Absolute Dynamic Range Enhancement of a Radio-Frequency Digitizer
Amélioration de la Dynamique Absolue d'un Numériseur Radio-Fréquence
Résumé
With the development of new radio-communications systems, the digitization of information has never been more important. Radio receivers are now present in many areas with mixed analog and digital architectures which operate on wideband frequencies from few kHz to several MHz. However, technologies and nowadays components make it difficult to process all the received signals. Wideband acquisition can indeed create interference but also dynamic range issues. The dynamic range is paramount for some radio receivers which must now process signals with high power ratios. Indeed, if we consider a weak signal, simultaneously received with a strong signal, the digitization process can lead to the disappearance of the former. This phenomenon is the consequence of the Analog-to-Digital Converter (ADC) whose instantaneous dynamic range limits the simultaneous acquisition of a strong and weak signal. Indeed, the instantaneous dynamic range of the ADC is smaller than the absolute dynamic range of the receiver which refers to its ability to process a strong and weak signal received at different time. This difference requires an Automatic Gain Control (AGC) stage in order to prevent the ADC, when a strong signal is received, to be saturated or to enhance weak signals. However, this process can lead to the degradation of the noise sensitivity and, in the end, to the loss of weak signals when simultaneously received with strong signals. The aim of this PhD thesis is to overtake the technological limitations of the ADC regarding the instantaneous dynamic range by using a mixed-signal approach and, thus, propose a new digitization architecture in order to improve the absolute dynamic range of the digitizer. To do so, a state of the art of different technics to enhance the ADC dynamic range was performed. This work highlighted the current limitations and identified some ideas to investigate. Then, we performed a study of the ADC resolution requirement to correctly digitize multiple received signals with high power ratios. We also studied the impact of solutions such as analog spread spectrum before proposing a new architecture which improves the absolute dynamic range of a digital receiver by lowering the thermal noise introduced by the digitization stage.
Avec le développement de nouveaux systèmes de radio-communication, la numérisation de l'information est devenue un enjeu de plus en plus crucial. En effet, les récepteurs radios sont aujourd'hui présents dans de nombreux secteurs d'activités avec des architectures mixtes analogiques-numériques qui fonctionnent sur de larges gammes de fréquences allant de quelques kHz à plusieurs GHz. Cependant, les technologies et composants actuels rendent difficile le traitement de l'ensemble des signaux reçus. L'acquisition de larges bandes instantanées peut en effet entraîner la présence d'interférences mais également des problèmes de dynamique. Cette notion de dynamique est fondamentale dans certains récepteurs radios qui sont amenés à traiter des signaux sur une large gamme de puissances. De fait, si l'on considère un signal de faible puissance, reçu simultanément avec un signal de forte puissance, le processus de numérisation peut conduire à la disparition de ce premier. Ce phénomène est la conséquence de la dynamique instantanée du Convertisseur Analogique Numérique (CAN) qui se trouve être l'élément central du numériseur et qui limite le traitement des signaux de faible puissance lorsqu'ils sont reçus simultanément avec des signaux de forte puissance. Or, dans notre domaine d'application, le CAN possède une dynamique instantanée inférieure à la dynamique absolue du récepteur qui désigne sa capacité à traiter des signaux de forte et faible puissance sans notion de simultanéité. Cette différence nécessite la mise en place, en amont du numériseur, d'un système analogique de Contrôle Automatique de Gain (CAG), dont le rôle est d'assurer, dans le cas de la réception d'un signal de forte puissance, que le CAN ne soit jamais saturé ou de rehausser les signaux de faible puissance. Néanmoins, ce traitement peut entraîner une dégradation du facteur de bruit responsable de la perte des signaux de faible puissance en présence de signaux de forte puissance. L'objectif de cette thèse est de venir dépasser les limites technologiques du CAN vis-à-vis de la dynamique instantanée au travers d'une approche mixte entre le monde analogique et numérique en améliorant la dynamique absolue du numériseur qui comporte le CAN et son étage amont. Pour ce faire, un état de l'art des différentes solutions existantes pour améliorer la dynamique des CAN a tout d'abord été effectué. Ce travail a permis de mettre en lumière les limitations actuelles et de dégager différentes pistes de recherche. Par la suite, une étude a été réalisée afin de dimensionner correctement les CAN dans un contexte de réception simultanée de plusieurs signaux. Nous avons également étudié l'impact de solutions comme l'étalement de spectre analogique sur notre problématique avant de proposer une architecture permettant d'améliorer la dynamique absolue d'un numériseur en venant abaisser le bruit thermique introduit par l'étage de numérisation.