Évolution des standards/architectures pour les communications sans fil Application aux systèmes multistandards en technologie CMOS

79 Schedae, 2007 Prépublication n 17 Fascicule n 2 Évolution des standards/architectures pour les communications sans fil Application aux systèmes multistandards en technologie CMOS Oussama Frioui, Fayrouz Haddad, Lakhdar Zaid, Wenceslas Rahajandraibe L2MP CNRS Laboratoire Matériaux et Microélectronique de Provence IMT Technopole de château Gombert 13451 Marseille cedex 13 Oussama.Frioui@l2mp.fr, Fayrouz.Haddad@l2mp.fr, Lakhdar.Zaid@l2mp.fr, Wenceslas.Rahajandraibe@l2mp.fr Résumé : Dans l état actuel des choses, il est possible de rassembler la totalité des systèmes de communications mobiles dans six grandes catégories : les systèmes de radiocommunications privés, les systèmes sans fil, les systèmes de radiomessagerie unilatérale, les systèmes cellulaires, les systèmes par satellites et les systèmes réservés à la transmission de données. Actuellement, Les études système visent à répartir les contraintes de la norme sur les performances de chaque bloc, en prenant en considération les technologies disponibles du fait qu il existe un lien formel entre norme et architecture du système d émission/réception. Il s agit dans cet article d étudier d une façon non exhaustive l ensemble des normes et des architectures radiofréquences afin d établir un lien entre elles. Mots-Clés : CMOS, wireless, systèmes multistandards. Introduction Dès les années quatre vingt dix, le domaine des systèmes cellulaires et sans fil a connu une croissance phénoménale, au point de devenir le premier marché, en terme de volume de l industrie des semi-conducteurs. Il semble donc évident qu au fur et à mesure de l évolution des protocoles de communications et des terminaux (téléphones, assistants personnels, ordinateurs portables ), les systèmes électroniques devront être conçus selon une architecture unique, en utilisant le caractère configurable de chacun de ses blocs pour adapter son comportement aux spécifications des normes visées. Actuellement, les concepteurs se sont alors dirigés vers la recherche de solutions pour des architectures multistandards, c està-dire des architectures fonctionnelles au moins pour deux standards à la fois, ce qui permet de réduire le coût et d augmenter la flexibilité et l utilité de ces terminaux [1], [2]. Dans une Oussama Frioui, Fayrouz Haddad, Lakhdar Zaid, Wenceslas Rahajandraibe «Évolution des standards/architectures pour les communications sans fil Application aux systèmes multistandards en technologie CMOS»

80 première partie, nous détaillerons l évolution de ces normes de communication. Ensuite, nous présenterons un état de l art des différentes architectures de réception RF classiques ainsi qu un aperçu sur l aspect multistandard. Puis, la quatrième partie exposera des différentes solutions proposées et réalisées récemment à titre d exemple. Et pour finir, quelques perspectives seront mentionnées. Évolution des standards de communication Il convient de constater que le développement des techniques nécessaires à la mise en place des systèmes sans fil et radiomobiles se sont largement développées. En effet, la réception hétérodyne a été inventée dans les années dix et les techniques de traitement du signal telles que l étalement du spectre ou les modulations numériques ont été développées dans les années quarante. Cependant, depuis les premières expériences de Marconi à la fin du XIX e siècle, les communications sans fil entre deux éléments mobiles ont été limitées à des applications professionnelles et ce, jusqu à la fin des années soixante dix. Il a fallu attendre les années quatre vingt avant de voir la naissance des systèmes de téléphonie mobile cellulaire, de première génération, entièrement analogiques comme le NMT (Nordic Mobile Telephony), l AMPS (Advanced Mobile Phone Service), le TACS (Total Access Cellular System) ou le Radiocom2000. Néanmoins, les ressources spectrales réduites, la courte durée de vie des batteries et le coût du terminal, ont été des obstacles qui ont restreint les débuts du développement des téléphones portables de première génération. La seconde génération des systèmes cellulaires est apparue au début des années 90 avec le DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications), le GSM (Global System for Mobile communications, Europe), le PDC (Japon), et le PCS (États-Unis). Prévue initialement pour des applications de transport de la parole et de données à faibles débits (9600 bits/s) autour des fréquences (935-960 MHz) ou (890-915 MHz), cette norme a permis l essor des communications mobiles. Les performances (efficacité spectrale, sécurité, fonctionnalités) de la seconde génération de systèmes cellulaires sont plus importantes que celles de la première génération. Un important apport à ces systèmes a consisté en la modification de la méthode d accès aux données, et a donné lieu à la naissance de la génération intermédiaire nommée 2.5G, incarnée par le système GPRS (General Packet Radio Service). Une autre forme d évolution des systèmes cellulaires de seconde génération est incarnée par les systèmes EDGE (Enhanced Data rate for GSM Evolution) ; ils utilisent une nouvelle modulation, optimisant le débit efficace à l interface GSM, permettant d atteindre des débits de 384kb/s au maximum. Les différents continents ont développé des systèmes assez similaires dans le principe, mais parfois différents dans leur réalisation. C est donc dans le cadre d une homogénéisation globale des standards qu est née l idée d une troisième génération de systèmes cellulaires. La troisième génération (3G) de systèmes cellulaires, souvent assimilée en Europe à l UMTS (Universal Mobile Telecommunication Services), a été principalement conçue et imaginée afin de satisfaire l acheminement de données multimédia (accès à Internet, aux réseaux d entreprise, à des services de messageries, de visioconférence, de jeux, etc.). Au même titre que le GPRS et EDGE ont, sans modifier le principe de base des communications, permis à leur génération de systèmes cellulaires d évoluer en terme d efficacité, le HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) est déjà considéré comme le standard 3.5G des télécommunications mobiles. Alors que le débit maximum permis sur une liaison UMTS est de 2Mb/s pour une bande passante de 5MHz, le HSDPA, grâce à sa modulation en 16QAM (16 Quadrature Amplitude Modulation), autorise des débits de 10Mb/s. De plus, le but principal des nouvelles technologies de communication est de supprimer les câbles et de permettre la transmission (voix, données ) via une liaison radio. De ce fait, on peut noter la naissance des principaux standards suivants :

81 Bluetooth (IEEE 802.15.1) Cette norme fonctionne dans la bande ISM (Industrial Scientific Medical) entre 2.4 GHz et 2.48 GHz utilisable librement (sans Licence ni autorisation) [3], [4]. Elle permet des débits pouvant atteindre 3 Mbits/s dans un rayon de moins de 100 mètres. La technologie Bluetooth est également de plus en plus utilisée dans les téléphones portables, afin de leur permettre de communiquer avec des ordinateurs ou des assistants personnels et surtout avec des dispositifs mains-libres tels que des oreillettes Bluetooth. ZigBee (802.15.4) C est une norme caractérisée par un faible débit et un faible coût avec pour atout majeur une faible consommation. Elle fonctionne dans la bande de fréquence située autour de 2.4 GHz [5]. WiFi (IEEE 802.11x) C est un ensemble de normes concernant les réseaux locaux sans fil (WLAN) qui offrent des débits pouvant atteindre théoriquement 54 Mbits/s (de 11 Mbit/s en 802.11b à 54 Mbit/s en 802.11a/g) sur une bande de fréquence de 2.4 GHz (802.11b/g) et 5 GHz (802.11a) [6], [7]. Son équivalent en Europe est le HiperLAN. WiMax (IEEE 802.16) Ce standard permet un débit théorique de 70 Mbits/s sur un rayon de 50 km maximum. La norme WiMax Mobile devrait permettre des services comme la communication en VoIP (Téléphonie sur Réseau IP) sur téléphone portable ou encore l accès à des services mobiles en hauts débits. Son équivalent en Europe est le HiperMAN. Ainsi, le développement rapide des communications sans fil et l émergence des nouveaux standards sollicite la convergence vers la quatrième génération de communications mobiles, initialement prévue pour les années 2010, semblerait présenter ses toutes premières réalisations commerciales légèrement plus tôt. Cette avance par rapport aux prévisions est notamment due au fait que la quatrième génération ne sera pas l issue d une révolution dans les communications (comme l ont été les seconde et troisième générations), mais plutôt la convergence de différents standards, applications et produits (figure 1). En effet, il semble pertinent de considérer la 4G comme la convergence des standards et des technologies couverts par la 3G et les réseaux locaux sans fil (WLAN). Le but de la 4G est d améliorer les performances de la troisième génération, sans changer fondamentalement le contenu ni les applications prévues au départ pour la 3G. C est en fait la troisième génération qui n a a priori pas rempli les attentes. Par conséquent, au lieu d un standard universel, de nombreux standards sont nés, incompatibles entre eux pour la plupart, et ce même sur un même continent. Fig. 1 : Vue d ensemble des normes de communication. Schedae, 2006, prépublication n 17, (fascicule n 2, p. 79-86).

82 En conclusion, l émergence des réseaux sans fil et la téléphonie mobile ont causé une surcharge des bandes de fréquences allouées (surtout les bandes autour de 2.4 GHz et 5 GHz) à cela s ajoute les perturbations et les interférences causées par des appareils industriels ce qui nécessite des systèmes de plus en plus robustes ayant des architectures pouvant recevoir la majorité de ces standards. Architectures des récepteurs RF Il existe différentes architectures pour les systèmes de réception RF. Elles se caractérisent par la disposition et le nombre de blocs qu elles utilisent mais elles doivent répondre aux paramètres techniques fixés par la norme. Un niveau d intégration élevé, une grande flexibilité et une faible consommation sont les principaux critères de choix d une architecture. Mais, le développement rapide des communications sans fils et l émergence de nouveaux standards, comme on vient de le mentionner, ont sollicité la demande pour des récepteurs radio multi-modes à faible coût ce qui rend le critère d adaptabilité au multistandard l un des principaux critères pour le choix définitif d une architecture. Dans ce qui suit, on donnera une idée succincte sur l état de l art des différentes architectures proposées dans la littérature. Architecture Hétérodyne C est l architecture la plus classique. Le principe du récepteur superhétérodyne (figure 2) consiste à la transposition de la bande du signal RF reçue autour d une fréquence intermédiaire (FI) fixe. Si cette transposition se fait en une seule étape, le récepteur est hétérodyne, si elle nécessite plusieurs étapes alors le récepteur est appelé superhétérodyne. RF RF Réjection Image de sélection de canal Démodulateur LO1 LO2 Fig. 2 : Architecture superhétérodyne. Ce type de récepteur est le plus utilisé dans les mobiles de deuxième génération, grâce à ses bonnes performances en termes de sélectivité et de sensibilité [8], [9] mais elle est consommatrice et incompatible aux applications multistandards. Architecture Homodyne (Zero-IF) Dans ce type de récepteur, après le filtrage radiofréquence et l amplification à faible bruit, le signal utile est directement transposé autour de la fréquence nulle à l aide d un oscillateur local (OL) fonctionnant à une fréquence égale à celle du canal sélectionné (figure 3). RF I P.Bande CAG RF 0 90 LO BB DSP Q P.Bande CAG Fig. 3 : Architecture Homodyne. Cette architecture a fait l objet d une recherche intensive grâce à de ses avantages par rapport à la structure hétérodyne surtout sur l aspect intégration et consommation et donc

83 le coût mais elle est sensible au bruit en 1/f et aux problèmes d offset (DC). De ce fait, c est l architecture la mieux adaptée pour l UMTS et le WLAN [10]- [15]. Architecture Faible FI (Low-IF) C est une solution intermédiaire entre les deux précédentes. Son principe consiste à transposer le signal RF en une fréquence intermédiaire très faible (de l ordre de deux ou trois fois la largeur de la bande utile) [5]. La partie analogique est similaire à celle du récepteur Homodyne. RF I P.Bande CAG RF 0 90 LO Filtrage et multiplication numériques BB DSP Q P.Bande CAG Fig. 4 : Architecture Faible-FI. Cette architecture est la mieux adaptée pour le Bluetooth [10], [13], [14] ainsi que pour le ZigBee [1]. En récapitulant, l architecture hétérodyne, malgré sa maîtrise de conception, présente des inconvénients incontournables de par sa complexité et de son incompatibilité avec les systèmes multi-modes/multi-bandes. Par contre, les architectures Zero-IF remplissent parfaitement le rôle de configurabilité, en faisant en partie reposer cette flexibilité sur chacun des blocs constitutifs de l architecture. L architecture à faible FI offre de réelles potentialités grâce à son haut niveau d intégration mais elle est plus efficace pour les standards à bande étroite que pour les standards à large bande [13]. Par conséquent, les nouvelles architectures se basent sur les architectures homodyne et/ou à faible FI qui offrent surtout un degré d intégration élevé donc un faible coût et une relative faible consommation [16]. De ce fait, la structure générale d une architecture multistandard, proposée dans [17], est représentée à la Figure 5. Cette architecture est divisée en deux parties : une partie adoptel architecture à faible FI pour la réception du standard Bluetooth (ce choix est favorisé du fait que la norme Bluetooth est fonctionnelle sans licence et par conséquent le niveau des signaux perturbateurs sera plus important ce qui demande une grande sensibilité pour le récepteur). La seconde partie est basée sur l architecture Zero-IF, qui recevra principalement les standards : GSM, UMTS et WLAN. De plus, cette architecture est caractérisée par une antenne multi-bande et un amplificateur à faible bruit ( 1 ) multi-bande. Récepteur Bluetooth RF GSM I Passe bas Duplexeur.... Multi-bandes RF UMTS 0 90 LO Bande de Base Q Passe bas Contrôle Automatique de Gain Antenne Multibandes Contrôle Automatique Multistandard de Gain Multistandard Fig. 5 : Architecture multistandard proposée dans [17]. 1. (Low Noise Amplifier) :c est un amplificateur à faible bruit. Schedae, 2006, prépublication n 17, (fascicule n 2, p. 79-86).

84 Solutions et réalisations actuelles Dans cette partie, nous présentons deux récepteurs conçus pour des applications multistandards. Récepteur WLAN/GSM/WCDMA La figure 6 présente une architecture en technologie CMOS 0.25 µm, proposée dans [18], pour la réception des standards IEEE 802.11g, GSM et WCDMA tout en adoptant l architecture Zero-IF. GSM I de sélection du canal Multistandard RF Duplexeur 802.11g Synthètiseur de fréquence Bande de Base 90 WCDMA Q de sélection du canal Multistandard Fig. 6 : Architecture multistandard proposée dans [18]. L architecture proposée est composée de trois filtres RF en tête pour la sélection des différents standards. Ensuite, chaque bande sélectionnée est amplifiée par le, correspondant. Le signal utile est directement transposé autour de la fréquence nulle à l aide d un oscillateur local dont le fonctionnement est adapté à chaque standard. Cette architecture a permis d avoir de bonnes performances en termes de bruit et de sensibilité mais elle occupe une grande surface silicium et présente un courant de consommation important. Récepteur DECT/Bluetooth L environnement radiofréquence actuel est très perturbé comme on vient de le noter. Ainsi, pour la norme Bluetooth, qui fonctionne dans la bande ISM, les niveaux des signaux sont plus importants ce qui a donné naissance à une architecture basée sur la topologie Low-IF avec un système d estimation du niveau des signaux pour l adaptation de la réjection des fréquences images (figure 7). Le filtre polyphase RF est utilisé pour la génération de deux signaux en quadrature (voix : I et Q). Un système d estimation de niveau des signaux est introduit qui génère les signaux E1, E2 et E3 pour le contrôle. Fig. 7. Architecture multistandard proposée dans [2]. Cette architecture a été testée en technologie CMOS 0.18 µm et se révèle prometteuse car elle a permis une amélioration du niveau de réjection d image et de la sensibilité

85 du récepteur mais au prix d une complexité de conception plus importante et une augmentation de la surface silicium. Conclusion et perspectives Dans cet article, un état de l art des différentes normes pour les communications sans fil ainsi que pour différentes architectures RF a été effectué. La réalisation des architectures multistandards paraît un challenge pour la nouvelle ère de radiocommunication. En effet, la stratégie de reconfigurabilité pour les circuits analogiques est la clé pour la diminution de la taille des puces et la consommation et donc du coût de fabrication bien évidemment. De ce fait, l apparition des et des antennes multi-bandes favorise cette évolution ce qui nous amène à penser à la viabilité des structures de filtrage au cours de la chaîne de réception et donc à la configurabilité des différents blocs de filtrage. Il s agit alors, dans les contextes actuel et futur, d apporter des techniques de conception qui permettent l accomplissement de ces potentialités, tout en sachant se conformer aux spécifications électriques habituelles des normes visées et en tirant parti des possibilités offertes par les avancées des technologies du semi-conducteurs. Références [1] W. Kluge et al, A Fully Integrated 2.4-GHz IEEE 802.15.4-Compliant Tranceiver for ZigBee Applications IEEE J. Solid-state Circuits, vol. 41, no 12, pp 27676-2775. Dec. 2006. [2] V. Vidojkovic, J. Tang, A. Leeuwenburgh and A. Roermund A DECT/BLUETOOTH Multistandard front-end with adaptative image rejection 0.18 mm CMOS, IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems. Dec. 2005. [3] Specification of the Bluetooth System, Dec. 1999. [4] H. Darabi et al, "A 2.4-GHz CMOS tranceiver for Bluetooth", IEEE J. Solid-state Circuits, vol. 36, no 12, pp 2016-2024. Dec. 2001. [5] IEEE 802.15.4 Standard, Draft P802.15.4 b/d3, Oct. 2005. [6] Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band, ANSI/IEEE Standard 802.11a, 1999. [7] Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band, IEEE Standard 802.11g/D1.1, 2002. [8] B. Razavi, RF Microelectronics, Prentice Hall PTR, 1997. [9] B. Razavi, Architectures and Circuits for RF CMOS Receivers IEEE Custom Integrated Circuils Conference, pp. 393-401, 1998. [10] A. Springer, L. Maurer and R. Weigel, "RF system concepts for highly integrated RFICs for W- CDMA mobile radio terminals", IEEE trans. Microw. Theory and Tech, vol. 50, no 1, pp 254-267. Jan. 2002. [11] F. Gatta, D. Manstretta, P. Rossi and F. Svelto, "A fully integrated 0.18 µm CMOS direct conversion receiver front-end with on chip LO for UMTS ", IEEE J. Solid-state Circuits, vol. 39, no 1, pp 15-23. Jan. 2004. [12] J. Ryynanen, K. Kivekas, J. Jussila, A. Parssinen, and K. Halonen, A dual-band RF front-end for WCDMA and GSM applications IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 36, no. 8, pp. 1198 1204, Aug. 2001. [13] D. Brunel, C. Caron, C. Cordier, and E. Soudée A highly integrated 0.25 _m BiCMOS chipset for 3G UMTS/WCDMA handset RF subsystem, IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symp., pp. 191 194, June. 2002 [14] RF5421 Dual-band tri-mode 802.11a/b/g wireless LAN solution, RF Micro Devices, Greensboro, NC, 2003. [Online]. Available : http://www.rfmd.com. [15] D. Brunel, C. Caron, C. Cordier, and E. Soudée A highly integrated 0.25 µm BiCMOS chipset for 3G UMTS/WCDMA handset RF subsystem, IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symp., pp. 191 194, June. 2002 Schedae, 2006, prépublication n 17, (fascicule n 2, p. 79-86).

86 [16] J. Mahattanakul The effect of I/Q imbalance and complex filter component mismatch in Low-IF receivers IEEE trans. Circuits Syst, vol 53, no 2, pp. 247 253, Feb. 2006. [17] D. Brandolini, P. Rossi, D. Manstretta, and F. Svelto Toward Multistandard mobile terminals- Fully Integrated Receivers Requirements and Architectures, IEEE trans. Microw. Theory and Tech, vol. 53, no 3, pp 1026-1038. March. 2005. [18] A.A. Abidi, RF CMOS comes of Age, IEEE Symposium on VLSI Circuits, Digest of Technical Papers. pp. 113-116, 2003.