Brevet FR2916915A1 — publié le 20081205

DEMANDE DE BREVET B07-0400FR 06-GR1-225 01187-01 DEVAL Société Anonyme dite : STMicroelectronics Etablissement public à caractère scientifique et technologique dit Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) Procédé et dispositif de traitement analogique d'un signal radio pour récepteur radiofréquence Invention de : Didier BELOT Yann DEVAL Jean Baptiste BEGUERET Hervé LAPUYADE Thierry TARIS Procédé et dispositif de traitement analogique d'un signal radio pour récepteur radiofréquence La présente invention concerne le domaine du traitement du signal, et se rapporte en particulier à un prétraitement effectué en entrée d'un dispositif numérique. L'invention se rapporte plus particulièrement au traitement de signaux radiofréquences mis en oeuvre dans un dispositif traitement numérique de signaux tel qu'un dispositif connu sous l'appellation de radio logicielle . Une radio logicielle est un dispositif de traitement d'un signal radiofréquence de nature purement numérique. La réalisation d'un tel dispositif nécessite de traiter une bande passante au moins égale à deux fois la fréquence d'horloge. Pour traiter en temps réel et de façon synchrone le signal entrant, la fréquence d'horloge à considérer est en rapport avec la fréquence du domaine radiofréquence, soit généralement 2GHz. La bande passante du dispositif de traitement numérique du signal doit donc être égale au moins à 10GHz. Par ailleurs, l'écart de puissance du signal arrivant sur une antenne radiofréquence peut être compris entre un minimum de -100dbm et un maximum de -20dbm. L'amplitude du signal reçu peut donc être de l'ordre de 100db. Il est alors nécessaire d'utiliser un échantillonnage à au moins l6bits pour numériser des signaux d'une telle amplitude. Les contraintes s'appliquant sur la bande passante et sur l'amplitude du signal nécessitent une puissance de calcul considérable. La consommation de dispositifs de calcul capables de réaliser de tels calculs est classiquement de l'ordre de 500 à 1000 watts. Une telle consommation est incompatible avec les exigences de portabilité d'une radio logicielle. I1 donc souhaitable de diminuer la complexité des calculs à réaliser pour le traitement de signaux issus d'une antenne radiofréquence. I1 est également nécessaire de diminuer, de la même façon, la consommation des moyens de calcul mis en oeuvre pour le traitement des signaux radiofréquence. I1 est donc proposé un dispositif de traitement d'un signal radio, comprend des moyens de traitement numérique du signal radio et comprenant des moyens pour élaborer des échantillons de tension du signal radio et des moyens de traitement analogique aptes à assurer un traitement desdits échantillons préalable audit traitement numérique Le dispositif peut en outre comprendre des moyens de commutation pour échantillonner ledit signal radio et des moyens de stockage de charge, disposés en sortie desdits moyens de commutation pour le stockage d'au moins un échantillon. Les moyens pour élaborer des échantillons peuvent comprendre au moins une unité de stockage d'échantillons apte à acquérir successivement sur commande et sous la forme d'une charge des échantillons successifs d'un signal d'entrée analogique, de conserver ladite charge pendant une durée déterminée, et de restituer sur commande ladite charge, ladite charge dépendant de l'amplitude du signal d'entrée analogique. Plusieurs unités de stockage d'échantillons peuvent être associées en série afin de mémoriser un nombre d'échantillons égal au nombre d'unités de stockage. En variante, plusieurs unités de stockage d'échantillons peuvent être associées en parallèle afin de mémoriser un nombre d'échantillons égal au nombre d'unités de stockage. Les unités de stockage d'échantillons peuvent être insérées dans une boucle de circuit pour réutiliser chaque échantillon. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de traitement d'un signal radio par traitement numérique dudit signal, dans lequel, préalablement au traitement numérique, on échantillon en tension le signal radio et l'on procède à un traitement analogique des échantillons. On peut acquérir sur commande et sous la forme d'une charge un échantillon d'un signal d'entrée analogique, conserver ladite charge pendant une durée déterminée, et restituer sur commande ladite charge. L'acquisition et la restitution de la charge peuvent être réalisées sur commande d'un moyen de commutation. On peut encore commander des moyens de rétention de charge de manière à effectuer des opérations arithmétiques élémentaires entre différents échantillons mémorisés. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un dispositif de traitement d'un signal radio selon un aspect de l'invention ; - la figure 2 montre les principaux éléments des moyens pour élaborer des échantillons du dispositif de la figure 1 ; - la figure 3 montre un exemple d'association en parallèle de trois moyens pour élaborer des échantillons, chaque moyen mémorisant un échantillon ; et - la figure 4 montre le principe de fonctionnement d'une unité de calcul intégrée dans une boucle de calcul. Sur la figure 1, on a représenté un exemple de réalisation d'un dispositif de traitement de signaux radiofréquence issus d'une antenne radiofréquence. Dans un mode de mis en oeuvre, un tel dispositif peut être incorporé dans une radio logicielle. Comme on peut le voir sur cette figure 1, dans le mode de réalisation représenté, la chaîne d'acquisition et de traitement d'un signal radiofréquence comprend successivement, et en considérant le sens de traitement des signaux : une antenne 1 ; un filtre passe-bande (BPF) désigné par la référence numérique 3 ; un amplificateur à faible bruit (LNA) 5 ; un premier étage de traitement (SASP) 7 ; un convertisseur analogique numérique (ADC) et un deuxième étage de traitement du signal 11. Alors que le premier étage de traitement 7 du signal est un dispositif de traitement analogique, le deuxième étage de traitement 11 est un étage de traitement numérique. Le premier étage analogique, disposé en amont est prévu pour effectuer un prétraitement analogique du signal radio, préalable au traitement numérique réalisé par le deuxième étage de traitement afin de le soulager et de minimiser la quantité de calculs numériques à effectuer ainsi que la consommation globale des moyens de calcul mis en oeuvre. Cette chaîne d'acquisition et de traitement fonctionne de la façon suivante. L'onde radiofréquence captée par l'antenne 1 est transformée, par l'antenne 1, en un signal électrique analogique. Le signal est ensuite filtré par le filtre passe-bande pour séparer le signal de données du signal porteur. Le signal de données, également appelé signal radiofréquence, est ensuite amplifié par l'amplificateur faible bruit 5. Le signal obtenu est traité par le premier étage 7 de traitement de signal radio afin de diminuer la quantité d'opérations à réaliser par le deuxième étage 11 de traitement numérique du signal. Le convertisseur analogique numérique 9 assure, quant à lui, le passage d'un mode de traitement analogique des données à un mode de traitement numérique. En se référant à la figure 2, le premier étage 7 de traitement fonctionne avec des signaux analogiques. I1 comprend une ou plusieurs unités 12 de stockage d'échantillons. Une unité 12 de stockage d'échantillons est représentée sur cette figure 2. Elle comprend une entrée 6 reliée par une connexion 14 à un interrupteur commandé 15. L'interrupteur commandé 15 est relié à un moyen 17 de stockage de charge lui-même relié à la masse 19 par une connexion 18. L'entrée 6 est également reliée à une sortie 8. Ici, à titre d'exemple, le moyen 17 de stockage de charge comprend un condensateur. L'unité de stockage de charge fonctionne en mode d'acquisition, en mode de stockage, ou en mode de lecture. En mode d'acquisition, l'interrupteur commandé 15 est maintenu en position fermée, permettant le passage du signal de l'entré 6 vers le moyen de stockage de charge 17. Le condensateur du moyen 17 de stockage de charge comprend une première armature connectée à la masse 19 et une deuxième armature connectée à l'entrée 6 via l'interrupteur commandé 15. Lorsqu'un signal analogique est appliqué sur l'entrée 6, l'intégralité de la différence de potentiel se retrouve appliquée entre les deux armatures du condensateur du moyen 17 de stockage de charge. Une charge apparaît alors sur la première armature du condensateur, selon l'amplitude du signal analogique appliquée sur l'entrée 6. En mode de stockage, l'interrupteur commandé 15 est positionné en position ouverte, isolant l'entrée 6 du moyen 17 de stockage de charge. Ainsi, la charge présente sur la première armature du condensateur du moyen 17 de stockage de charge est maintenue aussi longtemps que les courants de fuite dudit condensateur le permettent. En mode de lecture, l'interrupteur commandé 15 est positionné en position fermée, rétablissant la continuité entre l'entrée et le condensateur du moyen 17 de stockage de charge. La sortie 8 est polarisée selon une tension correspondant à la charge présente dans le condensateur. Le signal analogique de sortie correspond au signal d'entrée mémorisé au cours de l'étape d'acquisition. Par analogie, et en référence aux trois modes de fonctionnement décrits précédemment, l'unité 12 de stockage peut être considérée comme un moyen d'échantillonnage en tension du signal radio incident. L'échantillonnage considéré permet ici de mémoriser une quantité de charges liée directement à la tension du signal radio reçu en entrée de l'unité de stockage. L'homme du métier sera à même de déterminer la relation entre charge et tension appliquée. Le premier étage de traitement 7 peut comprendre plus d'une unité 12 de stockage d'échantillons. La figure 3 décrit à cet égard un étage de traitement 7 comprenant trois unités 12 de stockage d'échantillons, à savoir une première unité de stockage 12a, une deuxième unité de stockage 12b et une troisième unité de stockage 12c. Comme on le voit, les trois unités de stockage sont raccordées en parallèle. Mais on ne sort pas du cadre de la présente description lorsque les unités de stockage sont raccordées en série. En fonctionnement, l'étage de traitement reçoit, en entrée, un signal analogique Ve variable au cours du temps. Ce signal présente par exemple une amplitude égale à VO à l'instant t0, une valeur V1 à l'instant tl et une amplitude égale à V2 à l'instant t2. A l'instant t0, la première unité de stockage 12a est commandée de manière à être positionnée en mode d'acquisition, les autres unités de stockage 12b et 12c étant commandées en mode de stockage. Le condensateur de la première unité de stockage 12a emmagasine ainsi, comme expliqué précédemment, une charge en rapport avec la tension VO. A l'instant tl, la première unité de stockage 12a est commandée de manière à passer en mode de stockage, afin de conserver la charge stockée dans son condensateur 17. La deuxième unité de stockage 12b passe, quant à elle, en mode d'acquisition alors que la troisième unité de stockage 12c reste en mode de stockage. La charge stockée dans le condensateur de la première unité de stockage est alors maintenue. En outre, le condensateur du moyen de stockage 12b emmagasine une charge en rapport avec la tension V1. A l'instant t2, la deuxième unité de stockage 12b passe en mode de stockage, afin de conserver la charge du condensateur. La troisième unité de stockage est commandée de manière à fonctionner en mode d'acquisition. La première unité de stockage 12a reste, quant à elle, en mode de stockage. Le condensateur de la troisième unité de stockage 12c emmagasine une charge en rapport avec la tension V2. Le signal analogique Ve d'entrée est ainsi acquis à trois instants distincts dans les trois unités de stockage 12a, 12b et 12c. Ultérieurement, et suivant les instructions de calcul, l'un quelconque des échantillons mémorisés pourra être utilisé en basculant le moyen de stockage correspondant en mode de lecture. En d'autres termes, le dispositif comprenant les trois unités de stockage 12a, 12b et 12c peut fonctionner en temps que ligne à retard. Le signal analogique d'entrée est discrétisé et acquis dans les différentes unités de stockage, permettant de retarder le traitement des différents signaux acquis. La ligne à retard ainsi définie possède une profondeur égale au nombre d'unités de stockage présentes. Dans un mode de réalisation illustré à la figure 4, les unités de stockage sont insérées dans une boucle de calcul. Selon ce mode de réalisation, le premier étage de traitement 7 comprend une ligne à retard telle qu'illustrée sur la figure 3, comprenant elle-même des unités de stockage 12 telles qu'illustrées sur la figure 2. Ce mode de réalisation présente l'avantage de permettre de réutiliser successivement chaque échantillon. L'entrée 6 est ici reliée à un premier dispositif 20 de commutation relié d'une part à une ligne à retard 22 par une connexion 21 et d'autre part à une unité de calcul 27 par une connexion entrante 25 et par une connexion sortante 26. La ligne à retard 22 est reliée à un deuxième dispositif 24 de commutation par une connexion 23. L'unité de calcul 27 est reliée au deuxième dispositif 24 de commutation par une liaison sortante 29 et par une liaison entrante 28. Le deuxième dispositif 24 de commutation est enfin relié à la sortie 8. Un signal analogique d'entrée est reçu sur l'entrée 6. Le premier dispositif 20 de commutation aiguille ce signal soit vers l'unité de calcul 27 soit vers la ligne à retard 22. La ligne à retard permet d'acquérir sous forme discrète le signal d'entrée sous forme d'échantillons. Chaque échantillon peut alors être traité par l'unité de calcul 27 ou être émis par la sortie 8, selon l'aiguillage réalisé par le deuxième dispositif 24 de commutation. Une telle boucle de calcul permet de réaliser des opérations arithmétiques de base sur le signal d'entrée, selon les moyens de calcul compris dans l'unité de calcul 27. Pour un mode de calcul prenant en compte des parties réelles et complexes du signal, les différentes connexions décrites dans cet exemple doivent être considérées comme doubles, afin d'acheminer de façon distincte partie réelle et partie imaginaire. Comme on le conçoit, le dispositif de traitement qui vient d'être décrit permet de réaliser des opérations de base sur un ensemble d'échantillons analogiques afin de décharger un processeur de traitement numérique du signal desdites opérations de base. De plus, le dispositif de traitement comprend essentiellement des éléments passifs. La consommation du dispositif de traitement est faible étant donné que les moyens et dispositifs de commutation représentent les éléments susceptibles de présenter la plus forte consommation. REVENDICATIONS 1. Dispositif de traitement d'un signal radio, du type comprenant des moyens (11) de traitement numérique du signal radio, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour élaborer des échantillons de tension du signal radio et des moyens (27) de traitement analogique aptes à assurer un traitement desdits échantillons préalable audit traitement numérique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour élaborer les échantillons comprennent des moyens de commutation (15) pour échantillonner ledit signal radio et des moyens (17) de stockage de charge, disposés en sortie desdits moyens (15) de commutation pour le stockage d'au moins un échantillon. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour élaborer des échantillons comprennent au moins une unité (12) de stockage d'échantillons apte à acquérir successivement sur commande et sous la forme d'une charge des échantillons successifs d'un signal d'entrée analogique, de conserver ladite charge pendant une durée déterminée, et de restituer sur commande ladite charge, ladite charge dépendant de l'amplitude du signal d'entrée analogique. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel on associe plusieurs unités (12) de stockage d'échantillons en série afin de mémoriser un nombre d'échantillons égal au nombre d'unités de stockage. 5. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel on associe plusieurs unités (12) de stockage d'échantillons en parallèle afin de mémoriser un nombre d'échantillons égal au nombre d'unités de stockage. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les unités (12) de stockage d'échantillons sont insérées dans une boucle de circuit pour réutiliser chaque échantillon. 7. Procédé de traitement d'un signal radio par traitement numérique dudit signal, caractérisé en ce que, préalablement au traitement numérique, on échantillon en tension le signal radio et l'on procède à un traitement analogique des échantillons. 8. Procédé de traitement d'un signal radio selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on acquiert sur commande et sous la forme d'une charge un échantillon d'un signal d'entrée analogique, on conserve ladite charge pendant une durée déterminée, et l'on restitue sur commande ladite charge. 9. Procédé de traitement d'un signal radio selon la revendication 8, dans lequel l'acquisition et la restitution de la charge sont réalisées sur commande d'un moyen de commutation. 10. Procédé de traitement d'un signal radio selon l'une des revendications 8 et 9, dans lequel on commande des moyens de rétention de charge de manière à effectuer des opérations arithmétiques élémentaires entre différents échantillons mémorisés.