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214 pp. 214-223 Ensemble de composants VLSI pour 6quipements GSM Dominique CASTEL * Jacques DULONGPONT * Jean-Pierre GUERLIN * Frangois ROBBE * Didier HASPESLAGH ** Dirk RABAEY ** Jan SEVENHANS ** Etienne VANZIELEGHEM ** R6sum6 Le systdme de radiotdldphone groupe spdcial mobile (GSM) est aujourd'hui opdrationnel dans plusieurs pays d'Europe. L'introduction d'un tel systdme a demandd aux constructeurs d'dquipements de radiotdl~phonie de trds importants investissements, en particulier au niveau technologique. Aprds une prdsentation de l'architecture d'un terminal GSM, cet article prdsente les composants spdcifiques ddveloppds par Alcatel pour son terminal portatif. Ces ddveloppements sont illustrds par la des- cription de composants reprdsentatifs de r architecture, des mdthodes et technologies utilisdes par Alcatel. Une analyse des voies d'optimisation futures de ces compo- sants conclut cet article. Mots ci6s : Radiocommunication service mobile, Service mobile terrestre, Radiot616phonie, R6seau cellulaire, Appareil porta- tif, Syst~me num6rique, Terminal, Circuit ASlC, Produit industriel. gies used by Alcatel. An analysis of future directions for the optimization of these components ends this paper Key words Mobile radiocommunication, Land mobile service, Radiotelephony, Cellular network, Portable equipment, Digital system, Terminal, ASICcircuit, Manufactured product. Sommaire I. Introduction. II. Terminaux analogiques et GSM. III. Circuit Aslcl. IV. Circuit ASIC2. V. Circuit ASIC4. VI. Circuit ASIC8. VII. Evolutions technologiques. VIII. Conclusion. Bibliographie (5 rdf ). SET OF VLSI FOR GSM EQUIPMENTS Abstract The GSM cellular system (global system for mobile) is now open in many European countries. The introduc- tion of such a system has requested for the manufactu- rers very important investments, particularly technolo- gical investments. Beginning with the description of the architecture of a GSM terminal, the paper presents the specific components developped by Alcatel for its hand- portable terminal. These developments are detailed by the description of some of these components which are representative of the architecture, methods and technolo- I. INTRODUCTION Un important effort de normalisation a 6t6 engag6 par l'Europe au sein de la cErr et de I'ETSI, pour d6finir ce qui est aujourd'hui le syst6me de radiot61Ephonie le plus 6volu6 au monde. En 1991, des syst6mes exp6rimentaux 6taient install6s et en 1992 les ouvertures commerciales se sont multi- pli6es h travers l'Europe, voire le monde. A l'oppos6 du radiot61Ephone num6rique japonais ou am6ricain, caract6ris6 par l'introduction d'une transmis- sion num6rique dans les canaux du systSme analogique type A~tPS, l'Europe, qui utilise diff6rents systbmes ana- logiques, a voulu offrir avec le GSM un syst6me totale- ment nouveau exploitant tousles apports d'une trans- mission num6rique. * Alcatel Radiot616phone, 32, avenue K16ber, F-92707 Colombes Cedex, France. ** Alcatel Bell Telephone, Francis Wellesplein 1, B-2018 Antwerpen, Belgique. ANN. TI~LI~COMMUN., 48, n ~ 3-4, 1993 1/10

Ensemble de composants VLSI pour équipements GSM

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214 pp. 214-223

Ensemble de composants VLSI pour 6quipements GSM Dominique CASTEL * Jacques DULONGPONT * Jean-Pierre GUERLIN * Frangois ROBBE * Didier HASPESLAGH ** Dirk RABAEY ** Jan SEVENHANS ** Etienne VANZIELEGHEM **

R6sum6

Le systdme de radiotdldphone groupe spdcial mobile (GSM) est aujourd'hui opdrationnel dans plusieurs pays d'Europe. L'introduction d'un tel systdme a demandd aux constructeurs d'dquipements de radiotdl~phonie de trds importants investissements, en particulier au niveau technologique. Aprds une prdsentation de l'architecture d'un terminal GSM, cet article prdsente les composants spdcifiques ddveloppds par Alcatel pour son terminal portatif. Ces ddveloppements sont illustrds par la des- cription de composants reprdsentatifs de r architecture, des mdthodes et technologies utilisdes par Alcatel. Une analyse des voies d'optimisation futures de ces compo- sants conclut cet article.

Mots ci6s : Radiocommunication service mobile, Service mobile terrestre, Radiot616phonie, R6seau cellulaire, Appareil porta- tif, Syst~me num6rique, Terminal, Circuit ASlC, Produit industriel.

gies used by Alcatel. An analysis of future directions for the optimization of these components ends this paper

Key words �9 Mobile radiocommunication, Land mobile service, Radiotelephony, Cellular network, Portable equipment, Digital system, Terminal, ASIC circuit, Manufactured product.

Sommaire

I. Introduction. II. Terminaux analogiques et GSM.

III. Circuit Aslcl. IV. Circuit ASIC2. V. Circuit ASIC4.

VI. Circuit ASIC8. VII. Evolutions technologiques.

VIII. Conclusion. Bibliographie (5 rdf ).

SET OF VLSI FOR GSM EQUIPMENTS

Abstract

The GSM cellular system (global system for mobile) is now open in many European countries. The introduc- tion of such a system has requested for the manufactu- rers very important investments, particularly technolo- gical investments. Beginning with the description of the architecture of a GSM terminal, the paper presents the specific components developped by Alcatel for its hand- portable terminal. These developments are detailed by the description of some of these components which are representative of the architecture, methods and technolo-

I. INTRODUCTION

Un important effort de normalisation a 6t6 engag6 par l'Europe au sein de la cErr et de I'ETSI, pour d6finir ce qui est aujourd'hui le syst6me de radiot61Ephonie le plus 6volu6 au monde.

En 1991, des syst6mes exp6rimentaux 6taient install6s et en 1992 les ouvertures commerciales se sont multi- pli6es h travers l'Europe, voire le monde.

A l'oppos6 du radiot61Ephone num6rique japonais ou am6ricain, caract6ris6 par l'introduction d'une transmis- sion num6rique dans les canaux du systSme analogique type A~tPS, l'Europe, qui utilise diff6rents systbmes ana- logiques, a voulu offrir avec le GSM un syst6me totale- ment nouveau exploitant tous les apports d'une trans- mission num6rique.

* Alcatel Radiot616phone, 32, avenue K16ber, F-92707 Colombes Cedex, France. ** Alcatel Bell Telephone, Francis Wellesplein 1, B-2018 Antwerpen, Belgique.

ANN. TI~LI~COMMUN., 48, n ~ 3-4, 1993 1/10

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GSM p e u t se prOsenter a v e c l e s caractOristiques principales suivantes :

- - meilleure utilisation spectrale (gain de 3 ~ 4 par rapport aux syst~mes de radiotOlOphone analogiques);

- - Omission et rOception discontinues, forte rOduction de la consommation des 6quipements en particulier de la radio;

- - saut de frOquence, emploi de codage sur les informations numOriques de parole et de donnOes; ceci apporte une sOcurit6 de transmission et une qualit6 audio sans 0gale;

- - transmission numOrique intOgrOe qui ouvre la voie toute application h base de transmission de donnOes; - - syst~me dOfini de mani~re h fonctionner avec

plusieurs exploitants et pays;

- - syst~me retenu par plus de vingt pays, ce qui en fera un moyen de grande diffusion.

Pour les industriels qui se sont lancOs dans l'aventure du GSM, les investissements ont 6t6 6normes. En effet, il fallait cr6er un nouveau systOme de communication depuis le central tOlOphonique jusqu'au terminal. Plusieurs filiales du groupe Alcatel ont participO ce dOveloppement. C'est le cas, en particulier, de la collaboration de Alcatel Bell (Belgique) avec Alcatel RadiotOlOphone (France) pour les composants spOci- fiques.

L'enjeu n'est pas uniquement technique mais surtout 6conomique car, comme le montre la premiere partie de ce document, un terminal GSM est sensiblement plus complexe qu'un terminal analogique. Or, l'introduction d'Oquipements GSM trop chers par rapport aux produits analogiques hypoth~querait leur avenir commercial. La deuxibme partie de cet article prOsente l'architecture et les circuits spOcifiques (ASIC) dO finis pour le portatif GSM d'Alcatel pour rOpondre ~ ces enjeux techniques et 6conomiques. Les quatre parties suivantes dOcrivent les caractOristiques de quatre composants reprOsentatifs de l'architecture du terminal, des technologies et m&hodo- logies mises en oeuvre pour leur dOveloppement.

Pour conclure, la demi~re partie de ce document prOsente les possibilitOs d'0volution pour optimiser cet ensemble de composants avec l'apport des nouvelles technologies.

II. TERMINAUX ANALOGIQUES ET GSM

Pour comprendre la diffdrence de complexit6 entre un radiotOlOphone analogique et un radiotOlOphone GSM, une rapide description des deux syst~mes est nOcessaire.

I I . 1 . E q u i p e m e n t s a n a l o g i q u e s .

Les terminaux de type analogique sont largement r6pandus pour le tdlOphone de voiture et les applications privOes.

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215

La modulation est souvent de frOquence ou de phase. En radiotOl6phonie, 6mission et rOception sont continues sur des frOquences fixes. A l'Omission, la puissance est rOglable sur 2 ~ 3 niveaux (syst~me Nordic mobile tele- phone). Le signal modulant (signal audiofrOquence, issu du microphone apr~s filtrage) est souvent appliqu6 direc- tement sur la tension de commande de l'oscillateur du synthOtiseur. La dOmodulation est rOalisOe par un discri- minateur suivi d'un ensemble de filtres pour sOparer la parole de la signalisation.

La pattie commande est pilotOe par un microcontrO- leur 8 bits avec un logiciel d'application de l'ordre de 64 koctets.

La transmission de donnOes est rOalisOe par un modem FSK (modulation par dOplacement de frOquence).

Aujourd'hui, tous les constituants de ce type de ter- minal sont disponibles sous forme de composants stan- dards.

11.2. Equipements GSM.

Pour l'ensemble radio, les diffOrences principales avec les syst~mes analogiques portent sur :

- - Omission et rOception discontinues par impulsions de 600 #s,

- - rOglage prOcis du niveau de puissance Omis (16 niveaux),

- - changement de frOquence entre chaque impulsion de rOception ou d'0mission,

- - modulation num0rique par d0placement de phase, avec chaque impulsion de 600 #s, un paquet de 156 bits est transmis,

- - en rOception n0cessit0 de conversion analogique/ numOrique pour effectuer la dOmodulation par traitement numOrique du signal,

- - fortes contraintes de synchronisation en frOquence et en temps (par exemple, le terminal doit 0mettre avec une prOcision de 10-7).

L'Ocart le plus sensible se situe dans la partie de trai- tement en bande de base qui couvre, pour un Oquipement analogique, le discriminateur, les filtres et les fonctions audio.

Le discriminateur est remplac6 par un syst~me de dOmodulation qui permet de reconstituer le paquet binaire Omis par la station de base avec, en complOment, des aspects de :

- - synchronisation frOquentielle et maintien de cette synchronisation par 0valuation et correction des 6carts entre porteuse de la station de base et oscillateur du terminal,

- - synchronisation temporelle et maintien de cette synchronisation,

- - correction des distorsions dues au canal radio, - - estimation de la qualit6 du signal dOmodulO, - - gestion de la radio (niveaux re~us, commande

automatique de gain, mises en route de la pattie rOcep- tion et 6mission, etc.).

Des techniques de codage de vole, sans 6quivalent analogique, sont utilisOes pour protOger les informations contre les perturbations de transmission du canal radio :

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- - h l'6mission, addition de bits de redondance et entrelacement des donn6es binaires,

- - h la r6ception, d6sentrelacement des donn6es et utilisation de la redondance pour d6tenniner la suite binaire la plus vraisemblablement envoy6e.

De plus, l'information transmise est chiffr6e et ainsi prot6g6e contre l'6coute.

Les filtres sont remplac6s par un dispositif multi- plexage/d6multiplexage logique adapt6 h la structure de la suite des paquets binaires, en particulier pour la s6pa- ration des informations de parole et de signalisation.

Les fonctions audio (amplification, filtrage) sont rem- plac6es par celles d'un codeur/d6codeur de parole qui pour la partie 6mission, comprime le signal de parole num6ris6 dans un rapport 8, et pour la partie r6ception, synth6tise le signal de parole ~t partir du train binaire obtenu apr~s d6codage canal.

Enfin, la partie commande demande un contr61eur 16 bits avec une taille de logiciel 5 ~ 10 fois plus impor- tante (d6pendant du niveau des services) par rapport h un terminal analogique [1].

11.3. L ' e n s e m b l e d e s c o m p o s a n t s Alcatel.

En 1989 avec la fin de la d6finition du syst6me GSM, toute entreprise se langant dans un d6veloppement n'avait pratiquement aucun acc~s h des composants catalogue GSM.

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De plus, l'6volution de l'offre en terminaux ana- logiques a vu, d6but 1990, l'apparition de produits dans la gamme des 150 cm 3.

Pour r6pondre ~ ce triple handicap (complexit6 du GSM, absence de composants GSM standards, maturit6 des terminaux analogiques), Alcatel a d6cid6 de d6velopper ses propres circuits.

En effet, seul l 'emploi des technologies de circuits sp6cifiques permet de d6velopper une architecture opti- mis6e et fortement int6gr6e qui procure ainsi une solu- tion a faible volume et consommation et ce malgr6 la plus grande complexit6 du syst~me GSM.

Le r6sultat permet h Alcatel d'offrir un portatif GSM de premiere g6n6ration comp&itif par rapport aux ter- minaux analogiques de 4 e et 5 e g6n6ration.

De plus, l'architecture du portatif Alcatel dispose, grace aux possibilit6s des prochaines technologies semi- conducteurs, d'un tr~s important potentiel de r6duction de volume, consommation et cofit (voir paragraphe VII).

La figure 1 donne le synoptique du terminal Alcatel. I1 se compose de trois sous-ensembles :

- - le sous-ensemble radio, - - le sous-ensemble commande, - - le sous-ensemble traitements de base. La d6finition de ces sous-ensembles a pennis d'orga-

niser la conception du terminal en trois groupes d'exper- tise, soient :

- - la radio, avec ses contraintes essentielles de volume et consommation,

FIG. 1. - - Sch6ma de principe du terminal.

Block diagram of terminal.

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- - la commande, avec la gestion d 'un important dEveloppement logiciel,

- - le traitement de signal, avec des objectifs d 'optimi- sation des temps de traitement et de taille des ElEments de mEmorisation mEmoires mortes (ROM) et mEmoires vives (RAM) qui reprEsentent une surface importante dans les diffErents circuits de traitement de base.

En complement, une Equipe d'intEgration a assur6 la coherence de ces sous-ensembles et la definition des moyens communs (alimentation, etc.) et pEriphEriques (affichage, clavier, etc.) du terminal.

Pour la partie radio, Alcatel a dEvelopp6 trois com- posants :

- - le circuit de t~te radio (Aslcl) int~gre des fonc- tions d'Emission/rEception et rEalise les transpositions de frEquence,

- - le circuit de bande de base radio (ASlC2) assure divers traitements intermEdiaires en reception (amplifi- cation, filtrage, compensation, etc.) et des adaptations entre le modulateur et l 'ampli de puissance, avec la com- mande de ce dernier,

- - le circuit de modulation (ASIC3) comporte :

�9 en Emission, le modulateur GMSK (Gaussian mini- mum shift keying) avec gEnEration des signaux Emettre,

�9 en reception, des fonctions de filtrage et une conver- sion analogique numErique.

La pattie contr61e se caractErise par un circuit pEri- phErique du microcontr61eur (AS/C8) qui dEcharge ce dernier de divers traitements contraignants en temps reel.

Les fonctions d'interface ont EtE dEveloppEes pour superviser l'Electronique d'affichage, de gestion clavier, de communication avec le SIM (module d'identification d'abonnE type carte a puce). II est en liaison directe avec le microcontr61eur.

La derni~re pattie du terminal regroupe les fonctions de traitement de signal en bande de base, rEparties sur 4 composants :

- - le circuit de demodulation (ASlC4) effectue la demodulation, les mesures de puissance, et contribue aux synchronisations frEquentielles et temporelles,

- - le circuit de traitement canal (AStC5) assure le codage et dEcodage de voies, le chiffrement et le multi- plexage des diff6rents canaux logiques,

- - le circuir vocodeur (ASIC6) assure le codage et dEcodage de la parole, la d6tection d'activitE vocale, et g~re le codec GSM,

- - le circuit codec (ASlC7) int~gre les cha~nes d'acqui- sition et de restitution du signal de parole entre le cir- cuit ASlC6 et les organes acoustiques : conversions ana- logique/numErique et numErique/analogique, filtrage et adaptation de niveaux pour le microphone et l'Ecouteur.

Pour iltustrer les dEveloppements rEalisEs par Atcatel, la description des circuits ASlC 1, ASIC2, ASIC4 et ASIC8 per- met de donner une vue sur l 'ensemble des technologies et mEthodes mises en oeuvre pour la conception de cet ensemble de composants.

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I I I . C I R C U I T ASIC1

Pour ce circuit, il a EtE prEfEr6 une mEthode ~t d6mo- dulation directe, appelEe FI ~t frEquence intermEdiaire nulle.

Les avantages majeurs de cette solution sont l'Elimi- nation des filtres a frEquence intermEdiaire, dont la taille et le cofit sont importants et une simplification des fonc- tions d'oscillateur local (OL).

Ce composant assure les transpositions de frEquence; en reception de la porteuse h 935/960 MHz vers la bande de base, et en 6mission de la bande de base vers la porteuse ~ 890/915 MHz.

A c e s frEquences, une technologie bipolaire au sili- cium est nEcessaire. La technologie utilisEe pour le cir- cuit se caractErise par une frEquence de coupure (Ft) de 9 GHz pour le transistor NON et un tr~s bon comporte- ment en bruit.

L 'emploi de la technologie h l 'arseniure de gallium GaAs avait EtE analysE, mais n 'avai t pas EtE retenu en raison de son cofit et de sa faible maturitE industrielle pour les grandes series [2].

III .1. A r c h i t e c t u r e d u c i r c u i t ASIC1.

Ce composant fonctionne de faqon ind6pendante pour l '6mission et la r6ception. Le d6phaseur est la seule partie commune (Fig. 2).

Le circuit consomme en instantan6 125 m W en r6cep- tion et 225 mW en 6mission.

Pour la partie r6ception, les m61angeurs d6modulent le signal 6MSK ~t 930/965 MHz en deux signaux en bande de base. Ces deux signaux sont en quadrature et ont une bande passante limit6e ~ environ 400 kHz par un premier filtre.

Apr~s passage par un amplificateur h gain commu- table les signaux sont de nouveau filtr6s. Cet ensemble de filtrage permet de limiter les brouillages du signal utile par les signaux de fort niveau encombrant la bande de r6ception.

Pour la partie 6mission, nous retrouvons la m~me structure avec les m61angeurs qui transposent les signaux en bande de base pour obtenir un signal GSM

890/915 MHz suivi d 'une amplification qui permet d 'obtenir un niveau suffisant du signal RF afin d'atta- quer l 'amplificateur de puissance.

Les m61angeurs des parties 6mission et r6ception sont pilot6s par des signaux d'oscillateur local en quadrature, cr66s par un d6phaseur.

Les principales contraintes du d6phaseur sont le niveau de bruit, la pr6cision de la phase, l'Egalit6 des gains entre les voies. La topologie choisie pour fournir les deux signaux en quadrature consiste en l'utilisation de filtres ~ resistances et capacit6s en s6rie suivis d 'une amplification.

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sortie voie I

entr6e~

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~de g6n~rateur$ [ slg.~.x /

nquadmfOr I

commande de gain

l commande de gain sortie voie Q

oscillateur command6 en tension

entr6e voie I

I m61an

entr6e voie Q

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--,- amplificateur --=. de puissance

FIG. 2. - - Sch6ma de principe du circuit de t~te radio.

Block diagram of radio front end chip.

Le d6phaseur est compl6t6 par un dispositif de r6glage de phase qui permet de compenser toute erreur de quadrature du circuit et du reste de la chaine radio.

Le composant poss~de sur chacune des voies une commande de mise en veille permettant d'alimenter le circuit uniquement pendant les phases d'6mission et de r6ception (p6riodes de 600 #s).

111.2. S i m u l a t i o n et test du c ircui t ASlC1 (Fig. 3).

Avant la conception de I'ASICl, une mod61isation de la chaine radio a 6t6 effectu6e afin d'optimiser la dis- tribution des gains et du filtrage et analyser l'6volution des signaux h travers la chaine.

L'6tude 61ectrique du circuit AsIcl a 6t6 r6alis6e avec le simulateur 61ectrique Spice. Un gros effort de mod61i-

sation des 616ments parasites, tels que les plots et le boltier du circuit, a pennis d'obtenir une tr~s bonne corr61ation entre les mesures et les simulations et cela d~s la premiere r6alisation du circuit.

Pour le tri industriel du circuit, les puces aprSs fabri- cation sont test6es au niveau continu et basse fr6quence afin de ne conserver que les puces qui sont dans le gabarit de tri. Ce gabarit tient compte de donn6es corr616es avec certaines performances haute fr6quence. Apr~s encapsulation et nouveaux tests h basse fr6quence, des mesures haute fr6quence sont r6alis6es sur des pi~ces pr61ev6es pour qualifier le lot.

IV. CIRCUIT ASIC2

Le circuit ASIC2, int~gre une partie des fonctions de bande de base de l'6mission et de la r6ception. I1 est r6alis6 en technologie cuos et combine des fonc- tions num6riques et analogiques. I1 s'interface avec le circuit Aslcl, les convertisseurs analogique-num6rique (AOC)/num6rique-analogique (DAC) (AD/DA) en entr6e de la partie num6rique de traitement du signal (circuit ASIC3), le synth6tiseur de fr6quence et le sous-ensemble de contr61e. En outre, ce circuit contr61e l'asservisse- ment de l'amplificateur de puissance HF (niveau 6mis et mise en forme des rampes de mont6e et de descente de la puissance).

FIG. 3. - - Photographie du circuit ASIC1.

ASIC1 networks photography.

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IV.I . Arch i t ec ture du c ircuit .

Les caract6ristiques du circuit sont en grande partie d6termin6es par la structure FI z6ro. Les diff6rentes fonctions de l'gsIc2 englobent :

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- - une partie du filtrage de canal, - - la commande du gain, - - la compensation des 6carts entre les voies I et Q

(gain et phase), - - l'annulation des tensions de d6calage, - - la commande de l'impulsion d'6mission, - - l'activation des circuits de la pattie radio et le

r6glage de leur alimentation, - - la g6n6ration d'alarmes sur certains parambtres

radio.

Au niveau de la partie r6ception les deux voies en quadrature I e t Q provenant du circuit ASIC1 sont filtr6es et amplifi6es. Une pattie du filtrage repose sur un filtre analogique d'ordre 61ev6 dont l'action est compl6t6e par un filtre ?~ r6sistances et capacit6s r6parties qui intervient pour r6duire les signaux de blocage aux fr6quences 61ev6es. La cha~ne de r6ception a une dynamique de gain de 60 dB. Les 6carts de gain entre les voies en quadrature I e t Q sont compensables s6par6ment.

Les architectures ?a fr6quence interm6diaire nulle, possbdent une amplification 61ev6e en bande de base qui est contraignante au niveau du traitement des tensions de d6calage. Un dispositif annule ces tensions de d6ca- lage, r6duisant le niveau r6siduel en sortie de la cha~ne de r6ception ~ une valeur n'entrainant ni saturation ni d6gradation des performances du d6modulateur. Les pre- miers 6tages de la cha3ne ont 6t6 optimis6s pour apporter une contribution minimale sur le facteur de bruit.

La partie 6mission comprend deux blocs distincts : d'une part, elle effectue un traitement sur les signaux provenant du modulateur GMSK; d'autre part, elle com- mande la puissance 6mise et les phases de mont6e ou de descente de la puissance.

Le premier bloc comporte un filtre actif avec des possibilit6s d'annulation des tensions de d6calage sur les voies en quadrature I e t Q. De plus, la compensation des 6carts entre les voles I e t Q est programmable afin de supprimer les fr6quences image et la porteuse r6siduelle en sortie de l'amplificateur de puissance.

Le second bloc commande cet amplificateur de puis- sance et asservit le niveau de sortie en fonction des consignes transmises par le contr61eur du terminal. La mont6e et la descente du niveau de puissance sont tota- lement programmables et optimis6es de fa~on h r6duire les 6missions ind6sirables pendant les phases transitoires en respectant les contraintes de la norme GSM.

Pour r6duire la consommation du terminal, les diffd- rents 616ments du sous-ensemble radio ne sont activ6s qu'au moment oh ils doivent fonctionner. L'AslC2 a pour charge de r6veiller l'amplificateur de puissance, l'amplificateur ~ faible bruit, les circuits de modulation- d6modulation et I'ASIC1. Les s6quences d'activation de tous ces sous-ensembles sont programmables.

L'gslc2 agit comme un centre de tri pour les informa- tions envoy6es par le contr61eur au sous-systbme radio. I1 v6rifie la validit6 des messages qu'il re~oit, informe 6ventuellement le contr61eur des anomalies de transmis- sion et effectue les conversions de format appropri6es avant de transmettre les messages h leur destinataire.

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Les messages de configuration de l'Asic2 sont 6ga- lement enregistr6s duns une banque de registres. La radio est enti~rement r6glable 61ectroniquement, les parambtres de r6glage 6tant t616charg6s par le contr61eur duns l'Asic2.

Pour permettre au terminal d'avoir connaissance de son 6tat de fonctionnement, diverses alarmes et 6tats sont accessibles par le contr61eur. Au niveau de l'AsIC2, ces alarmes portent en particulier sur l'amplificateur de puissance (mesure du rapport d'ondes stationnaire (ROS)...) et le verrouillage du synth6tiseur.

I V . 2 . R 6 s u l t a t s .

Le circuit ASIC2 (Fig. 4) est un 616ment c16 de la cha~ne radio du terminal Alcatel. I1 comporte les fonctions clas- siques d'un circuit de fr6quence interm6diaire (filtrage et amplification) et en compl6ment il int~gre les compen- sations n6cessaires h la structure fr6quence interm6diaire nulle.

FIG. 4. - - Pho tog raph ie du circui t ASIC2.

ASIC2 networks photography.

Bien que ce circuit soit relativement complexe (38 mm 2 en technologie 1,2 #m), aucun composant externe n'est n6cessaire (filtrage en particulier). Ceci donne un bilan 6conomique et de volume tr6s positif.

De plus, il peut b6n6ficier facilement des nouvelles technologies CMOS (0,8 #m ~ court terme) pour r6duire sensiblement sa surface.

La strat6gie d'activation des fonctions, la technologie choisie et les techniques de conception ont permis de limiter la consommation ~ 15 mA en pointe sous 5 V.

V. CIRCUIT ASIC4.

Le circuit ASIC4 int~gre une pattie des traitements num6riques constituant la cha/ne de traitement du signal.

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I1 rEalise en particulier les fonctions suivantes : �9 caractErisation de l 'environnement radio, �9 synchronisation avec les stations de base, �9 demodulation des paquets binaires transmis par

chaque impulsion, �9 pilotage de la radio avec l 'aide du contr61eur. La mise en ~euvre des fonctions du circuit ASIC4 a EtE

guidEe par les contraintes suivantes : - - temps d'exEcution des traitements ~SM, - - consommation, - - souplesse d'adaptation pour la mise au point du

terminal [3].

V . 1 . A r c h i t e c t u r e ( v o i r F i g . 5 ) .

Un circuit h base de cceur du processeur numErique du signal (Digital Signal Processor DSP) intEgrE darts un ASIC a etE prEfErE ~ une structure c~blEe pour garantir les dElais de dEveloppement des traitements complexes de demodulation et offrir une souplesse d'adaptation en phase de mise au point de l'Equipement.

Le ceeur de DSP retenu est celui de la famille sT18K de s6s-Thomson.

Cependant, certains traitements h rEaliser par le circuit se sont rEvE1Es peu efficacement exEcutEs par le DSP; aussi un processeur cable a 6tE associ6 au ceeur de DSP et la charge de calcul a EtE rEpartie entre ces deux processeurs. Le processeur c~blE supporte en particulier :

- - le calcul de puissance, - - l 'estimation des tensions de dEcalage, - - les translations de frEquence, - - la moyenne d 'une suite d'Echantillons.

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Une logique pEriphErique (essentiellement des fonc- tions d'interface) complete le circuit.

Le sEquencement g6nEral du circuit optimise la con- sommation du circuit.

Par dEfaut, l 'gsic4 est dans l'6tat de veille avec ses horloges arr&Ees. D~s reception d 'un message envoy6 par le contr61eur, le circuit s 'autoprogramme pour exEcu- ter le traitement demand& Un simple sEquenceur g~re l'activitE du circuit.

Le fonctionnement du caeur de DSP reprEsente la part essentielle de la consommation du circuit. Aussi durant l'exEcution d 'un traitement, le osP n'est employ6 uni- quement que pour les t~ches logicielles qui lui incom- bent. Ainsi l'acquisition des 6chantillons radio, l'exEcu- tion des traitements du coprocesseur ainsi que le trans- fert des bits dEmodulEs au dEcodeur canal, s'effectuent sans activation du coeur de DSP. A la fin de la tfiche, le c~eur de DSP envoie ~ l'interface de contr61e un message d'6tat contenant les rEsultats des diffErents traitements. Cet 6tat permet ainsi au contr61eur de verifier le bon comportement de la cha~ne de reception.

Le coprocesseur et le ceeur de DSP ne travaillent jamais simultanEment. Ceci leur permet de partager la m~me mEmoire et donc d 'en rEduire la taille.

V . 2 . C o n c e p t i o n e t t e s t .

Le dEveloppement d 'un composant h base de c~eur de osP nEcessite l 'emploi de nouvelles mEthodes de conception et de test [4].

Pendant la phase de conception, le c0eur de osp ayant EtE dEvelopp6 parall~lement au circuit, il a fallu une

I

RADIO ~ interface

donn~es i radio

I 6moire morte de programme

Instruction Bus I ~

m6moire [ .=L~_

coprocesseur j-~ =I

cmur de m6molre I processeur num6dque morte

I de coefficients

interface LOCAL ~UIP DATA'BUS J ~'MJ

interface de commande

s6rie

I

commande donn6es

FIG. 5. - - Architecture du circuit de d6modulat ion.

Architecture of demodulation chip.

horloge I ~ d6codage de vole i0-s

ANN. T~L~COMMUN.,48, n ~ 3 -4 ,1993 7/10

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simulation logique du circuit avec son logiciel d'appli- cation pour valider le comportement de la structure logique et le logiciel avant la fabrication du circuit. La simulation s'est appuy6e sur une description au niveau portes pour le coprocesseur et la logique p6riph6rique et un module en langage VHDL pour le DSP.

Pour le test et la mise au point d 'un tel circuit, off parties c~bl6es et structure programm6e sont int6gr6es au sein d 'une m~me puce, les moyens de test doivent &re sp6cifiquement adapt6s. En effet, les techniques classiques d'6mulation, qui demandent un acc~s h tous les bus du c~eur de DSP, n'6taient pas envisageables pour ce projet car cela conduisait ~t un composant au brochage prohibitif.

Pour analyser s6par6ment le comportement du cceur de DSP et de la logique compl6mentaire (coprocesseur et logique p6riph6rique), une cha~ne de scrutation a 6t6 int6gr6e entre le coeur de DSP et la logique compl6men- taire [5]. Cette cha~ne passe en particulier au niveau de tousles bus du DSP et des connexions internes entre DSP et logique p6riph6rique. Elle offre les possibilit6s sui- vantes :

- - lecture et 6criture en s6rie de donn6es dans la cha~ne de scrutation sans perturber le circuit,

- - chargement et lecture de donn6es dans la logique p6riph6rique ou le coeur de Dse,

- - gestion de plusieurs modes de point d'arr~t sur le DSP.

Cette m&hode permet d'observer et de contr61er tota- lement les 6changes entre le coeur de DSP et la logique p6riph6rique et ceci par l 'ajout d 'un nombre limit6 de broches au niveau du circuit.

La cha~ne de scrutation permet 6galement un acc6s externe au bus instruction, donn6es et adresses. Ceci per- met d'utiliser une m6moire programme externe au lieu de la m6moire interne, ou la substitution d'instructions erron6es en for~ant une instruction externe.

Les outils d'6mulation fournis par SGs-Thomson ont 6t6 adaptds pour gdrer ce systSme d'6mulation.

V.3. Conclusion.

Le circuit ASIC4 a 6t6 conqu avec une technologie CMOS 1,2 # m e t sa surface est de 82 mm 2 (Fig. 6).

Les m6thodes de conception et de test employ6s ont pennis d'obtenir un circuit largement utilisable d~s la premiere r6alisation. En particulier la cha~ne de scruta- tion a montr6 toute son efficacit6 pour l 'analyse fine du circuit.

La r6alisation du circuit avec une tecbnologie 0,8 #m est envisag6e, apportant un gain sensible en consomma- tion et surface.

VI. C I R C U I T ASIC8

La partie commande du terminal g6re l'interface homme-machine, le traitement du signal et la cha~ne radio du terminal GSM.

221

FIG. 6. - - P h o t o g r a p h i e du c i rcu i t ASIC4.

ASIC4 networks photography.

Elle est compos6e d 'un microcontr61eur et du circuit sp6cifique ASlC8 qui g~re toutes les fonctions critiques en temps d'ex6cution.

L'architecture centralis6e choisie pour le terminal est efficace en terme de gestion du syst~me et de mise au point. Ainsi les traitements ~ effectuer par les diff6rentes grandes fonctions du terminal (r6ception ou 6mission d 'un paquet de bits, d6modulation...) sont activ6s par une commande issue de I'ASIC8.

Cette commande est assortie de param~tres qui pr6- cisent le mode de fonctionnement. En retour le circuit reqoit en fin de traitement un 6tat qui permet ?~ I'ASIC de d6tecter un 6ventuel dysfonctionnement et d 'engager avec le microcontr61eur une r6initialisation du traitement en cours.

L'Asic g~re d'autre part les horloges des divers com- posants du terminal, les compteurs trame et bit GSM, le chiffrement des trames GSM et le chargement de fonc- tions radio. I1 est le seul ~ rester en fonctionnement en mode veille pour le calcul du temps 6cou16 et la gestion de tous les cas de r6veil du terminal (6coute de canaux radio, d6tection d 'un appui touche...).

Ce composant, bien que relativement simple, a un impact sensible sur les performances du terminal car il concentre diverses fonctions en temps r6el avec un gain important sur les temps d'ex6cution et la consommation de l'6quipement.

I1 est r6alis6 en technologie CMOS 1,2 #m pour une surface de 30 mm 2. Sa surface est toutefois fix6e par sa couronne de 64 entr6es, sorties et alimentations.

VII . I~VOLUTIONS T E C H N O L O G I Q U E S

Cet ensemble de composants permet h Alcatel de proposer un terminal portatif de 380 g pour un volume de 290 cm 3 (Fig. 7). Ce terminal aura une autonomie comprise entre 12 et 16 heures (fonction de param~tres syst6me d6finis par l'exploitant GSM). Aujourd'hui les meilleurs terminaux analogiques ont environ 16 heures d'autonomie.

8/10 ANN. TI~LI~COMMUN., 48, n ~ 3-4, 1993

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222

FIG. 7. - - Photographie du terminal GSM.

GSM terminal photography.

Les diff6rents circuits ont 6t6 r6alis6s dans les tech- nologies disponibles conformes aux possibilit6s d'encap- sulation et d'industrialisation, soit le CMOS 1,2 # m e t le bipolaire haute fr6quence (Ft = 10 GHz).

I1 est possible d'imaginer diverses 6volutions. Deux facteurs majeurs peuvent apporter une am61ioration sen- sible :

- - la technologie, - - l'architecture.

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Par g6n6ration technologique, le nombre d'Asic num6- riques d'un terminal GSM est divisible par deux avec un gain sur la consommation et donc une am61ioration de l'autonomie du terminal. Cette tendance est renforc6e par l'abaissement de la tension d'alimentation (5 V --~ 3 V). Ainsi un passage de 5 V h 3 V r6duit la puissance consomm6e d'un circuit d'au moins un facteur 2.

Pour la radio, h 900 MHz, les technologies bipolaires sont largement utilis6es (ASIC1, amplificateur de puis- sance, prescaler...).

L'ars6niure de gallium devient maintenant une technologie s6duisante surtout pour aborder la gamme 1,8 GHz par une am61ioration du rendement et un fonctionnement sous basse tension. Avec les circuits int6gr6s monolithiques hyperfr6quence au GaAs (MMIC) (monolithic microwave integrated circuit), il est possible d'engager des int6grations completes de cha~nes radio comprenant des fonctions actives (amplification, trans- position de fr6quence...) et fonctions passives (filtres, adaptations...). Associ6 h l 'emploi de la technologie MCM (module multicircuits) des circuits MMIC peuvent appor- ter un gain tr~s sensible sur le volume des fonctions radio.

Signalons enfin 1'importance de la technologie des bo~tiers dans le volume global d'un terminal. Les circuits actuels utilisent des boitiers PQFP (plastic quadllat pack) au format m6tfique ~< mDEC >>. Leur hauteur est de l'ordre de 3 mm. La prochaine g6n6ration de boitiers aura une hauteur moiti6 ce qui facilitera la r6duction du volume.

V I I . 2 . A r c h i t e c t u r e .

V I I . 1 . L a t e c h n o l o g i e .

Les gains sur les densit6s des nouvelles technologies num6riques disponibles (1 #m, 0,8 #m...), autoriseraient des regroupements de composants avec r6duction de volume et de consommation.

Voici quelques donn6es recueillies aupr~s de fondeurs sur l'6volution des technologies CMOS :

TABLEAU I.

Technologies CMOS 1,2 ~tm 0,8 ktm 0,5 ~tm caract6ristiques

Densit6 (portes/mm 2) #500 #1000 #3000/4000

Alimentation (V) 5 5 3

Nombre de couches d'interconnexion 2 2/3 2/3

Temps de propagation par porte (ps) 350 150 80

Rapport de consommation complexit6 constante 1 0,7 0,5 ~t 0,3

L'ex6cution des traitements du circuit ASlC4 a 6t6 optimis6e par un partage entre une structure micro- programm6e (DsP) et une structure c~bl6e, Une ana- lyse plus syst6matique de ce partage au niveau du ter- minal conduit ~t un potentiel important de baisse du temps d'ex6cution et de la consommation. Ainsi, cer- tains op6rateurs implant6s en logique c~bl6e, peuvent avoir un temps d'ex6cution 2 ~t 5 fois plus rapide par rapport ~ une ex6cution sur DSP standard.

D'autres sources d'am61ioration sont possibles au sein des logiciels d'application de traitement de signal par une optimisation du programme et la simplification de certains algorithmes. Ces am61iorations portent aussi sur la r6duction des tailles des m6moires qui occupent une place importante dans les composants de traitement de signal.

Au niveau des circuits analogiques, les gains sont moins spectaculaires mais r6els. Avec les nouvelles technologies l'optimisation des fonctions analogiques peut amener h une r6duction de l'ordre de 20% de la surface. De m~me, la prudence introduite dans les premieres conceptions ouvre la voie h des simplifications qui seront confirm6es par le retour d'exp6rience.

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VIII. CONCLUSION

223

plus compacts et de plus faible consommation pour les gdn6rations suivantes de terminaux CSM.

Manuscrit re9u le 2 octobre 1992, accept~ le 29 janvier 1993.

Cet article pr6sente les composants d6velopp6s par Alcatel pour le poste portatif 6sr~.

Une large palette de technologies et de techniques a 6t6 n6cessaire pour r6pondre aux besoins de cet 6quipe- ment GSM

- - technologies bipolaires au niveau de la radio, - - CMOS mixte analogique num6rique pour les traite-

ments interm6diaires et de conversion, - - oaos num6rique pour les parties traitement de

signal et commande. Au total huit circuits sont aujourd'hui industrialis6s. Les rdsultats obtenus et l'emploi de nouvelles tech-

nologies permettront d'introduire des circuits encore

B I B L I O G R A P H I E

[1] LtNDELL (F.), RArrH (K.). The new generation of digital cellular systems. DMR4 (juin 1990), Oslo.

[2] BARO (J.), SEVENHANS (J.), VANWELSE~AERS (A.). An integrated Si bipolar RF transceiver for a zero IF 900 MHz GSM radio front end. CICC 91.

[3] CHATEAU (A.), GERARD (F.), WENIN (J.). A DSP based ASIC for GSM digital processings. MRC 92 (nov. 1991), Nice.

[4] DULONGPONT (J.), DARTOIS (L.), VANZIELEGHEM (E.). Use of DSP core in ASIC. Telecom 91, Gen~ve.

[5] ***. Boundary scan, a framework for structured design for test. Proceeding of International Test Conference (1986).

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