Génération d'impulsions : Fondamentaux et applications · Théorème de Shannon sur la capacité du canal • Avec : C : Capacité du canal (bit/s) ... Impulsion de Rayleigh

Génération d’impulsionsFondamentaux et applications

Ecole d’automne Ultra-Large Bande – octobre 2006Jean-François Naviner

Ecole Nationale Supérieure des TélécommunicationsLTCI UMR ENST-CNRS 5141

E.A. U.L.B. - J.F. Naviner : Génération d'impulsions2 24-10-2006

Plan

Définitions et motivations

Régulations et spécifications

Modélisation et synthèse

Techniques principales de réalisation

Produits commerciaux

Perspectives


Définition d’un signal à Ultra-LargeBande (ULB)

Bande fractionnelle mesurée à -10dB supérieure à 20%ou

Bande supérieure à 500MHz

fL fH

DSP (dB)

-10dB

fC

( ) ( )10 10 20%H dB L dB

C

f f

f− −−

>

Déf

initi

ons

et m

otiv

atio

ns


Motivation théorique

Théorème de Shannon sur la capacité du canal

• Avec :C : Capacité du canal (bit/s)B : largeur de bande (Hz)P : Puissance du signal reçu (W)N0 : Densité spectrale de puissance de bruit (W/Hz)

20

log 1 PC BB N

⎛ ⎞= ⋅ +⎜ ⎟⋅⎝ ⎠

Déf

initi

ons

et m

otiv

atio

ns

Une grande largeur de bande permet de :• Réduire les problèmes de multi-trajets ;• Augmenter la capacité du canal ;• Réduire la densité spectrale de fréquence.


Débit versus distance

De très haut débits sont possibles àtrès courtes distances.

Communications à(très) bas débit au-delà de qq. Dizaines de mètres.

Sour

ce :

Inte

l

Déf

initi

ons

et m

otiv

atio

ns


Deux types de communications ULB

ULB à impulsions (I-UWB, IR-UWB)

• Absence de porteuse• Communication par

séries d’impulsions

ULB multiporteuses(MC-UWB)

• OFDM : forme de modulation la plus commune

( ) ( )( ) i fi

s t A t p t iT+∞

=−∞

= ⋅ −∑

Déf

initi

ons

et m

otiv

atio

ns

( )2

1( ) s

N Tj i Ti

is t d t e

π

=

= ⋅∑


Spectres typiquesI-UWB versus MC-UWB

fréquence (GHz)

puis

sanc

e (d

B)

1 10 fréquence (GHz)

puis

sanc

e (d

B)

1 10

Déf

initi

ons

et m

otiv

atio

ns


Caractéristiques du signal IR-UWB

Impulsions très courtes en bande de base à très faible rapport cyclique ;Signal très large bande donc à grande diversitéfréquentielle : robuste aux interférences ;Signal à très faible DSP donc systèmes à faible consommation d’énergie ;Sauts temporels pseudo-aléatoires : si le code est long, signal proche d’un bruit blanc : systèmes «discrets» ;Très forte résolution temporelle : peut permettre la séparation de trajets et une localisation précise.

Déf

initi

ons

et m

otiv

atio

ns


Plan






Perspectives


Régulations

Etats-Unis : février 2002• Différents masques selon le contexte applicatif

(intérieur, extérieur, radars automobiles, imagerie et surveillance)

Europe : mars 2006…• Différents masques selon le contexte applicatif

(courtes distances, radars automobiles, capteurs)

Japon : août 2006…

Rég

ulat

ions

et s

péci

ficat

ions


Régulations (en intérieur)en moyenne maximum

-41,3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Fréquence (GHz)

Lim

ites

d’ém

issi

on (d

Bm

/MH

z)

-40

-45

-50

-55

-60

-65

-70

-75

-80

-85

-903,1 10,61,60,96 1,99

JaponEuropeEtats-Unis

3,1 4,82,7 6,0 9,0 10,61,6

avec DAA

3,4 4,8 7,25 10,25

avec DAA

Rég

ulat

ions

et s

péci

ficat

ions


Régulations (en intérieur)en pic maximum Europe

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Fréquence (GHz)

Lim

ites

d’ém

issi

on (d

Bm

/50M

Hz)

0

-5

-10

-15

-20

-25

-30

-35

-40

-45

-50 3,1 4,82,7 6,0 9,0 10,61,6

avec DAA

Rég

ulat

ions

et s

péci

ficat

ions


Puissance moyenne,puissance maximale

Puissance moyenne :

Puissance maximale :

Rég

ulat

ions

et s

péci

ficat

ions

( )( )max1041,3 10 logmoy dB MHzP B dBm−= − + ⋅

( ) ( )3max 20 log 1 5050cr ete

dB MHzBP dBm avec B MHz−⎛ ⎞

= ⋅ ≤ ≤⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠

$


Puissances maximale et moyenneexemples

Puissance moyenne :• Bande passante à -10dB : 1,5GHz

Puissance maximale :• Bande passante à -3dB : 700MHz

• Avec une charge de 50Ω : Vcrête~4,5V

max 41,3 10 log1500 9,5moy

Rég

ulat

ions

et s

péci

ficat

ions

P dBm= − + × = −

( )max 70020 log 23 20050peakP dBm mW= × =


Limitation technologique

En pratique, la technologie va limiter la puissance crête.Exemple :

• Bande passante(-3dB)=1GHz : Ppeak=26dBm• Z=50Ω

Rég

ulat

ions

et s

péci

ficat

ions

VDD - VSS Max. Ppeak Max. Ppeak (2xV)

CMOS 180nm 1,8V 15,1dBm 21,1dBm


CMOS 90nm 1V 10dBm 16dBm



Temps moyen entre impulsions

Si alors

Exemple :• Si et si

• d’où

Ceci peut influer sur le choix de modulation.

Affecter aux impulsions une puissance <

max

maxpeak

moy

PP

α= .moy silence émission

émission

T TT

α+

≥

max 10 10peakP dBm mW= = max 10 0,1moyP dBm mW= − =max

max 20peak

moy

PdB

P= . 100moy silence

émission

TT

≥

max

Rég

ulat

ions

et s

péci

ficat

ions

peakP


Caractéristiques principales d’une impulsion

Amplitude crête-à-crête

Durée

Puissance

Bande passante à -3dB, -10dB

Fréquence centrale


Plan






Perspectives


Modulation du signal IR-UWB

Rapport cyclique très faible

Mod

élis

atio

n et

syn

thès

e

-2e-010 -1e-010 0e+000 1e-010 2e-010 3e-010 4e-010-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Time domain

nanoseconds

ampl

itude

t

Tp Tc

1p

c

TT

η = <<

0.0e+000 5.0e+009 1.0e+010 1.5e+010 2.0e+010 2.5e+010-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

frequency domain

Frequency

Am

plitu

de (l

og)


Schémas de modulation

Modulation en tout ou rien

Modulation par la position de l’impulsion

Modulation à deux états de phase

…

Modulations hybrides• Ex. : PPM + BPSK

Mod

élis

atio

n et

syn

thès

e


Modulation en tout ou rien

t t

1 0

Mod

élis

atio

n et

syn

thès

e

OOK (On-Off Keying)• Évite la périodicité si la séquence est non périodique.• Mise en œuvre simple à l’émission et à la réception.• Possibilité d’impulsions deux fois plus puissantes qu’en

PPM si équi-répartition des symboles.


Modulation par la position de l’impulsion

t

00 01 10 11

Mod

élis

atio

n et

syn

thès

e

Pulse Position Modulation (PPM)• Pas de périodicité du train d’impulsions • Possibilité de symboles à grand nombre d’états• Mise en œuvre simple à l’émission par contrôle de

l’instant d’impulsion


Modulation à deux états de phase

t

0

t

1

Mod

élis

atio

n et

syn

thès

e

Bipolar Signaling Keying (BPSK)• A taux d’erreur binaire identique, requiert un SNR

inférieur de 3dB à celui d’une modulation PPM• Synchronisation simple• Alternance d’impulsions et d’impulsions inversées

supprime les raies spectrales dues à la périodicité du signal


Modèles simples d’impulsions

Monocycle gaussien et ses dérivées

Impulsion de Rayleigh

Impulsion d’Hermite

Monocycle gaussien modulé

Mod

élis

atio

n et

syn

thès

e


Gaussienne, monocycle et dérivéesGaussienne

Dérivée première

Dérivée seconde

( ) ( )2y t K exp tα= ⋅ − ⋅

( ) ( )22 expy t K t tα α= − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅

( ) ( ) ( )2 2 24 2 expy t K t tα α α= ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ − ⋅

Mod

élis

atio

n et

syn

thès

e


Impulsions en polynômes d’Hermite modifiés

( ) ( )2 2

1 exp4 2

nn

n n

t d th t avec ndt

⎛ ⎞ ⎛ ⎞= − ⋅ − ⋅ − ∈⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠Propriétés :

- Durée d’impulsion quasi-identique ∀n.

- Largeur de bande quasi-identique ∀n.

- L’impulsion possède une composante continue.

- Le nombre de passage à zéro est égal à n.

Mod

élis

atio

n et

syn

thès

e


Gaussienne modulant une sinusoïde

Fenêtrage d’une fonction sinusoïdale par une gaussienne.

• Exemple pour le masque FCC

( ) ( ) ( )2sin 2 expcy t A F t tπ α= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅

Mod

élis

atio

n et

syn

thès

e




• Exemple pour le masque européen


Mod

élis

atio

n et

syn

thès

e



Mod

élis

atio

n et

syn

thès

e


• Exemple pour une bande de 500MHz


-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Domaine temporel

nanosecondes

ampl

itude

3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

Domaine fréquentiel

fréquence (GHz)

Am

plitu

de n

orm

alis

ée (l

og)


Dérivées gaussiennes modulant une sinusoïde

-2 0 2 4 6 8 10 12-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Domaine fréquentiel

fréquence (GHz)

Am

plitu

de n

orm

alis

ée (l

og) dérivée sde

gaussienne

dérivée 1ère

Mod

élis

atio

n et

syn

thès

e


Elargissement de la bande passante


Elargissement de la bande passante


Synthèse à partir d’un masque

Principe : • appliquer une transformée inverse de Laplace

au masque du gabarit.

• …s’en approcher par la définition d’un filtre.

( )( )

( )

max

min

max

min

2

p t

f j f t

f

cste M p e dpm t

cste M f e df

ω

ω

π

⋅

⋅ ⋅ ⋅

= ⋅ ⋅

= ⋅ ⋅

∫

∫

Mod

élis

atio

n et

syn

thès

e


Synthèse d’un filtre à partir d’un masque

Exemple : gabarit FCC• à f=1,6GHz DSP=-75dBm/MHz• à f=3,1GHz DSP=-51,3dBm/MHz• Pour une caractéristique en limite de masque, une

atténuation minimale de 24dB/octave est nécessaire.• Pour un type de filtre donné (Tchebychev, Butterworth,

elliptique…), on détermine l’ordre minimal. (ex. ordre 4 pour approx. Tchebychev).

• La réponse impulsionnelle du filtre constitue l’impulsion dans le domaine temporel pour une approximation donnée et un ordre fixé à partir du masque.

Mod

élis

atio

n et

syn

thès

e


Gigue d’horloge

Pour un BER fixé, décroissance forte du débit avec l’augmentation de la gigue ;

Influence du type de modulation ;

Influence de la forme d’onde ;

Influence de la gigue sur le nombre possible d’utilisateurs.

Mod

élis

atio

n et

syn

thès

e


Plan






Perspectives


Générateur d’impulsion à effet avalanche

Tech

niqu

es p

rinci

pale

s de

réal

isat

ion

T1

-Vbb

Vcc

Vin

Vout

Rb

Cb

Rc Cc

RL

L’effet avalanche est évitée dans les technologies d’intégration.Possible en discret.Temps de montée subnanoseconde.Difficile à caractériser, dépend de la température.Tension élevée requise.Délai avant nouveau déclenchement.


Générateur d’impulsion à effet tunnel

Tech

niqu

es p

rinci

pale

s de

réal

isat

ion

Sour

ce: M

-pul

se M

icro

wav

eDiodes à effet tunnel• Ge ou AsGa

Limites :• Non compatible Si• Faible amplitude

(<500mV)• Polarisation sensible à

T°c• Relativement chères


Générateur de fronts à diode SRD

Tech

niqu

es p

rinci

pale

s de

réal

isat

ion

P NIStep Recovery Diode

t

t

t

Vin

Vout

IdVin

SRD Vb

RbC C

Rs

RL

Vout

Id

VinVin

SRD Vb

RbC C

Rs

RL

Vout

Id


Générateur d’impulsions à diode SRD

Tech

niqu

es p

rinci

pale

s de

réal

isat

ion

Limites• Non compatible Si• Tensions requises > qq. Volts• Délais entre impulsions

J. Han and C. Nguyen, "On the Development of a Compact Sub-Nanosecond Tunable Monocycle Pulse Transmitter for UWB Applications,«Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 54, pp. 285-293, 2006.


Caractéristiques d’un générateur d’impulsions

Monolithique versus hybrideTechnologie(s)RendementLargeur de bande, fréquence centraleModulations possiblesDélai minimal entre impulsionsProgrammation

• Fréq. Centrale, largeur de bande, puissance

Surface

impulsion

totale

PP


Quelques architectures possibles pour une intégration monolithique

séquence

vers l’antenne séquence vers l’antennefiltre

DLL Logique combinatoire

vers l’antenne

séquenceséquence

vers l’antenneVG-PA

séquence

vers l’antenne×


Générateur de monocycle de Scholtz

Requiert une entrée en Iin=tanh(t)Q1-Q5 réalisent IC5=tanh²(t)L et C dérivent deux fois.Vout est une approximation de la dérivée seconde du monocycle gaussien.

Vcc

Iin

Vout

50Ω

C

LIA

IA

Q1

Q2 Q3

Q4

Q5

Tech

niqu

es p

rinci

pale

s de

réal

isat

ion

H. Kim, D. Park, and Y. Joo, "Design of CMOS Scholtz's monocycle pulse generator," presented at Ultra Wideband Systems and Technologies, 2003 IEEE Conference on, 2003.


Logique ECL

Tech

niqu

es p

rinci

pale

s de

réal

isat

ion

Logique rapide.

Possibilité de former des impulsions par combinaisons de portes.

Inconvénients : consommation, faible excursion en tension.


Circuits différentiels, H-bridge

Tech

niqu

es p

rinci

pale

s de

réal

isat

ion VDD

antenne

Le slew-rate et la dynamique sont doublés.Pas de masse : nécessite des antennes en boucle.À partir d’un front, génère un monocycle.

• Production de doublets


Générateur programmable CMOS (1)

Tech

niqu

es p

rinci

pale

s de

réal

isat

ion

A B C D

VDD

RL

CVout

t

t

t

t

tA

B

C

D

Vout

Générateurde délais(50ps)

Logiquede

contrôleDFF Générateur

d’impulsion

Filtrepasse-bande

Machineà états

H 3 4 4

410

K. Marsden , H.-J. Lee, D. Ha, and H.-S. Lee,"Low power CMOS re-programmable pulse generator for UWB systems," presented at Ultra Wideband Systems and Technologies, 2003 IEEE Conference on, 2003.



Tech

niqu

es p

rinci

pale

s de

réal

isat

ion

Bande : 3-5GHz, Fc~4GHzCompatible 2-PPM et BPSK.Débit obtenu : 160Mb/s.Conçu en CMOS 130nm, 1,2V, 10mW, 1,56mm².Nécessite filtre passe-bande en sortie pour gabarit Fcc.

L. Smaini, C. Tinella, D. Helal, C. Stoecklin, L. Chabert, C. Devaucelle, R. Cattenoz, N. Rinaldi, and D. Belot,"Single-chip CMOS pulse generator for UWB systems," Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol. 41, pp. 1551-1561, 2006.



Tech

niqu

es p

rinci

pale

s de

réal

isat

ion

Bande : 3-5GHz, Fc~4GHzCompatible BPSK.Débit obtenu : 36Mb/s.Conçu en CMOS 180nm, 2,2V, 29,7mW, 0,40mm² (cœur).Nécessite transfo. (balun) extérieur.

T. Norimatsu, R. Fujiwara, M. Kokubo, M. Miyazaki, Y. Ookuma, M. Hayakawa, S. Kobayashi, N. Koshizuka, and K. Sakamura, "A novel uwb impulse-radio transmitter with all-digitally-controlled pulse generator,"

presented at Solid-State Circuits Conference, 2005. ESSCIRC 2005. Proceedings of the 31st European, 2005.


Conception conjointegénérateur d’impulsions - antenne

Tech

niqu

es p

rinci

pale

s de

réal

isat

ion

50Ω

50Ω

générateur de délaiprogrammable

4

n

clk donnée

générateurde

triangle

filtre gaussiendu 6ième ordre

50Ω

50Ω

générateur de délaiprogrammable

4

n

clk donnée

générateurde

triangle

filtre gaussiendu 6ième ordre

Impulsion de type monocycle gaussien (largeur min. 375ps, 175mVcc) Bande : 3-5GHz, Fc~4GHzModulation PPM.Impédance sortie générateur = imp. antenne = 100ΩConçu en BiCMOS 180nm, 1,8V, 45mW, 0,306mm² (cœur).

S. Bagga, A. V. Vorobyov, S. A. P. Haddad, A. G. Yarovoy, W. A. Serdijn, and J. R. Long,"Codesign of an impulse generator and miniaturized antennas for IR-UWB," Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 54, pp. 1656-1666, 2006.


Plan






Perspectives


Time DomainPulsON

Kit d’évaluation• Fréquence de répétition

des impulsions : 9,6MHz• Fc : 4,7GHz• Bande à -10dB : 3,2GHz• EIRP : -12,8dBm• P : 6,5W• Portée :

– 9,6Mbps : 6,4m (office), 12-17m (champ libre)

– 150kbps : 25m (office), 100-140m (champ libre)

Communications

Radar

Sécurité

Pro

duits

com

mer

ciau

x

Source : www.timedomain.com


Pulse-linkCWave

Basé sur IEEE802.15.3

Bw1 : 3,3-4,7GHz avec Fc=4GHz

Bw2 : 7,4-8,7GHz avec Fc=8GHz

Modulation BPSK, jusqu’à 1,35Gbps

Processing gain : PG=1 … 64

Codage LDPC

Application : HDTV

Pro

duits

com

mer

ciau

x

Source : www.pulselink.net


FreescaleXS110

Basé sur IEEE802.15.3, gabarit FCCDS-UWB (Direct Sequence Spread Spectrum)Débit : 29, 57, 86 ou 114MbpsConsommation totale : 750mW sous 3,3VTechnologies 180nm CMOS et SiGePortée 10mApplications : TV, HDTV , wireless fastethernet

Pro

duits

com

mer

ciau

x

Source : www.freescale.com


General AtomicsSpectral keying

Spectral Keying• FSK et PPM

5 sous-bandes de 500MHz entre 3,1 et 7,3GHz

Fréq. Répétition des pulses : 6, 12 ou 18MHz

Débits : 40 ou 80Mbps

Sous 3,3v ou 1,8v

Applications : vidéo, wireless-USB

Pro

duits

com

mer

ciau

x

Source : www.ga.com


Plan






Perspectives


Perspectives

Conception conjointe générateur d’impulsions et antenne

Futurs générateurs d’impulsion• Intégration CMOS complète• Programmables (puissance, Fc, Bw,

modulation)• Permettre des modes ‘burst’ (jusqu’à

500MIps)• Recherche d’une consommation minimale

Per

spec

tives


RéférencesFCC First Report and Order Regarding UWB Transmission, 98-153, Federal Communication Commission, 14 février 2002.

L.W. Fullerton and I.A. Cowie. Ultrawide band communication system and method. US Patent n° US 5677927, 1997.

L.W. Fullerton and I.A. Cowie. Time domain transmission method. US Patent n° US 5363108, 1997.

J. Schwoerer, Etude et implémentation d’une couche physique UWB impulsionnelle à bas débit et faible complexité, doctorat de l’INSA de Rennes, 30 janvier 2006.

J. T. Conroy, J. L. LoCicero, and D. R. Ucci, "Communication techniques using monopulse waveforms," presented at Military Communications Conference Proceedings, 1999. MILCOM 1999. IEEE, 1999.

J.H. Redd, « An Introduction to Ultra Wideband Communication Systems », Prentice Hall, 2005.

M. Pelissier, B. Denis, and D. Morche, "A methodology to investigate UWB digital receiver sensitivity to clock jitter," presented at Ultra WidebandSystems and Technologies, 2003 IEEE Conference on, 2003.

T. Terada, S. Yoshizumi, Y. Sanada, and T. Kuroda, "Transceiver circuits for pulse-based ultra-wideband," presented at Circuits and Systems, 2004. ISCAS '04. Proceedings of the 2004 International Symposium on, 2004.

W. M. Lovelace and J. K. Townsend, "The effects of timing jitter and tracking on the performance of impulse radio," Selected Areas in Communications, IEEE Journal on, vol. 20, pp. 1646-1651, 2002.

N. V. Kokkalis, P. T. Mathiopoulos, G. K. Karagiannidis, and C. S. Koukourlis, "Performance analysis of M-ary PPM TH-UWB systems in the presence of MUI and timing jitter," Selected Areas in Communications, IEEE Journal on, vol. 24, pp. 822-828, 2006.

J. Han and C. Nguyen, "On the Development of a Compact Sub-Nanosecond Tunable Monocycle Pulse Transmitter for UWB Applications," Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 54, pp. 285-293, 2006.

H. Kim, D. Park, and Y. Joo, "Design of CMOS Scholtz's monocycle pulse generator," presented at Ultra Wideband Systems and Technologies, 2003 IEEE Conference on, 2003.

K. Marsden , H.-J. Lee, D. Ha, and H.-S. Lee, "Low power CMOS re-programmable pulse generator for UWB systems," presented at Ultra Wideband Systems and Technologies, 2003 IEEE Conference on, 2003.

L. Smaini, C. Tinella, D. Helal, C. Stoecklin, L. Chabert, C. Devaucelle, R. Cattenoz, N. Rinaldi, and D. Belot, "Single-chip CMOS pulse generatorfor UWB systems," Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol. 41, pp. 1551-1561, 2006.


RéférencesT. Norimatsu, R. Fujiwara, M. Kokubo, M. Miyazaki, Y. Ookuma, M. Hayakawa, S. Kobayashi, N. Koshizuka, and K. Sakamura, "A novel uwbimpulse-radio transmitter with all-digitally-controlled pulse generator," presented at Solid-State Circuits Conference, 2005. ESSCIRC 2005. Proceedings of the 31st European, 2005.

S. Bagga, A. V. Vorobyov, S. A. P. Haddad, A. G. Yarovoy, W. A. Serdijn, and J. R. Long, "Codesign of an impulse generator and miniaturizedantennas for IR-UWB," Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 54, pp. 1656-1666, 2006.

H. Kim, D. Park, and Y. Joo, "All-digital low-power CMOS pulse generator for UWB system," Electronics Letters, vol. 40, pp. 1534-1535, 2004.

J. Lee, Y.-J. Park, M. Kim, C. Yoon, J. Kim, and K.-H. Kim, "System-on-package ultra-wideband transmitter using CMOS impulse generator," Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 54, pp. 1667-1674, 2006.

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