Synthèse de fréquence dans une architecture multi-radio cognitive

Frequency synthesis for cognitive multi-radio

• Auteur / Autrice : Václav Valenta
• Direction : Geneviève Baudoin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique, électronique, photonique et systèmes
• Date : Soutenance le 12/11/2010
• Etablissement(s) : Paris Est en cotutelle avec Brno University of Technology (MAIS)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes
• Jury : Président / Présidente : Jacques Palicot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Geneviève Baudoin, Martine Villegas, Roman Maršálek, Bohdan Rùžièka
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jiøí Masopust

Mots clés

Mots clés contrôlés

Boucles d'asservissement de phase

Synthétiseurs de fréquence

Spectres de fréquences

Radio cognitive

Mots clés libres

Radio cognitive

Accès dynamique au spectre

Synthèse de fréquence

Multi-radio

Boucle à verrouillage de phase

Cognitive radio

Dynamic spectrum access

Frequency synthesis

Multi-radio

Phase locked loop

Résumé

Cette thèse porte sur les aspects de conception d'un synthétiseur de fréquence pour les émetteurs-récepteurs dans les architectures multi-radios cognitives. La largeur de bande couverte par ce synthétiseur multi-radio correspond à la bande de fréquences des normes de communication sans fil les plus diffusées, fonctionnant dans la bande de fréquence de 800 MHz à 6 GHz. Du fait que l'opération multi-standard est indispensable, le synthétiseur doit répondre aux exigences les plus strictes et parfois contradictoires. Compte tenu de ces exigences, une nouvelle approche pour une synthèse de fréquence multi-mode a été conçue. Un synthétiseur de fréquence hybride, basé sur le principe de la boucle à verrouillage de phase a été proposé et un nouveau protocole de commutation a été présenté et validé sur une carte d'évaluation expérimentale. Cette approche combine les modes fractionnel et entier avec une topologie de filtre à bande commuté. Par rapport aux techniques standard, la configuration hybride permet une grande souplesse en matière de reconfiguration et d'ailleurs, elle offre une complexité des circuits relativement faible ainsi qu'une faible consommation électrique. Cette architecture assure la reconfiguration de la bande passante de la boucle ainsi que la résolution, le niveau du bruit de phase et du temps d'accrochage et, par conséquent, elle peut s'adapter à des besoins divers, imposés par les normes concernées. Des analyses correspondantes, des simulations et des mesures ont été réalisées afin de vérifier les performances et les fonctionnalités de la solution proposée. A part la conception du synthétiseur de fréquence multi-radio, une campagne de mesures régionales de l'utilisation du spectre radio a été réalisée dans le cadre de la recherche de cette thèse. Ces mesures sont fondées sur le principe de détection de l'énergie et nous démontrent le degré d'utilisation du spectre radio dans les différentes régions, notamment dans la ville de Brno en République Tchèque et dans la ville de Paris et sa banlieue en France. L'objectif de cette campagne de mesures expérimentales a été d'estimer le degré d'utilisation du spectre radio dans des environnements différents et de souligner le fait qu'une nouvelle approche pour la gestion du spectre radio est inévitable

This doctoral thesis deals with design aspects of a reconfigurable frequency synthesizer for flexible radio transceivers in future cognitive multi-radios. The frequency bandwidth to be covered by this multi-radio synthesizer corresponds to the frequency bands of the most diffused wireless communication standards in the frequency band 800 MHz to 6 GHz. Since multi-standard operation is required, the synthesizer must fulfil the most stringent and sometimes conflicting requirements. Given these requirements, a novel approach for multi-mode frequency synthesis has been conceived. A hybrid phase locked loop based frequency synthesizer has been proposed and a novel switching protocol has been presented and validated on an experimental evaluation board. This approach combines fractional-N and integer-N modes of operation with switched loop filter topology. Compared to standard PLL techniques, the hybrid configuration provides a great flexibility in terms of reconfiguration and moreover, it offers relatively low circuit complexity and low power consumption. This architecture provides reconfiguration of the loop bandwidth, frequency resolution, phase noise and settling time performance and hence, it can adapt itself to diverse requirements given by the concerned wireless communication standards. Corresponding analyses, simulations and measurements have been carried out in order to verify the performance and functionality of the proposed solution. A part from the design of the multiband frequency synthesizer, a set of regional measurements of the radio spectrum utilization has been carried out in the framework of this dissertation research. These measurements are based on the energy detection principle and provide a close look at the degree of radio spectrum utilization in different regions, namely in the city of Brno in the Czech Republic and in the city of Paris and one of its suburbs in France. The goal of the experimental measurement campaign has been to estimate the degree of radio spectrum usage in a particular environment and to point out the fact that a new approach for radio spectrum management is inevitable