Échantillonnage Non Uniforme : Application aux filtrages et aux conversions CAN/CNA (Convertisseurs Analogique-Numérique et Numérique/Analogique) dans les télécommunications par satellite

La théorie de l'échantillonnage uniforme des signaux, développée en particulier par C. Shannon, est à l'origine du traitement numérique du signal. Depuis, de nombreux travaux ont été consacrés à l'échantillonnage non uniforme. Celui-ci permet, d'une part, de modéliser les imperfections des dispositifs d'échantillonnage uniforme. D'autre part, l'échantillonnage peut être effectué de manière délibérément non uniforme afin de bénéficier de propriétés particulières, notamment un assouplissement des conditions portant sur le choix de la fréquence moyenne d'échantillonnage. La plupart de ces travaux reste dans un cadre théorique en adoptant des schémas d'échantillonnage et des modèles de signaux simplifiés. Or, actuellement, dans de nombreux domaines d'application, tels que les communications par satellites, la conversion analogique-numérique s'effectue sous des contraintes fortes pour les largeurs de bande mises en jeu, en raison notamment des fréquences très élevées utilisées. Ces conditions opérationnelles accentuent les imperfections des dispositifs électroniques réalisant l'échantillonnage et induisent le choix de modèles de signaux et de schémas d'échantillonnage spécifiques. Cette thèse a pour objectif général d'identifier des modèles d'échantillonnage adaptés à ce cadre applicatif. Ceux-ci s'appliquent à des signaux aléatoires passe-bande, qui constituent un modèle classique en télécommunications. Ils doivent prendre en compte des facteurs technologiques, économiques ainsi que des contraintes bord de complexité et éventuellement intégrer des fonctionnalités propres aux télécommunications. La première contribution de cette thèse est de développer des formules d'échantillonnage non uniforme qui intègrent dans le domaine numérique des fonctionnalités délicates à implémenter dans le domaine analogique aux fréquences considérées. La deuxième contribution consiste à caractériser et à compenser les erreurs de synchronisation de dispositifs d'échantillonnage non uniforme particuliers, à savoir les convertisseurs analogique-numérique entrelacés temporellement, via des méthodes supervisées ou aveugles

Conversion Numérique-Analogique sélective d'un signal passe-bande soumis à des interférences

National audienceCet article propose une méthode qui permet une conversion numérique-analogique sélective d’un processus aléatoire passe-bande soumis à des interférences. Cette méthode permet d’effectuer simultanément la conversion numérique-analogique du signal et le rejet de l’interférence à partir des échantillons du processus observé : aucun démodulation préalable du processus passe-bande n’est nécessaire et le filtrage est effectué dans le domaine temporel grâce à l’expression explicite des coefficients du filtre. La méthode se base sur l’utilisation d’un schéma d’échantillonnage périodique non uniforme appelé PNS2 (pour Periodic Nonuniform Sampling d’ordre 2) qui utilise deux séquences d’échantillonnage périodique entrelacées. Des formules appropriées sont établies afin de reconstruire le signal, permettant également de supprimer l’interférence grâce à un filtrage sélectif. L’observation sur une fenêtre de taille infinie (nombre infini d’échantillons) mène à une reconstruction exacte. Cependant, dans les applications, la conversion numérique-analogique est généralement pratiquée en temps réel à l’aide d’une fenêtre d’observation glissante et de taille finie (nombre fini d’échantillons). Ainsi les formules de reconstruction doivent avoir un taux de convergence élevé. Cet article propose donc des formules avec différents taux de convergence grâce à l’utilisation de filtres avec des fonctions de tranfert de régularité croissante. Des simulations se basant sur la variation de différents paramètres expérimentaux nous ont permis de tester la méthode

Estimation du retard en échantillonnage périodique non uniforme - Application aux CAN entrelacés désynchronisés

Augmenter la fréquence d’échantillonnage des Convertisseurs Analogique Numérique (CAN) constitue actuellement un défi dans de nombreux domaines et en particulier dans les télécommunications. Les CAN entrelacés constituent une solution technique pour l’échantillonnage à haute fréquence. Ils sont obtenus par entrelacement temporel et multiplexage de plusieurs CAN fonctionnant à faible fréquence. Toutefois,l’opération inverse de CNA étant basée sur l’hypothèse d’un échantillonnage global uniforme, la synchronisation entre les CAN doit être parfaite. Toute désynchronisation doit être corrigée en amont ce qui nécessite une calibration et des reconfigurations coûteuses au niveau des circuits. Dans cet article, nous considérons un modèle alternatif et plus flexible pour les CAN entrelacés, basé sur l’utilisation d’un schéma d’échantillonnage non uniforme périodique. L’intérêt de ce schéma est de permettre une reconstruction exacte du signal en présence de désynchronisation lorsque celle-ci est connue. Les étapes de calibration et de reconfiguration matérielles ne sont plus alors nécessaires. La principale contribution de cet article est de proposer deux méthodes pour l’estimation de la désynchronisation l’une fonctionnant par auto-calibration du système et l’autre de manière aveugle. Les performances de ces méthodes sont évaluées en termes d’erreur de reconstruction du signa

Adaptive Estimation and Compensation of the Time Delay in a Periodic Non-uniform Sampling Scheme

High sampling rate Analog-to-Digital Converters (ADCs) can be obtained by time-interleaving low rate (and thus low cost) ADCs into so-called Time-Interleaved ADCs (TI-ADCs). Nevertheless increasing the sampling frequency involves an increasing sensibility of the system to desynchronization between the different ADCs that leads to time-skew errors, impacting the system with non linear distortions. The estimation and compensation of these errors are considered as one of the main challenge to deal with in TI-ADCs. Some methods have been previously proposed, mainly in the field of circuits and systems, to estimate the time-skew error but they mainly involve hardware correction and they lack of flexibility, using an inflexible uniform sampling reference. In this paper, we propose to model the output of L interleaved and desynchronized ADCs with a sampling scheme called Periodic Non-uniform Sampling of order L (PNSL). This scheme has been initially proposed as an alternative to uniform sampling for aliasing cancellation, particularly in the case of bandpass signals. We use its properties here to develop a flexible on-line digital estimation and compensation method of the time delays between the desynchronized channels. The estimated delay is exploited in the PNSL reconstruction formula leading to an accurate reconstruction without hardware correction and without any need to adapt the sampling operation. Our method can be used in a simple Built-In Self-Test (BIST) strategy with the use of learning sequences and our model appears more flexible and less electronically expensive, following the principles of “Dirty Radio Frequency” paradigm: designing imperfect analog circuits with subsequently digital corrections of these imperfections

Adaptive Estimation and Compensation of the Time Delay in a Periodic Non-uniform Sampling Scheme

High sampling rate Analog-to-Digital Converters (ADCs) can be obtained by time-interleaving low rate (and thus low cost) ADCs into so-called Time-Interleaved ADCs (TI-ADCs). Nevertheless increasing the sampling frequency involves an increasing sensibility of the system to desynchronization between the different ADCs that leads to time-skew errors, impacting the system with non linear distortions. The estimation and compensation of these errors are considered as one of the main challenge to deal with in TI-ADCs. Some methods have been previously proposed, mainly in the field of circuits and systems, to estimate the time-skew error but they mainly involve hardware correction and they lack of flexibility, using an inflexible uniform sampling reference. In this paper, we propose to model the output of L interleaved and desynchronized ADCs with a sampling scheme called Periodic Non-uniform Sampling of order L (PNSL). This scheme has been initially proposed as an alternative to uniform sampling for aliasing cancellation, particularly in the case of bandpass signals. We use its properties here to develop a flexible on-line digital estimation and compensation method of the time delays between the desynchronized channels. The estimated delay is exploited in the PNSL reconstruction formula leading to an accurate reconstruction without hardware correction and without any need to adapt the sampling operation. Our method can be used in a simple Built-In Self-Test (BIST) strategy with the use of learning sequences and our model appears more flexible and less electronically expensive, following the principles of “Dirty Radio Frequency” paradigm: designing imperfect analog circuits with subsequently digital corrections of these imperfections

Non Uniform Sampling : Application to filtering and ADC/DAC conversions (Analog-to-Digital and Digital-to-Analog) in the telecommunications by satellite

La théorie de l'échantillonnage uniforme des signaux, développée en particulier par C. Shannon, est à l'origine du traitement numérique du signal. Depuis, de nombreux travaux ont été consacrés à l'échantillonnage non uniforme. Celui-ci permet, d'une part, de modéliser les imperfections des dispositifs d'échantillonnage uniforme. D'autre part, l'échantillonnage peut être effectué de manière délibérément non uniforme afin de bénéficier de propriétés particulières, notamment un assouplissement des conditions portant sur le choix de la fréquence moyenne d'échantillonnage. La plupart de ces travaux reste dans un cadre théorique en adoptant des schémas d'échantillonnage et des modèles de signaux simplifiés. Or, actuellement, dans de nombreux domaines d'application, tels que les communications par satellites, la conversion analogique-numérique s'effectue sous des contraintes fortes pour les largeurs de bande mises en jeu, en raison notamment des fréquences très élevées utilisées. Ces conditions opérationnelles accentuent les imperfections des dispositifs électroniques réalisant l'échantillonnage et induisent le choix de modèles de signaux et de schémas d'échantillonnage spécifiques. Cette thèse a pour objectif général d'identifier des modèles d'échantillonnage adaptés à ce cadre applicatif. Ceux-ci s'appliquent à des signaux aléatoires passe-bande, qui constituent un modèle classique en télécommunications. Ils doivent prendre en compte des facteurs technologiques, économiques ainsi que des contraintes bord de complexité et éventuellement intégrer des fonctionnalités propres aux télécommunications. La première contribution de cette thèse est de développer des formules d'échantillonnage non uniforme qui intègrent dans le domaine numérique des fonctionnalités délicates à implémenter dans le domaine analogique aux fréquences considérées. La deuxième contribution consiste à caractériser et à compenser les erreurs de synchronisation de dispositifs d'échantillonnage non uniforme particuliers, à savoir les convertisseurs analogique-numérique entrelacés temporellement, via des méthodes supervisées ou aveugles.The theory of uniform sampling, developed among others by C. Shannon, is the foundation of today digital signal processing. Since then, numerous works have been dedicated to non uniform sampling schemes. On the one hand, these schemes model uniform sampling device imperfections. On the other hand, sampling can be intentionally performed in a non uniform way to benefit from specific properties, in particular simplifications concerning the choice of the mean sampling frequency. Most of these works have focused on theoretical approaches, adopting simplified models for signals and sampling devices. However, in many application domains, such as satellite communications, analog-to-digital conversion is submitted to strong constraints over the involved bandwidth due to the very high frequencies used. These operational conditions enhance the imperfections of the involved electronic devices and require the choice of particular signal models and sampling schemes. This thesis aims at proposing sampling models suitable for this context. These models apply to random band-pass signals, which are the classical models for telecommunication signals. They must take into account technological, economical factors and on-board complexity constraints and allow to integrate particular functionalities useful for telecommunication applications. This thesis first contribution is to develop non uniform sampling formulas that can digitally integrate functionalities that appear to be tricky in the analog domain at the considered frequencies. The thesis second contribution consists in applying non uniform sampling theory to the estimation and compensation of synchronization errors encountered in particular sampling devices, the timeinterleaved analog-to-digital converters. This estimation will be performed through supervised or blind methods

Selective analytic signal construction from a non-uniformly sampled bandpass signal

International audienceThis paper proposes a method that simultaneously builds the analytic signal from non-uniform samples of a bandpass signal and rejects interferences. The analytic signal is required for many onboard operations in communication satellites. This method operates in the time domain and without preliminary demodulation, using Periodic Non-uniform Sampling of order 2 (PNS2). This non-uniform sampling scheme can be easily implemented with available devices. Exact formulas for the analytic signal construction are derived for an infinite observation window (an infinite number of samples). For practical applications, the formulas should also demonstrate a high convergence rate due to the finite observation window. Formulas with increasing convergence rates are thus derived. The proposed method has been tested through simulations according to the number of available samples, the interference parameters and the filter transfer function regularity

Blind estimation of unknown time delay in periodic non-uniform sampling: Application to desynchronized time interleaved-ADCs

International audienceIncreasing the sampling rate of Analog-to-Digital Converters (ADC) is a main challenge in many fields and especially in telecommunications. Time-Interleaved ADCs (TI-ADC) were introduced as a technical solution to reach high sampling rates by time interleaving and multiplexing several low-rate ADCs at the price of a perfect synchronization between them. Indeed, as the signal reconstruction formulas are derived under the assumption of uniform sampling, a desynchronization between the elementary ADCs must be compensated upstream with an online calibration and expensive hardware corrections of the sampling device. Based on the observation that desynchronized TI-ADCs can be effectively modeled using a Periodic Non-uniform Sampling (PNS) scheme, we develop a general method to blindly estimate the time delays involved in PNS. The proposed strategy exploits the signal stationarity properties and thus is simple and quite generalizable to other applications. Moreover, contrarily to state-of-the-art methods, it applies to bandpass signals which is the more judicious application framework of the PNS scheme