Multifunction Transceiver Architecture and Technology for Future Wireless Systems

Depuis la toute première transmission sans fil, les ondes radiofréquences ont été progressivement mises en valeur et exploitées dans un nombre de plus en plus important d'applications. Parmi toutes ces applications, la détection et la télécommunication sont sans doute les plus indispensables de nos jours. Il existe un grand nombre d'utilisations des radiofréquences, incluant les transports intelligents pour lesquels les véhicules doivent être équipés à la fois de radars et de dispositifs de communication afin d'être capables de détecter l'environnement ainsi que de réaliser la communication avec d'autres unités embarquées. La technologie émergente 5G est un autre exemple pour lequel plusieurs capteurs et radios devraient être capables de coopérer de manière autonome ou semi-autonome. Les principes de fonctionnement des systèmes radars et radio sont toutefois différents. Ces différences fondamentales peuvent entraîner l'utilisation de différentes architectures de traitement du signal et d'émetteur-récepteur, ce qui peut poser des problèmes pour l'intégration de toutes les fonctions requises au sein d'une seule et même plate-forme. En dehors de cela, certaines applications requièrent plusieurs fonctions simultanément dans un même dispositif. Par exemple, les systèmes de détection d'angle d'arrivée 2D nécessitent d'estimer l'angle d'arrivée (AOA) du faisceau entrant dans les plans horizontal et vertical simultanément. La communication radio multi-bandes et multi-modes est un autre exemple pour lequel un système radio doit être capable de communiquer dans plusieurs bandes de fréquences et dans plusieurs modes, par exemple, un duplexage en fonction de la fréquence ou du temps. À première vue, on peut penser que l'assemblage de plusieurs dispositifs distincts n'est pas la meilleure solution en ce qui concerne le coût, la simplicité et la fonctionnalité. Par conséquent, une direction de recherche consiste à proposer une architecture d'émetteur-récepteur unifiée et compacte plutôt qu'une plate-forme assemblant de multiples dispositifs distincts. C'est cette problématique qui est spécifiquement abordée dans ce travail. Selon les fonctions à intégrer dans un seul et unique système multifonctionnel, la solution peut traiter plusieurs aspects simultanément. Par exemple, toute solution réalisant l'intégration de fonctions liées au radar et à la radio devrait traiter deux aspects principaux, à savoir : la forme d'onde opérationnelle et l'architecture frontale RF.

Abstract

Since the very early wireless transmission of radiofrequency signals, it has been gradually flourished and exploited in a wider and wider range of applications. Among all those applications of radio technology, sensing and communicating are undoubtedly the most indispensable ones. There are a large number of practical scenarios such as intelligent transportations in which vehicles must be equipped with both radar and communication devices to be capable of both sensing the environment and communication with other onboard units. The emerging 5G technology can be another important example in which multiple sensors and radios should be capable of cooperating with each other in an autonomous or semi-autonomous manner. The operation principles of these radar and radio devices are different. Such fundamental differences can result in using different operational signal, distinct signal processing, and transceiver architectures in these systems that can raise challenges for integration of all required functions within a single platform. Other than that, there exist some applications where several functions of a single device (i.e. sensor or radio) are required to be executed simultaneously. For example, 2D angle-of-arrival detection systems require estimating the angle of arrival (AOA) of the incoming beam in both horizontal and vertical planes at the same time. Multiband and multimode radio communication is another example of this kind where a radio system is desired to be capable of communication within several frequency bands and in several modes, e.g., time or frequency division duplexing. At a first glance, one can feel that the mechanical assembling of several distinct devices is not the best solution regarding the cost, simplicity and functionality or operability. Hence, the research attempt in developing a rather unified and compact transceiver architecture as opposed to a classical platform with assembled multiple individual devices comes out of horizon, which is addressed specifically in this work. Depending on the wireless functions that are to be integrated within a single multifunction system, the solution should address multiple aspects simultaneously. For instance, any solution for integrating radar and radio related functions should be able to deal with two principal aspects, namely operational waveform and RF front-end architecture. However, in some other above- mentioned examples such as 2D DOA detection system, identical operational waveform may be used and the main challenge of functional integration would pertain to a unification of multiple mono-functional transceivers.