Techniques fiables basées sur événements pour la démodulation ASK des dispositifs NFC

Reliable event-based techniques for ASK demodulation in NFC devices

• Auteur / Autrice : Alexis Rodrigo Iga Jadue
• Direction : Laurent Fesquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 24/02/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Techniques de l’informatique et de la microélectronique pour l’architecture des systèmes intégrés (Grenoble ; 1994-....)
• Jury : Président / Présidente : Luc Hebrard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emil Novakov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Nouet, Gilles Jacquemod

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes d'identification par radiofréquence

Échantillonnage

Démodulation (électronique)

Systèmes de communication sans fil

Mots clés libres

Basse consommation

Démodulation ASK

Échantillonage non-Uniforme

Micropipeline

TDC à mesure continue

Comparator Strong-Arm

Low-Power

ASK Demodulation

Non-Uniform sampling

Micropipeline

Continuous measurement TDC

Strong-Arm Comparator

Résumé

Au cours de la dernière décennie, les communications sans fil ont connu une croissance exponentielle, intégrant un grand nombre d'applications et de produits. L'une des applications qui s'est largement répandue au cours de cette période a été l'utilisation des « communications en champ proche » (« NFC » en anglais). Le NFC est associé à un marché de masse, comme le paiement sans contact, les tickets dans les transports publics ainsi que les badges d'accès. Afin d'élargir la gamme d'applications NFC, cette thèse vise à trouver, pour les nœuds technologiques avancées, des solutions numériques de démodulation ASK à l'intérieur des tags NFC fonctionnant sans batterie. Ce travail propose de nouvelles techniques de démodulation ASK offrant une réduction de la consommation électrique et les bénéfices d'une implémentation numérique. Les techniques proposées utilisent un convertisseur analogique-numérique basé sur événements (EB-ADC) et un algorithme de démodulation numérique. L'EB-ADC utilise un schéma d'échantillonnage minimaliste par traversée de niveaux (LCSS) avec seulement deux niveaux et un convertisseur temps-numérique (TDC) pour mesurer le temps écoulé entre deux échantillons consécutifs. Ces mesures temporelles sont traitées par l'algorithme de démodulation ASK. Les principales contributions de cette thèse sont les points suivants : 1) un environnement de simulation numérique en SystemVerilog pour simuler des systèmes RF, 2) un algorithme de démodulation ASK simple, 3) une méthode de calibration assurant une correcte démodulation malgré les variations des procédés de fabrication, de la tension et de la température (PVT), 4) un TDC réalisant des mesures de temps en continu et 5) la conception de deux comparateurs « Strong-Arm » sous forme de cellules standards. Afin de valider la solution proposée, un circuit ASIC a été conçu et fabriqué en utilisant la technologie FDSOI 28nm de STMicroelectronics.

During the last decade, wireless communications have exponentially growth, integrating a wide number of applications and products. One of the applications that importantly spread during that period was the usage of the “Near-Field Communications” (NFC). NFC is associated to a massive market, such as contactless payment, transport validation and access badges. In order to extend the range of NFC applications, this thesis aims finding digital solutions to the ASK demodulation module inside batteryless NFC tags in advanced technology nodes. This work proposes new ASK demodulation techniques for reducing the power consumption and taking advantage of a digital implementation. The proposed techniques use an Event-Based Analog-to-Digital Converter (EB-ADC) and a digital demodulation algorithm. The EB-ADC employs a minimalist Level Crossing Sample Scheme (LCSS) with only two levels and uses a Time-to-Digital Converter (TDC) for measuring the time elapsed between two consecutive level crossing samples. These time measurements are processed by the digital ASK demodulation algorithm, allowing to identify the exact communication sequence’s position (end of each symbol period) and each symbol value. The main contributions of this thesis are the following points: 1) a digital simulation environment in SystemVerilog for simulating RF Systems, 2) a simple ASK demodulation algorithm, 3) a calibration method ensuring a correct demodulation even with “Process, Voltage and Temperature” variations, 4) a TDC performing continuous time-measurements and 5) the design of Strong-Arm Comparators as standard cells. In order to validate the proposed solution, an ASIC circuit has been designed and fabricated in the technology FDSOI 28nm from STMicroelectronics.