Synthèse des travaux réalisés à Télécom ParisTech

1 ère phase : Choix et conception d’un modulateur sigma delta passe bande [21]

Un des objectifs du projet HyperSCAN est de démontrer l’intérêt de la technologie supraconductrice RSFQ en réalisant un CAN destiné à la radio numérique haute fréquence (porteuse à 30 GHz).

L’avantage intrinsèque de la logique RSFQ que nous souhaitons mettre à profit pour la conception du convertisseur est la très grande fréquence de fonctionnement (200 GHz) pour une bande à numériser de 500 MHz.

L’architecture de CAN qui bénéficie pleinement d’un taux élevé de sur échantillonnage est le modulateur sigma delta passe bande qui est donc l’architecture retenue pour HyperSCAN. De plus, comme le taux de sur échantillonnage est potentiellement très élevé, nous avons étudié un modulateur passe bande d’ordre minimal qui présente l’avantage de la simplicité et de la stabilité.

La question est : est-ce que l’architecture de CAN sigma delta passe bande d’ordre 2 permet d’atteindre les spécifications du projet HyperScan ?

Pour y répondre, nous avons proposé une méthodologie de conception Top-Down partant du CAN sigma delta passe bande fonctionnel idéal et en intégrant progressivement la technologie RSFQ et le détail de son comportement.

Choix du VHDL-AMS

Pour supporter les étapes de modélisation et de simulation nécessaires à la mise en œuvre de la conception Top-Down, le langage de description matérielle VHDL-AMS a été retenu car :

• Il permet de décrire toutes les étapes, du haut niveau fonctionnel jusqu’à la modélisation du bruit, au lieu d’utiliser plusieurs outils (par exemple Matlab pour le niveau fonctionnel et JSIM pour le niveau jonctions).

• Support de la multi abstraction : les blocs pourront être simulés avec des niveaux de description différents.

• Parmi les langages de sa catégorie, il offre l’avantage d’être un standard IEEE depuis 1999 ce qui permet aux conceptions d’être indépendantes de l’outil et facilement échangeables, réutilisables. Cet avantage a favorisé l’essor de l’emploi du langage VHDL-AMS depuis 2000. La récente actualisation du standard (2007) démontre l’intérêt et la vivacité du langage.

Développement des modèles

Différents niveaux de modélisation ont été développés :

• Architecture idéale avec les spécifications du projet HyperScan

• 2 modèles de CAN Σ passe bande basés sur les hypothèses de fonctionnement des jonctions Josephson

• Modélisation d’une structure avec le modèle compact de la jonction Josephson et une méthodologie associée à la conception de l’architecture du CAN

Chaque étape de modélisation vise à se rapprocher du comportement réel de la structure en intégrant les paramètres réels de la technologie et en respectant les spécifications et les performances visées du CAN (

Tableau 3).

Nous avons décrit dans une première partie l’aspect de l’architecture idéale classique sigma- delta passe bande avec sa modélisation sous le langage de description comportementale VHDL-AMS. Nous avons décrit les étapes successives de modélisation, jusqu’à la

proposition d’une structure fonctionnelle d’un CAN sigma delta passe bande en technologie RSFQ. Le résultat de l’implémentation d’un modulateur sigma delta passe bande

Figure 11 Modulateur sigma delta passe-bande à base de jonctions supraconductrices

Figure 12 Evolution des signaux dans le modulateur supraconducteur avec une horloge à 120GHz.

Courant iL

Φ0 /L

Horloge

En technologie RSFQ, la pr absence est l'état binaire « 0 » d’horloge fournies par JJ0 polari aux bornes de la jonction JJ2 et d L’emploi d’un comparateur S remarquable pour le modulateur manière combinée dans le même Dirac aux bornes de JJ2 provoqu sur le courant iL. Comme l’aire

Φ0, la décroissance sur le couran réaction caractéristique du modu Au final, la Figure 13 prés la présence d’un pic par un 1 et autour de 30 GHz et la mise en fo

Figure 13 Spectre e Dimensionnement de l’architec

Pour les conceptions analogiques fonction et le dimensionnement existe peu d’outils de dimension des concepteurs analogiciens ( d’optimisation). Pour la technolo technologiques (plage de valeurs De là, une méthodologie innov architecture. Elle permet de fran choix des valeurs nominales de l

présence d'une impulsion représente l'état logi ». La Figure 12 présente l’allure simulée arisée à courant constant, de la sortie du modula

t du courant iL dans le résonateur.

SFQ (constitué de JJ1 et JJ2) induit un ur supraconducteur, à savoir que la contre réact me élément. En effet, l’apparition d’une impul oque par intégration dans le résonateur un saut re des impulsions aux bornes des jonctions est rant est toujours égale à Φ0/L est ceci constitue

dulateur sigma delta.

résente le spectre obtenu en sortie du modulateu et son absence par un -1 : on retrouve bien l

forme du bruit caractéristique de la modulatio

e en sortie du modulateur tecture

ues, il existe toujours un gap important entre la nt des composants élémentaires nécessaires à ionnement automatique et cette étape repose s (aidés par de nombreux outils d’analyse, d ologie supraconductrice RSFQ, nous disposon urs accessibles pour les composants élémentaire ovante de dimensionnement a été développée anchir les différentes phases de modélisation d e la structure à implémenter.

ogique « 1 » et son lée des impulsions ulateur sigma-delta un comportement action se produit de ulsion proche d’un aut de type échelon est toujours égale à ue le -1 de la contre

teur en interprétant n le signal d’entrée tion sigma delta.

la simulation d’une à sa réalisation. Il e sur le savoir-faire , de simulation et ons des paramètres ires).

pée dédiée à notre n du CAN jusqu’au

Finalement, en partenariat avec l’Université de Savoie, nous proposons une structure du modulateur sigma delta passe bande dimensionnée avec les valeurs de la technologie NbN de l’INAC et suivant une procédure que nous avons mise en place. Le SNR est de 54 dB avec une modélisation qui tient compte de la forme réelle des impulsions et de l’influence des commutations du comparateur sur l’horloge (gigue due au fonctionnement interne des jonctions Josephson).

Il reste à tester la robustesse de cette architecture vis-à-vis des autres sources de bruit.

2ème phase : Choix et conception d’un filtre de décimation dédié au modulateur sigma delta développé [22]

Le filtre de décimation permet, à la fois, d'éliminer le bruit de quantication rejeté par le modulateur hors de la bande utile, et assure la conversion de la trame mono-bit à la sortie du modulateur opérant à une fréquence très élevée, en une trame multi-bit à la fréquence de Nyquist. Vu que les filtres passe-bas en bande de base sont plus simples à concevoir et à réaliser que les filtres passe-bande RF, nous adoptons le schéma de la Figure 14 proposé par [23] et qui consiste à introduire deux mixeurs numériques en quadrature pour ramener le signal utile en bande de base sur les voies I et Q avant filtrage.

Bandpass Sigma-Delta modulator cos(n.π/2) {-1 ;0 ;1} Lowpass decimation filter Real output -sin(n.π/2) {0 ;-1 ;0 ;1} Lowpass decimation filter Imaginary output

Figure 14 Convertisseur analogique numérique basé sur le modulateur sigma delta passe bande.

Les résultats de notre étude sont présentés dans [22]. En résumé, nous avons implémenté une structure de filtre en peigne montré sur la Figure 15. Les paramètres clés de ce filtre sont l’ordre du filtre k et le facteur de décimation N qui sont déterminés pour satisfaire les contraintes de filtrage anti-repliement qui dépendent du modulateur utilisé et de la résolution nécessaire en sortie.

Figure 16 Le spectre à la sortie du décimateur CIC.

La Figure 16 montre le spectre de la sortie du filtre de décimation obtenu grâce à la simulation de la structure complète de la Figure 14 décrite en VHDL. Nous avons obtenu un SNR de 57.8 dB. La structure atteint donc la résolution de 8 bits qui correspond à la spécification visée pour une application spatiale. Nous avons implémenté les cellules élémentaires (XOR, ADDER, Delay) nécessaires à la réalisation de ce filtre en technologie RSFQ. Ces premières cellules fonctionnent correctement. Il reste à combiner ces fonctions pour réaliser le filtre complet en technologie supraconductrice.

L’équipe du projet HyperSCAN a réalisé la conception en logique RSFQ d’un modulateur passe-bande et un filtre de décimation passe-bas. Il reste donc à concevoir une tête analytique supraconductrice qui garantit la démodulation en quadrature de la sortie du modulateur. Ce composant intermédiaire assure la liaison avec le filtre décimateur numérique passe-bas et donne lieu à un CAN passe-bande fonctionnel à l'aide des jonctions Josephson. La conception de ce composant fait l'objet de la suite des travaux de notre projet.

3ème phase : Conception et implémentation d'une tête analytique pour un Convertisseur Analogique Numérique Sigma-Delta passe-bande en technologie supraconductrice RSFQ [24]

Nous proposons de concevoir, de modéliser et d’implémenter un mélangeur I/Q pour le CAN HyperSCAN en logique RSFQ. La fonctionnalité visée est représentée sur la Figure 17. Comme la fréquence de la porteuse est égale à ¼ de la fréquence d’échantillonnage, le mélangeur est simplement ici une succession de multiplication par 1 et -1 sur la voie I des échantillons pairs et sur la voie Q des échantillons impairs. En logique RSFQ, la multiplication par 1 revient à transmettre l’information en sortie sans modification tandis que la multiplication par -1 nécessite l’inversion de la donnée binaire.

Figure 17 Fonc

La conception de cette tête dizaine de portes élémentair l’assemblage complet a été r inductances. Une simulation AMS utilisant le modèle le un bon fonctionnement de l’ sont montrés sur la Figure 1

Figure 18 Spec supraconducteu

Télécom Paristech a ach mais le projet continue actue la fin de l’année 2010 et dev ou certains blocs pour val technologie supraconductric boucles supraconductrices exploitant au mieux ses poss actuellement les possibilités bande.

L’activité que je viens émergentes a présenté le p nouveaux composants, de le

nction réalisée par le mélangeur I/Q supraco

ête analytique a été menée conduisant à la m taires RSFQ issues de la littérature [25] et le té réalisé. Le circuit comporte au final 76 jonct ion du circuit complet (modulateur + tête an le plus proche de la physique développé pour l e l’ensemble. Les spectres en sortie du modula

18 pour une fréquence d’échantillonnage de 6

ectres de sortie du modulateur et du mélang teurs (fs=60GHz)

achevé avec cette 3ème phase son travail prév tuellement. Le projet HyperScan a obtenu un p evrait maintenant essayer de réaliser physiquem valider l’architecture et vérifier les résultats trice introduit une équation supplémentaire s et mériterait que l’on recherche des arc ossibilités au lieu de concevoir ‘comme en CM ités d’innovation architecturale pour la CAN

ens de présenter sur l’étude des possibilité principal avantage d’être très stimulante da leur modélisation et de leur mise en œuvre d

conducteur.

mise en œuvre d’une le dimensionnement et nctions Josephson et 75 analytique) en VHDL- ur les jonctions, montre ulateur et du mélangeur

60 GHz.

ngeur implémentés en

révu dans HyperSCAN prolongement jusqu’à uement le convertisseur tats de simulation. La e sur le flux dans les rchitectures originales MOS’. Nous regardons N sigma delta passe-

ilités des technologies dans la découverte de dans des architectures

très performantes ; cependant l’inconvénient majeur est que généralement la technologie est en cours de développement est qu’il est très difficile d’obtenir des réalisations physiques pour confronter la théorie et la simulation aux mesures. Pour innover sur les architectures et tester de nouvelles idées de conception, il m’a semblé indispensable de conserver une activité en technologie CMOS pour la conception des convertisseurs et plus largement des architectures de récepteurs pour la radio logicielle ; ce thème de recherche prépondérant dans mon activité actuelle est développé partie D.

D.

Conception de systèmes pour la Radio Logicielle