Etude et conception de convertisseur analogique numérique large bande basé sur la modulation sigma delta

The work presented in this Ph.D. dissertation deals with the design of a wideband and accurate Analog-to-Digital Converter (ADC) able to digitize signals of different wireless communications standards. Thereby, itresponds to the Software Defined Radio concept (SDR). The purpose is reconfigurability by software andintegrability of the multistandard radio terminal. Oversampling (Sigma Delta) ADCs have been interestingcandidates in this context of multistandard SDR reception thanks to their high accuracy. Although they presentlimited operating bandwidth, it is possible to use them in a parallel architecture thus the bandwidth isextended. Therefore, we propose in this work the design and implementation of a parallel frequency banddecomposition ADC based on Discrete-time modulators in an SDR receiver handling E-GSM, UMTS andIEEE802.11a standard signals. The novelty of this proposed architecture is its programmability. Where,according to the selected standard digitization is made by activating only required branches are activated withspecified sub-bandwidths and sampling frequency. In addition the frequency division plan is non-uniform.After validation of the theoretical design by simulation, the overall baseband stage has been designed. Resultsof this study have led to a single passive 6th order Butterworth anti-aliasing filter (AAF) permitting theelimination of the automatic gain control circuit (AGC) which is an analog component. FBD architecturerequires digital processing able to recombine parallel branches outputs signals in order to reconstruct the finaloutput signal. An optimized design of this digital reconstruction signal stage has been proposed. Synthesis ofthe baseband stage has revealed modulators stability problems. To deal with this problem, a solution basedon non-unitary STF has been elaborated. Indeed, phase mismatches have been shown in the recombinedoutput signal and they have been corrected in the digital stage. Analytic study and system level design havebeen completed by an implementation of the parallel ADC digital reconstruction stage. Two design flows havebeen considered, one associated to the FPGA and another independent of the chosen target (standard VHDL).Proposed architecture has been validated using a VIRTEX6 FPGA Xilinx target. A dynamic range over 74 dB hasbeen measured for UMTS use case, which responds to the dynamic range required by this standard.Les travaux de recherche de cette thèse de doctorat s’inscrivent dans le cadre de la conception d’unconvertisseur analogique-numérique (ADC, Analog-to-Digital Converter) large bande et à haute résolution afinde numériser plusieurs standards de communications sans fil. Il répond ainsi au concept de la radio logiciellerestreinte (SDR, Software Defined Radio). L’objectif visé est la reconfigurabilité par logiciel et l’intégrabilité envue d’un système radio multistandard. Les ADCs à sur-échantillonnage de type sigma-delta () s’avèrent debons candidats dans ce contexte de réception SDR multistandard en raison de leur précision accrue. Bien queleur bande passante soit réduite, il est possible de les utiliser dans une architecture en parallèle permettantd’élargir la bande passante. Nous nous proposons alors dans cette thèse de dimensionner et d’implanter unADC parallèle à décomposition fréquentielle (FBD) basé sur des modulateurs à temps-discret pour unrécepteur SDR supportant les standards E-GSM, UMTS et IEEE802.11a. La nouveauté dans l’architectureproposée est qu’il est programmable, la numérisation d’un signal issu d’un standard donné se réalise enactivant seulement les branches concernées de l’architecture parallèle avec des sous-bandes defonctionnement et une fréquence d’échantillonnage spécifiée. De plus, le partage fréquentiel des sous-bandesest non uniforme. Après validation du dimensionnement théorique par simulation, l’étage en bande de base aété dimensionné. Cette étude conduit à la définition d’un filtre anti-repliement passif unique d’ordre 6 et detype Butterworth, permettant l’élimination du circuit de contrôle de gain automatique (AGC). L’architectureFBD requière un traitement numérique permettant de combiner les signaux à la sortie des branches enparallèle pour reconstruire le signal de sortie finale. Un dimensionnement optimisé de cet étage numérique àbase de démodulation a été proposé. La synthèse de l’étage en bande de base a montré des problèmes destabilité des modulateurs . Pour y remédier, une solution basée sur la modification de la fonction detransfert du signal (STF) afin de filtrer les signaux hors bande d’intérêt par branche a été élaborée. Unediscontinuité de phase a été également constatée dans le signal de sortie reconstruit. Une solution deraccordement de phase a été proposée. L’étude analytique et la conception niveau système ont étécomplétées par une implantation de la reconstruction numérique de l’ADC parallèle. Deux flots de conceptionont été considérés, un associé au FPGA et l’autre indépendant de la cible choisie (VHDL standard).L’architecture proposée a été validée sur un FPGA Xilinx de type VIRTEX6. Une dynamique de 74 dB a étémesurée pour le cas d’étude UMTS, ce qui est compatible avec celle requise du standard UMTS

From system design to clock skew impact study in parallel sigma delta modulators using frequency band decomposition

Peer Reviewe

The three hundred project. A machine learning method to infer clusters of galaxy mass radial profiles from mock Sunyaev–Zel’dovich maps

We develop a machine learning algorithm to infer the three-dimensional cumulative radial profiles of total and gas masses in galaxy clusters from thermal Sunyaev–Zel’dovich effect maps. We generate around 73 000 mock images along various lines of sight using 2522 simulated clusters from THE THREE HUNDRED project at redshift z < 0.12 and train a model that combines an auto-encoder and a random forest. Without making any prior assumptions about the hydrostatic equilibrium of the clusters, the model is capable of reconstructing the total mass profile as well as the gas mass profile, which is responsible for the Sunyaev–Zel’dovich effect. We show that the recovered profiles are unbiased with a scatter of about 10 per cent, slightly increasing towards the core and the outskirts of the cluster. We selected clusters in the mass range of 1013.5 ≤ M200/(h−1 M) ≤ 1015.5, spanning different dynamical states, from relaxed to disturbed haloes. We verify that both the accuracy and precision of this method show a slight dependence on the dynamical state, but not on the cluster mass. To further verify the consistency of our model, we fit the inferred total mass profiles with a Navarro–Frenk–White model and contrast the concentration values with those of the true profiles. We note that the inferred profiles are unbiased for higher concentration values, reproducing a trustworthy mass–concentration relation. The comparison with a widely used mass estimation technique, such as hydrostatic equilibrium, demonstrates that our method recovers the total mass that is not biased by non-thermal motions of the gas

A machine learning method to infer clusters of galaxies mass radial profiles from mock Sunyaev-Zel’dovich maps with The Three Hundred clusters

Our study introduces a new machine learning algorithm for estimating 3D cumulative radial profiles of total and gas mass in galaxy clusters from thermal Sunyaev-Zel’dovich (SZ) effect maps. We generate mock images from 2522 simulated clusters, employing an autoencoder and random forest in our approach. Notably, our model makes no prior assumptions about hydrostatic equilibrium. Our results indicate that the model successfully reconstructs unbiased total and gas mass profiles, with a scatter of approximately 10%. We analyse clusters in various dynamical states and mass ranges, finding that our method’s accuracy and precision are consistent. We verify the capabilities of our model by comparing it with the hydrostatic equilibrium technique, showing that it accurately recovers total mass profiles without any bias

Study and design of a wideband analog-to-digital converter based on sigma delta modulation

Les travaux de recherche de cette thèse de doctorat s’inscrivent dans le cadre de la conception d’unconvertisseur analogique-numérique (ADC, Analog-to-Digital Converter) large bande et à haute résolution afinde numériser plusieurs standards de communications sans fil. Il répond ainsi au concept de la radio logiciellerestreinte (SDR, Software Defined Radio). L’objectif visé est la reconfigurabilité par logiciel et l’intégrabilité envue d’un système radio multistandard. Les ADCs à sur-échantillonnage de type sigma-delta () s’avèrent debons candidats dans ce contexte de réception SDR multistandard en raison de leur précision accrue. Bien queleur bande passante soit réduite, il est possible de les utiliser dans une architecture en parallèle permettantd’élargir la bande passante. Nous nous proposons alors dans cette thèse de dimensionner et d’implanter unADC parallèle à décomposition fréquentielle (FBD) basé sur des modulateurs à temps-discret pour unrécepteur SDR supportant les standards E-GSM, UMTS et IEEE802.11a. La nouveauté dans l’architectureproposée est qu’il est programmable, la numérisation d’un signal issu d’un standard donné se réalise enactivant seulement les branches concernées de l’architecture parallèle avec des sous-bandes defonctionnement et une fréquence d’échantillonnage spécifiée. De plus, le partage fréquentiel des sous-bandesest non uniforme. Après validation du dimensionnement théorique par simulation, l’étage en bande de base aété dimensionné. Cette étude conduit à la définition d’un filtre anti-repliement passif unique d’ordre 6 et detype Butterworth, permettant l’élimination du circuit de contrôle de gain automatique (AGC). L’architectureFBD requière un traitement numérique permettant de combiner les signaux à la sortie des branches enparallèle pour reconstruire le signal de sortie finale. Un dimensionnement optimisé de cet étage numérique àbase de démodulation a été proposé. La synthèse de l’étage en bande de base a montré des problèmes destabilité des modulateurs . Pour y remédier, une solution basée sur la modification de la fonction detransfert du signal (STF) afin de filtrer les signaux hors bande d’intérêt par branche a été élaborée. Unediscontinuité de phase a été également constatée dans le signal de sortie reconstruit. Une solution deraccordement de phase a été proposée. L’étude analytique et la conception niveau système ont étécomplétées par une implantation de la reconstruction numérique de l’ADC parallèle. Deux flots de conceptionont été considérés, un associé au FPGA et l’autre indépendant de la cible choisie (VHDL standard).L’architecture proposée a été validée sur un FPGA Xilinx de type VIRTEX6. Une dynamique de 74 dB a étémesurée pour le cas d’étude UMTS, ce qui est compatible avec celle requise du standard UMTS.The work presented in this Ph.D. dissertation deals with the design of a wideband and accurate Analog-to-Digital Converter (ADC) able to digitize signals of different wireless communications standards. Thereby, itresponds to the Software Defined Radio concept (SDR). The purpose is reconfigurability by software andintegrability of the multistandard radio terminal. Oversampling (Sigma Delta) ADCs have been interestingcandidates in this context of multistandard SDR reception thanks to their high accuracy. Although they presentlimited operating bandwidth, it is possible to use them in a parallel architecture thus the bandwidth isextended. Therefore, we propose in this work the design and implementation of a parallel frequency banddecomposition ADC based on Discrete-time modulators in an SDR receiver handling E-GSM, UMTS andIEEE802.11a standard signals. The novelty of this proposed architecture is its programmability. Where,according to the selected standard digitization is made by activating only required branches are activated withspecified sub-bandwidths and sampling frequency. In addition the frequency division plan is non-uniform.After validation of the theoretical design by simulation, the overall baseband stage has been designed. Resultsof this study have led to a single passive 6th order Butterworth anti-aliasing filter (AAF) permitting theelimination of the automatic gain control circuit (AGC) which is an analog component. FBD architecturerequires digital processing able to recombine parallel branches outputs signals in order to reconstruct the finaloutput signal. An optimized design of this digital reconstruction signal stage has been proposed. Synthesis ofthe baseband stage has revealed modulators stability problems. To deal with this problem, a solution basedon non-unitary STF has been elaborated. Indeed, phase mismatches have been shown in the recombinedoutput signal and they have been corrected in the digital stage. Analytic study and system level design havebeen completed by an implementation of the parallel ADC digital reconstruction stage. Two design flows havebeen considered, one associated to the FPGA and another independent of the chosen target (standard VHDL).Proposed architecture has been validated using a VIRTEX6 FPGA Xilinx target. A dynamic range over 74 dB hasbeen measured for UMTS use case, which responds to the dynamic range required by this standard

Microstructure and electrical properties of silica-Zn2SiO4-Mn glass-ceramics as composite for optoelectronic devices

In the present study, silica-Zn2SiO4-Mn (silica-ZSiMn) glass-ceramics samples were synthesized via was elaborated by sol-gel route. The microstructure and electrical properties of glass-ceramics samples was investigated. The crystal structure and microstructure of glass-ceramics were studied by X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscope (TEM) techniques. XRD studies reveal the presence of Zn2SiO4 phases. Electrical studies show that as frequency increases, the conductivity decreases until a specific frequency (fmin) at which the conductivity starts to increase. However, the exponent ‘s’ decreases with temperature, which proves that the CBH (correlated barrier hopping) is the suitable process which assures the conduction. The ac activation energy decreases with the increase of frequency which is a normal physically explicable attitude. We believe that these findings provide the fundamental understanding about smart glass-ceramics materials for possible electronic applications. Keywords: Silica-Zn2SiO4-Mn, Glass-ceramics, Electrical properties, Sol–gel techniqu

From system design to clock skew impact study in parallel sigma delta modulators using frequency band decomposition

Peer Reviewe

Accelerating existing non-blind image deblurring techniques through a strap-on limited-memory switched broyden method

A

Mass Estimation of Planck Galaxy Clusters using Deep Learning

Galaxy cluster masses can be inferred indirectly using measurements from X-ray band, Sunyaev-Zeldovich (SZ) effect signal or optical observations. Unfortunately, all of them are affected by some bias. Alternatively, we provide an independent estimation of the cluster masses from the Planck PSZ2 catalog of galaxy clusters using a machine-learning method. We train a Convolutional Neural Network (CNN) model with the mock SZ observations from Th