Thesis defence of Hasan Moussa (CDSI team): Improving and Digitizing N-Path Mixers

Hasan MOUSSA - CDSI team

Thesis directors / supervisors
Laurent FESQUET - Thesis director - Associate professor - Grenoble INP / Phelma, Université Grenoble Alpes
Estelle LAUGA-LARROZE - Co-thesis supervisor - Associate professor - Université Grenoble Alpes

Rapporteurs
Dimitri GALAYKO - Rapporteur - Full professor - Sorbonne University
Gilles JACQUEMOD - Rapporteur - Full professor - Université Côte d'Azur

Composition of the jury
Laurent FESQUET - Thesis director - Associate professor - Grenoble INP / Phelma, Université Grenoble Alpes
Dimitri GALAYKO - Rapporteur - Full professor - Sorbonne University
Gilles JACQUEMOD - Rapporteur - Full professor - Université Côte d'Azur
Daniela DRAGOMIRESCU - Examinator - Full professor - INSA Toulouse
Yannis LE GUENNEC - Examinator - Associate professor - Grenoble INP / UGA

Guest
Estelle LAUGA-LARROZE - Guest - Associate professor - Université Grenoble Alpes

Title: Improving and Digitizing N-Path Mixers
Keywords: N-Path Mixers, analog, digital, non-uniform, new control law, asynchronous
Abstract: This research investigates the ways for improving and digitizing N-Path Mixers (NPM). These latter offer agility and easy tunability to demodulate RF signals in a wide band and make possible the design of Software Defined Radio with a few hardware. The main drawback is the unwanted harmonic generation due to the Local Oscillator (LO). Therefore, improving such mixers starts with harmonic rejection. Several mixer architectures have been investigated in order to limit the harmonic emergence. In the first part of this thesis, two approaches improving the analog N-path mixers have been studied. First, a multi-phase Self-Timed Ring Oscillator (STRO) operating at the carrier frequency is used to control the N-path mixer switches. Then, a new non-conventional control law for the N-path mixer switches, based on level crossing sampling technique, is described. Moreover, an associated methodology is proposed for determining the optimal switch control whatever the number of paths. The second part of the manuscript is devoted to the full-digitization of the N-path mixers. The idea is to proposed an ADC-first architecture with a digital mixing to favor the technology shrink and a small silicon footprint. In order to reduce the number of samples, the level-crossing sampling scheme is also employed in addition to the strategy developed for the analog N-path mixers. The results highlight significant advantages such as a reduced power consumption, a smaller circuit area, an extended frequency range, and enhanced overall the tunability. These advantages pave the way for more efficient, adaptable, and integrated solutions for the next generation of wireless communication technologies.

Titre : Amélioration et Digitalisation de Mélangeurs N-Path
Mots-clés : mélangeurs N-Path, numérique, analogique, non uniforme, nouvelle loi de contrôle, asynchrone
Résumé : Cette recherche explore les moyens d'améliorer et de numériser les mélangeurs N-paths (NPM). Ces derniers offrent une agilité et une facilité de réglage pour démoduler les signaux RF dans une large bande et permettent la conception de radios logicielles avec peu de matériel. Le principal inconvénient est la génération d'harmoniques indésirables due à l'oscillateur local (OL). Par conséquent, l'amélioration de ces mélangeurs commence par la réjection des harmoniques. Plusieurs architectures de mélangeurs ont été étudiées afin de limiter l'émergence d'harmoniques. Dans la première partie de cette thèse, deux approches améliorant les mélangeurs N-path analogiques ont été étudiées. Tout d'abord, un oscillateur en anneau auto-synchronisé (STRO) multiphase fonctionnant à la fréquence porteuse est utilisé pour commander les commutateurs du mélangeur N-path. Ensuite, une nouvelle loi de commande non conventionnelle pour les commutateurs du mélangeur N-path, basée sur la technique d'échantillonnage par passage à niveau zéro, est décrite. De plus, une méthodologie associée est proposée pour déterminer la commande optimale des commutateurs quel que soit le nombre de paths. La deuxième partie du manuscrit est consacrée à la numérisation complète des mélangeurs N-paths. L'idée est de proposer une architecture de type "ADC-first" avec un mélange numérique pour favoriser la réduction de la technologie et une faible empreinte silicium. Afin de réduire le nombre d'échantillons, le schéma d'échantillonnage par passage à niveau zéro est également utilisé en complément de la stratégie développée pour les mélangeurs N-paths analogiques. Les résultats mettent en évidence des avantages significatifs tels qu'une consommation d'énergie réduite, une surface de circuit plus petite, une plage de fréquences étendue et une amélioration globale de la capacité de réglage. Ces avantages ouvrent la path à des solutions plus efficaces, adaptables et intégrées pour la prochaine génération de technologies de communication sans fil.