Les émetteurs

A l’émission, le signal OFDM bande de base est généré par la partie de traitement numérique du signal. Après une conversion numérique analogique et un filtrage passe-bas de reconstitution, le signal est appliqué à une suite de composants RF qui réalisent une transposition en fréquence et l’amplification de puissance du signal. De ce fait, nous pouvons distinguer deux architectures d’émetteurs : l’émetteur homodyne (ou à transposition directe) et l’émetteur superhétérodyne (ou à deux étages) [24].

1.2.1.1 L’émetteur à transposition directe ou homodyne

Les signaux portés par les voies I et Q correspondent respectivement aux parties réelle et imaginaire du signal bande de base à transmettre. Dans le cas de l’architecture homodyne, le modulateur IQ recombine les signaux I et Q issus du traitement numérique en un signal unique porté directement à la fréquence porteuse (f_RF) grâce au seul étage de transposition en fréquence (figure 1.8). Le signal en bande de base est directement converti à la fréquence f_RF sans utiliser de Fréquence Intermédiaire (FI). C’est la raison pour laquelle cette architecture est également appelée architecture à conversion directe ou zéro-FI.

Les mélangeurs utilisés par le modulateur IQ ne sont pas idéaux et ne sont donc pas parfaitement isolés : des termes d’intermodulation, dus au mélange avec des harmo-niques, et une partie du signal bande de base se retrouvent à la sortie du modulateur [25]. Le premier filtre passe-bande à la sortie du modulateur sert donc à filtrer ces fréquences indésirables. L’amplificateur de puissance peut posséder certaines non-linéarités et créer des intermodulations affectant le spectre à émettre [26, 27]. Le filtre passe-bande à sa

Fig. 1.8 – Synoptique de l’émetteur homodyne.

sortie sert donc à filtrer ces intermodulations qui ne doivent pas être émises par l’an-tenne afin de ne pas perturber les canaux adjacents. Ces phénomènes de non-linéarités ne sont pas spécifiques à l’architecture homodyne et existent pour les autres architec-tures utilisant un amplificateur de puissance. L’étude de l’amplificateur de puissance et des problèmes de non-linéarités ne sont pas l’objet de notre étude, on se réferencera par exemple à [28] et [29]

Lorsque l’amplification forte du signal à émettre est effectuée, un couplage important existe entre l’amplificateur de puissance et l’Oscillateur Local (OL) qui est à la même fréquence que le signal transposé. Ainsi, le spectre de l’oscillateur local est dégradé par le signal modulé à forte puissance, dont le spectre est centré autour de f_RF, issu de l’amplificateur de puissance. Ce défaut provoque deux phénomènes appelés “injection pulling” lorsque l’amplitude du signal RF change ou “injection locking ” lorsque c’est la fréquence de l’OL qui varie [30].

La fréquence de l’OL permettant au modulateur IQ de transposer directement le signal bande de base en bande transposée est en général une fréquence élevée. Dans ce cas, il est difficile d’obtenir une quadrature parfaite entre les voies I et Q. Le non-appariement entre les voies I et Q est appelé déséquilibre IQ et peut être dû à deux phénomènes :

– la longueur de la ligne reliant l’OL et le mélangeur de la voie I doit en toute rigueur être égale à la longueur de la ligne reliant l’OL et le mélangeur de la voie Q. Si les longueurs sont différentes, un désaccord de phase entre les voies I et Q apparaît [31]. Ce désaccord est d’autant plus grand que la fréquence de l’OL est grande. A ceci s’ajoute la difficulté d’obtenir deux OLs parfaitement en quadrature.

– si les gains de conversion des deux mélangeurs composant le modulateur IQ sont différents, il apparaît un désaccord de gain entre les voies I et Q [31].

Nous reviendrons dans le chapitre 4 sur l’influence, l’estimation et la compensation du déséquilibre IQ dans le cas d’une modulation OFDM.

Un autre inconvénient de cette architecture apparaît lorsque l’émetteur doit choisir le canal sur lequel il va émettre le signal. Les fréquences des canaux sont de fortes valeurs, mais l’écart de fréquence entre chaque canal est faible. La PLL ayant pour fonction la génération de ces fréquences n’est donc pas triviale à concevoir.

1.2.1.2 L’émetteur à deux étages ou superhétérodyne

Une approche permettant de résoudre le problème de l’ “injection pulling” est d’ef-fectuer la transposition en fréquence du signal bande de base en deux (ou plusieurs) étapes à l’aide de deux (ou plusieurs) OL. De cette manière, les fréquences comprises dans le spectre du signal à la sortie de l’amplificateur sont éloignées des fréquences des OLs. La figure 1.9 présente le schéma d’un émetteur à deux étages.

Fig.1.9 – Synoptique de l’émetteur hétérodyne.

Le modulateur IQ transpose le signal en bande de base à une fréquence intermédiaire F I = fOL1. Le premier filtre passe-bande coupe les fuites du signal à émettre ainsi que ses harmoniques. Le deuxième OL associé à un mélangeur servent à transposer le signal F I autour d’une fréquence f_OL1 + f_OL2. Ce mélange transpose le spectre autour de la fréquence désirée fRF = fOL1+fOL2, mais également autour de la fréquence fOL1−fOL2

comme le montre l’équation (1.10). Il est donc nécessaire de supprimer le signal centré autour de f_OL1− fOL2 par un deuxième filtre passe-bande.

s(t) = [I(t) cos ω₁t− Q(t) sin ω1t] cos ω₂t

= ¹

2^{[I(t) cos (ωOL}1+ ωOL2) t + Q(t) sin (ωOL1+ ωOL1) t] +¹

2^{[I(t) cos (ωOL}1 − ωOL1) t− Q(t) sin (ωOL1 − ωOL1) t] (1.10) Puisque dans ce type d’émetteur la première étape de la modulation est réalisée à la fréquence FI qui est généralement faible par rapport à la fréquence RF, l’émetteur à deux étages présente par rapport à l’émetteur homodyne les avantages suivants :

– la PLL ayant pour fonction la génération des fréquences des canaux est plus facile à réaliser avec cette architecture plutôt qu’avec l’architecture homodyne.

– le désaccord de phase est plus faible entre les voies I et Q, ce qui implique que le signal émis est beaucoup moins affecté par le déséquilibre IQ.

– le filtre de canal peut être utilisé à la fréquence FI au lieu de la fréquence RF afin de limiter le bruit et les parasites transmis dans les canaux adjacents.

La difficulté de ce type d’émetteur superhétérodyne réside dans la réalisation du deuxième filtre passe-bande. La puissance du signal désiré centré autour de la fréquence f_OL1+ f_OL2 est identique à la puissance du signal centré autour de la fréquence f_OL1− f_OL2. Ce filtre doit donc rejeter le signal à la fréquence f_OL1 − fOL2 avec un facteur de l’ordre de 50 ou 60 dB. Puisque la bande passante du signal désiré est relativement faible par rapport à la fréquence porteuse, le filtre est typiquement passif, relativement cher et non-intégrable dans une puce avec les autres composants RF. C’est la raison pour laquelle cette architecture est rarement utilisée en pratique.