Contribution au dimensionnement des PLL pour des

Contribution au dimensionnement des PLL pour des
modulations polaires larges bandes
Julien Kieffer
To cite this version:
Julien Kieffer. Contribution au dimensionnement des PLL pour des modulations polaires
larges bandes. Micro et nanotechnologies/Micro´electronique. Universit´e Grenoble Alpes, 2014.
Fran¸cais. <NNT : 2014GRENT026>.<tel-01154214v2>
HAL Id: tel-01154214
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Submitted on 17 Mar 2016
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Université Joseph Fourier / Université Pierre Mendès France /
Université Stendhal / Université de Savoie / Grenoble INP
THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Optique et Radiofréquence
Arrêté ministériel : 7 août 2006
Présentée par
Julien KIEFFER
Thèse dirigée par Emil NOVAKOV
codirigée par Marc HOUDEBINE
préparée au sein du Laboratoire IMEP-LAHC
dans l'École Doctorale EEATS
et en collaboration avec l’Entreprise STMicroelectronics
Contribution au dimensionnement
des PLL pour des modulations
polaires larges bandes
Thèse soutenue publiquement le « 4 juillet 2014 »,
devant le jury composé de :
M. Yann DEVAL
Professeur, Université de Bordeaux, Président
Mme Slavka TZANOVA
Professeur, Université technique de Sofia, Rapporteur
M. Kosai RAOOF
Professeur, Université du Maine, Rapporteur
M. Emil NOVAKOV
Professeur, Université de Grenoble, Directeur de thèse
M. Marc HOUDEBINE
Ingénieur STMicroelectronics, Crolles, Encadrant industriel
M. Jean-Michel FOURNIER
Professeur, Université de Grenoble, Membre
M. Sébastien DEDIEU
Ingénieur STMicroelectronics, Crolles, Invité

3
Résumé
Les problématiques d’intégrabilité et de consommation des circuits sont au centre des
spécifications des émetteurs pour la téléphonie mobile. L’architecture polaire est une
alternative intéressante aux architectures cartésiennes pour réduire la consommation, la
surface et la pollution de l’amplificateur de puissance (PA) sur la boucle à verrouillage de
phase (PLL). Néanmoins, l’évolution des nouvelles normes de téléphonie mobile est allée de
pair avec un élargissement de la bande passante des modulations, ce qui peut se montré
critique pour l’architecture polaire. Les travaux de cette thèse se concentrent plus
particulièrement sur le chemin de phase pour des modulations larges bandes, ce dernier étant
moins étudié dans la littérature que le chemin d’amplitude par le PA. La modulation de phase
large bande est réalisée directement par la PLL, qui reçoit en consigne à la fois le canal à
adresser et la modulation qui est insérée en 2 points de la PLL. L’architecture de la PLL peut
être analogique ou numérique.
Grâce à des modèles évènementiels développés sous Matlab, l’étude met en évidence
certains phénomènes qui ne peuvent pas être observés par des modèles linéaires largement
utilisés (Laplace, transformé en « z », …). L’étude identifie notamment, pour la PLL
analogique, un phénomène de mélange du bruit avec la modulation dégradant fortement la
qualité du signal. Ce travail propose une méthode de dimensionnement des filtres de
modulation et de la fréquence de référence de la PLL pour résoudre ce problème. Pour la PLL
numérique, un autre phénomène est identifié et amène à insérer la modulation en 3 points de
la PLL. Finalement, une méthode de dimensionnement des banques de capacités dédiées à
la modulation sur l’oscillateur est proposée.
Mots clés : modulation polaire, large bande, PLL, LTE
Abstract
Power consumption and integration are two key challenges of today mobile transmitter,
especially for mobile phone applications. The polar architecture is an interesting alternative to
classic architectures in order to reduce the power consumption, the silicon area and the
pollution from the PA to the PLL. Unfortunately, the communication standards evolution such
as LTE goes with a modulation bandwidth enlargement. This becomes critical for the use of
polar architecture. Contrary to amplitude modulation done through the PA, phase modulation
path through the PLL is less covered in literature. This phase modulation path which can be
either analog or digital is the purpose of this work.
Thanks to nonlinear event-driven models developed with Matlab, it has been possible to show
some phenomenon which cannot be observed with widely used linear models (in Laplace or
z-domain). For instance, in the fractional-N PLL, a mixing between the noise and the
modulation signal strongly degrades the modulation performance. A method combining PLL
sizing and modulation filtering is proposed to solve this issue. For the digital PLL, TDC gain
estimation has a big impact on the EVM (Error Vector Magnitude) for wideband modulations
and a solution is proposed which consists of converting the classical two-point modulator into
a three-point modulator. Finally, an oscillator’s capacitors banks sizing dedicated to the
modulation is proposed.
Keywords : wideband, polar modulation, PLL, LTE