Low-cost phase noise measurement with digital test resources

Au cours des dernières décennies, l’industrie de la micro-électronique a connu une large démocratisation de l’utilisation des applications de télécommunication. L’amélioration des procédés de conception et de fabrication ont permis de produire des circuits analogiques, mixtes et radiofréquences complexes et hautes performances pour ces applications. Toutefois, le coût de test de ces circuits intégrés représente encore une large part du coût de fabrication. En effet, très souvent, tester des fonctions analogiques ne se résume pas à un test fonctionnel mais signifie mesurer les spécifications du circuit. Ces mesures nécessitent l’utilisation d’instruments dédiés bien plus couteux que les ressources numériques disponibles sur un équipement de test industriel standard. Une des spécifications essentielle mais couteuse à caractériser pour les circuits RF est le niveau de bruit de phase. La technique actuellement utilisée en industrie consiste à capturer le signal à l’aide d’un canal testeur analogique équipé d’un convertisseur analogique-numérique hautes performances ; une transformée de Fourier est alors appliquée sur le signal numérisé et le bruit de phase est mesuré sur le spectre résultant. L’approche proposée dans cette thèse consiste à réaliser la mesure de bruit de phase en n’utilisant que des ressources digitales faible coût. L’idée fondamentale consiste à réaliser la capture 1-bit du signal analogique avec un canal numérique standard et à développer des algorithmes de post-traitement dédiés permettant de retrouver l’information relative au bruit de phase à partir d’une évaluation des temps de passages à zéro du signal. Deux méthodes sont présentées. La première méthode est basée sur une estimation de la fréquence instantanée du signal et une analyse de la dispersion induite par le bruit de phase. Cette méthode impose une contrainte forte quant à la fréquence d’échantillonnage à utiliser et s’est révélée sensible au bruit d’amplitude, limitant la gamme de mesures possibles. Une seconde méthode est alors proposée afin de s’affranchir de ces limitations. A partir de la capture binaire du signal analogique, une reconstruction de la phase instantanée du signal est réalisée, puis filtrée puis caractérisée grâce à un outil usuel d’évaluation de stabilité fréquentielle : la variance d’Allan. Cette technique, robuste au bruit d’amplitude et au jitter, peut être paramétrée et permet une caractérisation efficace du bruit de phase sans contrainte fondamentale. En plus des simulations, ces techniques font l‘objet d’une étude stochastique et sont validées expérimentalement sur différents types de signaux à mesurer – générés artificiellement ou provenant de puces sur le marché – et avec différentes conditions mesures – sur oscilloscope ou sur testeur industriel, en laboratoire et en production –. Une implémentation sur puce est aussi proposée et validée avec un prototype sur FPGA.In recent decades, the microelectronics industry has experienced a wide democratization of the use of telecommunication applications. The improved process design and manufacturing have produced complex and high performance analog, mixed and radio frequency circuits for these applications. However, the test cost of these integrated circuits still represents a large part of the manufacturing cost. Indeed, very often, analog testing is not just a functional test but needs measurements for specification validations. These measurements require the use of dedicated instruments expensive resources on standard industrial test equipment.One of the essential but costly specifications to validate in RF circuitry is the phase noise level. The currently used industrial technique consists in capturing the signal from the circuit under test using an RF tester channel equipped with a high performance analog to digital converter; a Fourier transform is then applied to the digitized signal and the phase noise is measured on the resulting spectrum.The approach proposed in this thesis is to achieve the phase noise measurement using solely digital low-cost resources. The basic idea is to perform 1-bit capture of the analog signal with a standard digital channel and develop post-processing algorithms dedicated for phase noise evaluation from the zero-crossings of the signal.Two methods are presented. The first method is based on an estimate of the instantaneous signal frequency and an analysis of their dispersion induced by phase noise. This method imposes a strong constraint on the sampling frequency to be used and proved to be sensitive to noise amplitude, limiting the range of possible measures. A second method is then proposed to overcome these limitations. From the binary capture of the analog signal, a reconstruction of the instantaneous phase of the signal is carried out, then filtered and characterized by a common tool of frequency stability assessment: the Allan variance. This technique, robust to amplitude noise and jitter, can be parametrized and enables efficient characterization of phase noise without fundamental constraint.In addition to the simulations, these techniques are subject to a stochastic study and are validated experimentally on different types of signals to be measured - artificially generated or from chips on the market - and with different measuring instruments - on oscilloscope or industrial tester, in laboratory and on a production line-. An On-chip implementation is also proposed and validated with a FPGA prototype