Brevet FR3126507A1 — publié le 20230303

Détecteur de signal radio fréquence Détecteur (10) de signal, en particulier radio fréquence, notamment un détecteur de type « Wake Up Radio », comportant : un premier circuit (20) recevant en entrée le signal, étant configuré pour fixer le point de fonctionnement (M) en sortie à une tension continue prédéfinie (Vm_DC) à laquelle s’ajoute une partie variable (ΔVm) dépendant du signal de l’entrée, et un deuxième circuit (30) relié en entrée à la sortie du premier circuit (20) et configuré pour amplifier la partie variable (ΔVm) du signal, ce deuxième circuit comprenant une chaîne d’au moins deux inverseurs logiques (32) en cascade et fonctionnant sous le seuil. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Détecteur de signal La présente invention concerne le domaine des détecteurs de signaux, et plus particulièrement mais non exclusivement celui des détecteurs de type « Wake Up Radio ». Les récepteurs actuels, qu’ils soient électromagnétiques, acoustiques ou encore infrarouge, consomment une énergie non négligeable pour scruter continûment leur environnement direct afin de pouvoir détecter les signaux existants, quelle que soit la puissance de ces signaux (de très faible puissance de l’ordre de -90 dBm jusqu’à des puissances plus importantes). Cette consommation énergétique des récepteurs constitue un verrou à l’autonomie énergétique des dispositifs communicants actuels et de l’électronique embarquée en général. Ainsi, dans le domaine radiofréquence, et plus particulièrement celui de l’internet des objets (IoT), les protocoles les plus récents tels que LoRaWan sont confrontés à ce verrou. En effet, le rôle des récepteurs y est considérablement réduit et la notion de répéteur est finalement non-utilisée car énergivore. Plus généralement, afin d’augmenter l’autonomie des capteurs sans fil, des stratégies sont mises en place dans les couches hautes, basées sur des scenarii de mise en veille et de phases de réveil intermittentes des capteurs. Par exemple, un capteur communicant voit son rôle cantonné au rôle d’émetteur. Par intermittence ou en cas d’alerte, il envoie une information issue d’une mesure qu’il effectue (température, taux d’humidité, etc.). Pour certaines applications, cet usage peut paraître suffisant mais il est en réalité très limitant, car le capteur ne peut pas jouer le rôle de répéteur, étant donné que sa fonction réceptrice n’est pas activée en permanence. Il en résulte que chaque capteur du réseau doit être à portée du puits. Les stratégies mentionnées plus haut ne sont pas efficaces et aboutissent inévitablement à des pertes d’informations et à des performances réseau bridées, tout en alourdissant les protocoles. De plus, des solutions impliquant des récepteurs « Wake Up Radio » sont déployées, mais celles-ci ont une portée limitée. Il est donc nécessaire de recharger ces capteurs plus ou moins fréquemment (quelques jours à quelques mois) en fonction de l’usage. Les architectures conventionnelles de l’état de l’art sont soit homodynes soit hétérodynes, et comportent généralement un amplificateur faible bruit suivi d’un dispositif de conversion de fréquence impliquant une source de fréquence interne. Afin de réduire significativement la consommation énergétique, le concept sur lequel repose ces architectures nécessite que l’on diminue la fréquence de transmission ou la sensibilité du récepteur. Lorsque la fréquence de transmission est contenue, cela ne permet pas de couvrir la plupart des applications évoluant dans les bandes ISM, notamment en Europe où celles-ci sont supérieures à 800 MHz. Lorsque la sensibilité est durement impactée (-40 dBm), cela revient à diviser par 100 la portée du signal radio transmis en comparaison avec une sensibilité affichée de -90 dBm, ce qui revient à avoir une portée de 100 mètres de distance maximale de transmission, au lieu de 10 km. Ceci est un argument de poids en défaveur de la dégradation de la sensibilité. La demande WO 2020/242540 concerne des récepteurs radiofréquence de faible puissance et des circuits associés. Les publications Von der Mark et al. “Ultra low power Wakeup Detector for Sensor Networks” et Nilsson et al. “Ultra Low Power Wake-Up Radio Using Envelope Detector and Transmission Line Voltage Transformer” divulguent des architectures de détecteurs de type “Wake Up Radio” à faible consommation énergétique. Il existe un besoin pour perfectionner encore les détecteurs de signaux, notamment en termes de consommation énergétique. L’invention vise à répondre à cet objectif et a pour objet, selon l’un de ses aspects, un détecteur de signal, en particulier radio fréquence, notamment un détecteur de type « Wake Up Radio », comportant : - un premier circuit recevant en entrée le signal, étant configuré pour fixer le point de fonctionnement en sortie à une tension continue prédéfinie à laquelle s’ajoute une partie variable dépendant du signal de l’entrée, et - un deuxième circuit relié en entrée à la sortie du premier circuit et configuré pour amplifier la partie variable du signal, ce deuxième circuit comprenant une chaîne d’au moins deux inverseurs logiques, préférentiellement réalisés en technologie CMOS, positionnés en cascade et fonctionnant sous le seuil. L’invention fournit un détecteur ayant une architecture simple, permettant de scruter continûment l’environnement direct d’un émetteur-récepteur radiofréquence par exemple et de détecter les signaux de faible puissance présents, tout en réduisant la consommation énergétique de plusieurs ordres de grandeur comparativement à certaines solutions connues. En effet, grâce au fonctionnement sous le seuil, il est possible d’obtenir une amélioration énergétique jusqu’à 5 ordres de grandeur pour les fréquences du signal au-delà de 500 MHz, c’est-à-dire pour la majorité des bandes ISM (industrie, science, médecine), et concernant la plupart des protocoles grand public (Bluetooth, WiFi, Lora, etc.). L’invention permet de s’affranchir du compromis usuel entre les performances et la consommation énergétique des récepteurs conventionnels. En effet, dans le cas des architectures répertoriées dans la littérature ou présentes dans les systèmes commerciaux actuels, la réduction de la consommation énergétique s’accompagne toujours d’une limitation forte de la fréquence et/ou de la sensibilité et/ou du rapport cyclique de fonctionnement, ce rapport cyclique étant défini comme étant le rapport entre le temps de mise en fonction et le temps total écoulé. Ces limitations ont des répercussions considérables sur les bandes de fréquences accessibles, la portée et le temps d’utilisation des architectures faible consommation énergétique actuelles. Le fait de pouvoir consacrer jusqu’à 100 000 fois moins d’énergie à scruter et détecter les signaux présents dans l’environnement, sans réduire la fréquence, la sensibilité ou le rapport cyclique, permet une réelle rupture dans le domaine de l’autonomie énergétique des systèmes sans fil qui peuplent notre quotidien. Premier circuit De préférence, le premier circuit comprend un pont de transistors MOS en série reliés par un point milieu constituant la sortie du premier circuit, l’entrée du premier circuit correspondant à la grille de l’un des transistors. Les transistors MOS du pont fonctionnent avantageusement sous le seuil. Ceci permet d’avoir un gain supplémentaire en énergie. Le pont de transistors MOS comporte préférentiellement un transistor de tirage « pull-up » et un transistor de rappel « pull-down », le signal étant appliqué à la grille du transistor de tirage et une tension de contrôle étant appliquée à la grille du transistor de rappel. Les transistors MOS du pont sont préférentiellement de type NMOS. Les transistors MOS du pont sont alternativement de type PMOS, ou CMOS (notamment l’un PMOS et l’autre NMOS, avec des tensions de signal et de contrôle appliquées de façon ad hoc pour un bon fonctionnement du détecteur Tensions d’alimentation De préférence, le premier et/ou deuxième circuit est/sont alimentés par des tensions Vdd et -Vss telles que |Vdd – Vss| est compris entre 0V et 0.6V. La tension Vdd peut être comprise entre 0V et 300mV et/ou la tension -Vss peut être comprise entre -300mV et 0V. De telles valeurs de tensions d’alimentation conviennent à un fonctionnement sous le seuil de transistor MOS et permettent d’avoir une consommation énergétique faible (de l’ordre d’une centaine de pW) avec une sensibilité de l’ordre de -90 dBm, voire inférieure à -100 dBm en fonction du circuit d’accord de fréquence présent entre l’antenne de réception et le détecteur selon l’invention, et ce pour des fréquences du signal de l’ordre de plusieurs dizaines et centaines de GHz. Deuxième circuit Dans un mode de réalisation, une première partie de la chaîne d’inverseurs est configurée pour travailler sans saturation, une deuxième partie de la chaîne d’inverseurs à la suite de la première étant configurée pour travailler en mode saturation de sorte que le signal en sortie de chaque inverseur de la deuxième atteigne sensiblement les valeurs Vdd et -Vss. Ainsi, le signal d’entrée est converti en un signal numérique de sortie. Le deuxième circuit peut être connecté en sortie d’un inverseur de la chaîne à un neurone artificiel, afin par exemple de traiter le signal reçu au moyen d’un circuit à neurones artificiels Le neurone artificiel peut être de type « leaky-integrate-and-fire ». Le détecteur est avantageusement utilisé pour la génération d’impulsions électriques afin d’alimenter un réseau de neurones impulsionnels « Spiking Neuron Networks » (SNN) notamment de troisième génération, le signal étant modulé. Le détecteur peut être un récepteur de radiocommunication, notamment apte à démoduler le signal. Le deuxième circuit peut être un neurone artificiel de type Axon-Hillock et comporter : - une capacité de contre-réaction connectée entre l’entrée et la sortie du deuxième circuit, et - un transistor de contre-réaction, notamment de type NMOS, commandé par la tension de sortie du deuxième circuit au niveau de la grille, et dont une borne, notamment le drain, est connectée à l’entrée du deuxième circuit. Le détecteur peut comporter une capacité de membrane, cette capacité de membrane étant notamment la capacité d’entrée du premier inverseur de ladite chaîne. Le détecteur est par exemple utilisé pour la génération d’impulsions électriques afin de fournir un indicateur de puissance du signal reçu RSSI « Received Signal Strength Indicator », le signal étant une onde continue CW. Le détecteur peut être alors utilisé dans les réseaux d’objets communicants afin d’effectuer une estimation de la distance à laquelle se situe la source d’émission. Nœud de télécommunications L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un nœud de télécommunications comportant le détecteur selon l’invention, un émetteur-récepteur principal et une unité de contrôle, le détecteur étant configuré pour envoyer, à la détection du signal, un signal d’interruption à l’unité de contrôle, celle-ci étant configurée pour activer, à la réception du signal d’interruption, l’émetteur-récepteur principal, et le faire passer par exemple d’un mode inactif à un mode actif. Ainsi, le détecteur peut avoir une faible puissance et être constamment actif, et détecter le signal à la place de l’émetteur-récepteur principal, qui n’est activé que suite à la réception du signal d’activation, ce qui permet de réduire drastiquement la consommation énergétique du nœud de télécommunications et d’augmenter son autonomie. Procédé de détection L’invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de détection d’un signal ayant une fréquence comprise entre 1 Hz et 1 THz et une puissance notamment comprise entre -110 dBm et +0 dBm, à l’aide du détecteur selon l’invention, comportant la détection du signal par le détecteur, ce dernier étant de préférence continûment actif, et la génération d’un signal numérique en sortie du détecteur. De préférence, le signal radio fréquence est modulé selon l’une des modulations suivantes : modulation par déplacement d’amplitude « Amplitude Shift Keying » (ASK), modulation en tout ou rien « On Off Keying » (OOK), modulation en position d’impulsions « Pulse Position Modulation » (PPM) et modulation de largeur d’impulsion « Pulse Width Modulation » (PWM). Le détecteur peut détecter des signaux bande étroite à modulation d’amplitude. On définit la notion de bande étroite par une bande passante n’excédant pas 20 % de la fréquence centrale. Cela couvre de nombreuses applications radiofréquence actuelles. L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples non limitatifs de mise en œuvre de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel : La est un schéma illustrant le détecteur selon l’invention, utilisé en tant que récepteur « Wake Up Radio » dans un système de télécommunications ; la est un schéma en blocs du détecteur selon l’invention ; la représente schématiquement un exemple de premier circuit de détecteur selon l’invention, en régime statique ; la illustre schématiquement un exemple de premier circuit de détecteur selon l’invention, en régime petit signal ; la représente schématiquement un exemple de premier circuit de détecteur selon l’invention, en régime grand signal ; la illustre schématiquement un montage équivalent du circuit de l’exemple de la ; la représente schématiquement une caractéristique de transfert d’un inverseur CMOS sous le seuil ; la illustre schématiquement un circuit d’un inverseur CMOS ; la représente schématiquement un exemple de circuit de détecteur selon l’invention ; la illustre la courbe du signal en entrée de la cascade d’inverseurs représentée à la ainsi que la courbe du signal obtenu en sortie de chaque inverseur ; la illustre la forme d’onde du signal en sortie du détecteur de la pour différentes amplitudes du signal en entrée du détecteur ; la est similaire à la avec connexion du deuxième circuit à un neurone artificiel ; la est analogue à la avec le deuxième circuit converti en un neurone artificiel ; la représente des exemples de courbes de signaux relatifs au circuit de la ; et la est un graphe représentant la fréquence des impulsions électriques obtenues en sortie du circuit de la , en fonction de la puissance du signal en entrée. Détecteur (10) de signal, en particulier radio fréquence, notamment un détecteur de type « Wake Up Radio », comportant : - un premier circuit (20) recevant en entrée le signal, étant configuré pour fixer le point de fonctionnement (M) en sortie à une tension continue prédéfinie (Vm_DC) à laquelle s’ajoute une partie variable (ΔVm) dépendant du signal de l’entrée, et - un deuxième circuit (30) relié en entrée à la sortie du premier circuit (20) et configuré pour amplifier la partie variable (ΔVm) du signal, ce deuxième circuit comprenant une chaîne d’au moins deux inverseurs logiques, préférentiellement réalisés en technologie CMOS (32), positionnés en cascade et fonctionnant sous le seuil. Détecteur selon la revendication précédente, le premier circuit (20) comprenant un pont de transistors MOS en série (M1, M0) reliés par un point milieu (M) constituant la sortie du premier circuit, l’entrée du premier circuit (20) correspondant à la grille (e1 ; e2) de l’un des transistors. Détecteur selon la revendication précédente, les transistors MOS du pont (M1, M0) fonctionnant sous le seuil. Détecteur selon la revendication 2 ou 3, le pont de transistors MOS (M1, M0) comportant un transistor de tirage « pull-up » (M1) et un transistor de rappel « pull-down » (M0), le signal étant appliqué à la grille (e1) du transistor de tirage et une tension de contrôle (Vc) étant appliquée à la grille (e2) du transistor de rappel. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, les transistors MOS du pont étant de type NMOS. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, le premier (20) et/ou deuxième (30) circuit étant alimenté(s) par des tensions Vdd et -Vss telles que |Vdd – Vss| est compris entre 0V et 0.6V. Détecteur selon la revendication précédente, la tension Vdd étant comprise entre 0V et 300mV et/ou la tension -Vss étant comprise entre -300mV et 0V. Détecteur selon la revendication 6 ou 7, une première partie de la chaîne d’inverseurs (32) étant configurée pour travailler sans saturation, une deuxième partie de la chaîne d’inverseurs (32) à la suite de la première étant configurée pour travailler en mode saturation de sorte que le signal en sortie de chaque inverseur de la deuxième atteigne sensiblement les valeurs Vdd et -Vss. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, le deuxième circuit étant connecté en sortie d’un inverseur (32) de la chaîne à un neurone artificiel. Détecteur selon la revendication précédente, le neurone artificiel étant de type « leaky-integrate-and-fire ». Utilisation du détecteur selon l'une des deux revendications précédentes pour la génération d’impulsions électriques afin d’alimenter un réseau de neurones impulsionnels (SNN), le signal étant modulé. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, étant un récepteur de radiocommunication, notamment apte à démoduler le signal. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, le deuxième circuit étant un neurone artificiel de type Axon-Hillock et comportant : - une capacité de contre-réaction (Cf) connectée entre l’entrée et la sortie du deuxième circuit (30), et - un transistor de contre-réaction (Mf) commandé par la tension de sortie du deuxième circuit (30) au niveau de la grille, et dont une borne est connectée à l’entrée du deuxième circuit. Détecteur selon la revendication précédente, comportant une capacité de membrane (Cm), cette capacité de membrane étant notamment la capacité d’entrée du premier inverseur (32) de ladite chaîne. Utilisation du détecteur selon la revendication 12 ou 13 pour la génération d’impulsions électriques afin de fournir un indicateur de puissance du signal reçu RSSI « Received Signal Strength Indicator », le signal étant une onde continue CW. Utilisation selon la revendication précédente dans les réseaux d’objets communicants afin d’effectuer une estimation de la distance à laquelle se situe la source d’émission. Nœud de télécommunications (1) comportant le détecteur (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, un émetteur-récepteur principal (12) et une unité de contrôle (14), le détecteur (10) étant configuré pour envoyer, à la détection du signal (17), un signal d’interruption (11) à l’unité de contrôle (14), celle-ci étant configurée pour activer, à la réception du signal d’interruption (11), l’émetteur-récepteur principal (12). Procédé de détection d’un signal (17) ayant une fréquence comprise entre 1 Hz et 1THz et une puissance notamment comprise entre -110 dBm et +0dBm, à l’aide du détecteur (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comportant la détection du signal (17) par le détecteur (10), ce dernier étant de préférence continûment actif, et la génération d’un signal numérique en sortie du détecteur. Procédé selon la revendication précédente, le signal radio fréquence (17) étant modulé selon l’une des modulations suivantes : modulation par déplacement d’amplitude « Amplitude Shift Keying » (ASK), modulation en tout ou rien « On Off Keying » (OOK), modulation en position d’impulsions « Pulse Position Modulation » (PPM) et modulation de largeur d’impulsion « Pulse Width Modulation » (PWM).