Study and design of a wideband analog-to-digital converter based on sigma delta modulation

Les travaux de recherche de cette thèse de doctorat s’inscrivent dans le cadre de la conception d’unconvertisseur analogique-numérique (ADC, Analog-to-Digital Converter) large bande et à haute résolution afinde numériser plusieurs standards de communications sans fil. Il répond ainsi au concept de la radio logiciellerestreinte (SDR, Software Defined Radio). L’objectif visé est la reconfigurabilité par logiciel et l’intégrabilité envue d’un système radio multistandard. Les ADCs à sur-échantillonnage de type sigma-delta () s’avèrent debons candidats dans ce contexte de réception SDR multistandard en raison de leur précision accrue. Bien queleur bande passante soit réduite, il est possible de les utiliser dans une architecture en parallèle permettantd’élargir la bande passante. Nous nous proposons alors dans cette thèse de dimensionner et d’implanter unADC parallèle à décomposition fréquentielle (FBD) basé sur des modulateurs à temps-discret pour unrécepteur SDR supportant les standards E-GSM, UMTS et IEEE802.11a. La nouveauté dans l’architectureproposée est qu’il est programmable, la numérisation d’un signal issu d’un standard donné se réalise enactivant seulement les branches concernées de l’architecture parallèle avec des sous-bandes defonctionnement et une fréquence d’échantillonnage spécifiée. De plus, le partage fréquentiel des sous-bandesest non uniforme. Après validation du dimensionnement théorique par simulation, l’étage en bande de base aété dimensionné. Cette étude conduit à la définition d’un filtre anti-repliement passif unique d’ordre 6 et detype Butterworth, permettant l’élimination du circuit de contrôle de gain automatique (AGC). L’architectureFBD requière un traitement numérique permettant de combiner les signaux à la sortie des branches enparallèle pour reconstruire le signal de sortie finale. Un dimensionnement optimisé de cet étage numérique àbase de démodulation a été proposé. La synthèse de l’étage en bande de base a montré des problèmes destabilité des modulateurs . Pour y remédier, une solution basée sur la modification de la fonction detransfert du signal (STF) afin de filtrer les signaux hors bande d’intérêt par branche a été élaborée. Unediscontinuité de phase a été également constatée dans le signal de sortie reconstruit. Une solution deraccordement de phase a été proposée. L’étude analytique et la conception niveau système ont étécomplétées par une implantation de la reconstruction numérique de l’ADC parallèle. Deux flots de conceptionont été considérés, un associé au FPGA et l’autre indépendant de la cible choisie (VHDL standard).L’architecture proposée a été validée sur un FPGA Xilinx de type VIRTEX6. Une dynamique de 74 dB a étémesurée pour le cas d’étude UMTS, ce qui est compatible avec celle requise du standard UMTS.The work presented in this Ph.D. dissertation deals with the design of a wideband and accurate Analog-to-Digital Converter (ADC) able to digitize signals of different wireless communications standards. Thereby, itresponds to the Software Defined Radio concept (SDR). The purpose is reconfigurability by software andintegrability of the multistandard radio terminal. Oversampling (Sigma Delta) ADCs have been interestingcandidates in this context of multistandard SDR reception thanks to their high accuracy. Although they presentlimited operating bandwidth, it is possible to use them in a parallel architecture thus the bandwidth isextended. Therefore, we propose in this work the design and implementation of a parallel frequency banddecomposition ADC based on Discrete-time modulators in an SDR receiver handling E-GSM, UMTS andIEEE802.11a standard signals. The novelty of this proposed architecture is its programmability. Where,according to the selected standard digitization is made by activating only required branches are activated withspecified sub-bandwidths and sampling frequency. In addition the frequency division plan is non-uniform.After validation of the theoretical design by simulation, the overall baseband stage has been designed. Resultsof this study have led to a single passive 6th order Butterworth anti-aliasing filter (AAF) permitting theelimination of the automatic gain control circuit (AGC) which is an analog component. FBD architecturerequires digital processing able to recombine parallel branches outputs signals in order to reconstruct the finaloutput signal. An optimized design of this digital reconstruction signal stage has been proposed. Synthesis ofthe baseband stage has revealed modulators stability problems. To deal with this problem, a solution basedon non-unitary STF has been elaborated. Indeed, phase mismatches have been shown in the recombinedoutput signal and they have been corrected in the digital stage. Analytic study and system level design havebeen completed by an implementation of the parallel ADC digital reconstruction stage. Two design flows havebeen considered, one associated to the FPGA and another independent of the chosen target (standard VHDL).Proposed architecture has been validated using a VIRTEX6 FPGA Xilinx target. A dynamic range over 74 dB hasbeen measured for UMTS use case, which responds to the dynamic range required by this standard