire quelques recherches sur la façon de router une carte contenant des composants fonctionnant à hautes fréquences. - Il nous sera alors possible de designer le routage via la création d'un PCB (Layout) sous Altium Designer, celle-ci sera routée à l'ircica à partir du PCB. - Prévoir des emplacements afin d'ajouter des éléments externes permettant le bon fonctionnement du modulateur. - Une fois la carte réalisée, il sera alors possible de faire des tests afin d'évaluer notre carte contenant le modulateur IQ.

5 La modulation La modulation est une technique permettant la transposition en fréquence d un signal comportant une information (signal modulant) afin de le transporter dans un canal de propagation. Pourquoi moduler? Il y a deux principales raisons de moduler une information : - La relation entre fréquence et énergie n'existe qu'en termes de distance. La modulation qui se fait en " basse fréquence " crée un champ magnétique, comme n'importe quel courant dans un conducteur. Cependant, celui-ci est plus important lors d une modulation en haute fréquence. Autrement dit, plus la fréquence est élevée, plus le niveau de perception augmente pour une même puissance transmise. Cependant, au-delà d une certaine fréquence, la propagation devient de plus en plus semblable à celle de la lumière ; elle tend à devenir unidirectionnelle, et non plus omnidirectionnelle. Donc la distance à laquelle elle peut être captée, diminue à nouveau (cloche de Gauss). - La longueur de l antenne diminue de manière exponentielle en fonction de la fréquence. Ainsi, plus la fréquence est élevée, plus l antenne est petite. Généralement, l antenne est de l ordre de : l= λ 4 a v ec λ= C f

6 Avec : C vitesse de propagation du signal dans l air. F la fréquence du signal modulé. λ la longueur de l onde l la longueur de l antenne

7 Aperçu rapide d une chaine de transmission Comme dit précédemment, le but d une chaine de transmission est «d insuffler» au signal utile, l énergie (et les caractéristiques) nécessaires afin de faire véhiculer l information utile de l émetteur vers le récepteur. Pour ce faire, il est nécessaire de faire passer le signal utile dans différents blocs électronique de «traitement». Ainsi, la modulation et la démodulation peuvent être résumées par les différentes étapes suivantes : 1: Schéma modulation & démodulation (Cours IMA4) Le modulateur est ainsi le premier dispositif de traitement de la chaîne de transmission. Une fois le signal modulé, il passe dans le mélangeur afin que la fréquence en sortie soit de nouveau élevé puis il est amplifié et filtré par un LNA (Low Noise Amplifier) avant d être transmis sur le canal de propagation.

8 Les domaines d applications de la modulation La modulation de signaux est présente dans l ensemble des systèmes communicants. Celle-ci prend une importance de plus en plus grande selon le développement des transmissions sans fil. Les transmissions sans fil se sont fortement développées ces dernières années. De plus, la forte utilisation de la transmission hertzienne entraîne l'utilisation d'une bande passante de plus en plus restreinte alors que le débit doit quant à lui augmenter pour répondre à la demande exponentielle des usagers. 2: Spectre alloué en fréquence des USA Ainsi, les modulations complexes tels que la modulation QPSK, XQAM prennent tout leur sens puisqu elles permettent pour une même bande passante de faire passer un débit d informations utiles plus important.

9 Qu'est ce que la modulation IQ? La modulation IQ est une modulation complexe. C est-à-dire que l on joue sur la phase pour une modulation QAM, mais aussi sur l amplitude du signal modulé pour transmettre l information utile. Ci-dessous, un tableau récapitulatif des différentes méthodes de modulation complexes : Comment fonctionne un modulateur IQ? Du point de vue mathématique Soit le signal électrique suivant représentant la porteuse : e (t )= E. cos (w 0. t+φ(t ))

10 Si la phase et l amplitude varie, alors on peut l écrire de la forme suivante : e (t )= E. cos (φ(t )). cos (w 0.t ) E.sin (φ(t )). si n (w 0. t ) e (t )= E. cos (φ(t )). cos (w 0.t )+E.sin (φ(t )). c o s ( w 0.t + π 2 ) e (t )= I (t ).cos (w 0.t )+Q (t ).cos ( w 0. t+ π 2 ) Du point de vue électronique Ainsi, pour une modulation QPSK, nous avons quatre points donc la phase et l amplitude sont définies. Ainsi, nous avons le diagramme complexe suivant : 1. On peut donc reproduire une modulation IQ de la façon suivante : 2. L oscillateur (LO) fournie la porteuse et son image déphasé de On multiplie la porteuse par le signal I(t) 4. La porteuse déphasée par Q (t) 5. On additionne l ensemble On en conclue que le schéma de principe équivalent du modulateur est le suivant :

11 Ce schéma de principe serra donc repris dans l instanciation graphique de la librairie de composant que nous allons créer.

12 Le modulateur IQ BGX7001 Ce modulateur nous a été fourni par le fabricant de semi-conducteur NXP. Il comporte les particularités suivantes : Le dispositif BGX7001 combine haute performance, haute linéarité I et Q modulation pour l utilisation en radiofréquence. La fréquence de sortie (RF) peut être comprise entre 400 et 4000 MHz. Son alimentation est indépendante des entrées I et Q. Le modulateur fournie une compression de 1 db. Les principales caractéristiques du modulateur sont les suivantes : 400 MHz de fréquence de 4000 MHz plage de fonctionnement Exécution stable dans l'ensemble des tensions d entrée comprise entre 25V à 3,3 V. 12 dbm sortie 1 db de point de compression Point d'interception de troisième ordre de sortie 27 dbm (typique) Intégré à la polarisation active Alimentation unique 5 V Impédance d'entrée différentielle d'iq de 100 Ω 50 Ω appariés RF asymétriques impédance de sortie Protection ESD à toutes les broches

13 Etude de la carte Contraintes dû à l hyperfréquence Les hyperfréquences entraîne des problèmes qui étaient inexistants dans les études effectués auparavant. Il nous faut désormais prendre en compte les perturbations électromagnétiques induites par les lignes hautes fréquences et gérer la compatibilité des impédances de lignes, des composants afin que le coefficient de réflexion diélectrique tende vers zéro (pas de réflexion d onde vers la source). L ensemble de ses contraintes impose une attention particulière au design de la carte (largeur de piste, distance entre celle-ci, etc..) et un choix adapté des composants (longueur des composants inférieure à la longueur d onde du composant, adaptation d impédance, etc..). Rôle de chaque composants Comme nous venons de le voir plus haut, les hyperfréquences induisent des perturbations électromagnétiques qui créent en conséquence des parasites sur les lignes électriques. Pour se prémunir de ses parasites, on place des capacités de filtrage le plus près possible des entrées du modulateur IQ. Ainsi, grâce à ces éléments et les lignes différentielles, les erreurs de transmissions dues à la modification de I et Q restent faibles. On en conclus que : - C5, C10, C6 sont des capacités de liaison (laisse passer les hautes fréquences) - C1, C2, C3, C4, C7 permets d effectuer des filtres passe-bas. Ainsi, la combinaison des actions effectués par C6 et C7 réalise un passe-bande adapté à la bande passante de fonctionnement.

14 Enfin, il est nécessaire d adapter les impédances IQ du modulateur et des connecteurs d entrée SMA qui sont respectivement à 100Ω et 50Ω. Après calcul, on peut déterminer les deux montages adaptateurs suivants :

15 Création d une bibliothèque de composants Nous avons dans ce projet utilisés le logiciel Altium. Le logiciel Atium ne comportant pas l ensemble des composants, nous avons dû créer notre propre librairie de composants comprenant : un transformateur haute fréquence de type balun Un balun est un circuit électrique utilisé pour effectuer la liaison entre : une ligne de transmission symétrique (ligne bifilaire ou lignes imprimées parallèles) et une ligne de transmission asymétrique (câble coaxial ou ligne imprimée au-dessus d'un plan de masse. le modulateur IQ BGX7101 des connecteurs haute fréquence de type SMA Les capacités (0805) Tous ces composants sont des composants montés en surface et ont donc besoin d'une footprint spéciale. Une footprint est un schéma représentant un composant sous ses vrais dimensions permettant la création d'une carte de routage. Grâce à la datasheet du composant on peut faire le PCB ou la footprint de ce dernier. On rassemble ensuite tous ces composants et on les place comme indiqué sur le schéma de conception. On obtient le schématic du projet complet. Le schématique du projet complet a été pensé pour que le rayonnement entre les lignes et pour que les effets d'antenne soient réduits au maximum. Tous les signaux utiles au modulateur sont séparés les uns des autres par des plans de masse. Remarque : Le transformateur haute fréquence va permettre de faire le lien entre la signal différentiel d'entrée et le modulateur. En effet, le transformateur va régler la tension et le courant rentrant dans le modulateur. Il faut donc bien choisir le rapport de transformation 'm' pour ne pas endommager et permettre le bon fonctionnement du modulateur.

16 Réalisation de la carte Nous avons donc fait le schematic du projet et on le transcrit en PCB à l'aide d'altium. Il faut maintenant placer les composants en tenant compte de certaines conditions. En hautes fréquences il y a d'importantes règles à respecter afin d'éviter le rayonnement des pistes et les effets d'antenne. En effet, ces effets entraînent la création ou l'amplification du bruit et donc entraîneront d'importantes perturbations sur les messages transmis. Pour éviter ces effets nocifs les règles sont les suivantes : Nous devons placer les capacités de découplage le plus proche du modulateur IQ pour optimiser leur effet. Les pistes ne doivent pas faire d'angle droit mais au contraire être arrondies et les plus courtes possibles. Le plan de masse doit être fait pour respecter une distance avec les lignes bien définie qui dépend de l'impédance de la ligne. L a largeur des lignes doit aussi être défini de tel sorte que l'impédance voulue soit respectée. Avec le logiciel Appcad, on peut déterminer cette largeur. Pour une impédance de 50 Ohm, on trouve une largeur de :

17 Pour une impédance de 100 Ohm, on trouve une largeur de : De même pour le routage, il faut faire attention de sorte que la longueur des pistes différentiels soient de même longueur. Principales difficultés rencontrées Nous avons eu beaucoup de difficultés à prendre en main le logiciel Altium et ce même en l'ayant vu les années précédentes au sein de notre formation à Polytech'Lille. Nous avons également du mal à nous approprié les règles de routage hautes fréquences.

18 Conclusion Ce projet a fait prendre consciences des difficultés inhérentes à la création et au routage de carte haute fréquence, à savoir le rôle des composants, leurs emplacements ainsi que le dimensionnement des pistes. Ce projet, nous a également permis d appréhender l ensemble des facultés du logiciel Altium designer à travers la réalisation d une libraire de composants (outil Library editor), d un schématique et d un PCB. Ainsi, cette expérience sera un atout indéniable dans la compréhension et la réalisation de manière rapide de module haute fréquence. Nous avons également fait la connaissance d'un nouveau logiciel : Appcad, qui permet entre autres de déterminer les caractéristiques des lignes ou des plans de masses pour le routage.

19 Annexes Transformateur haute fréquence de type balun :

20 Modulateur IQ BGX7101 :

21 Connecteurs haute fréquence de type SMA :

22 Projet complet :

23 Routage de la carte (face Top) :

24 Routage de la carte (face Bottom) :