Low-power and radiation resilient approaches for spectrum sensing
Approches basse consommation et résistantes aux rayonnements pour le sondage du spectre
Résumé
The advancement of technology has enabled a great increase in the number of users and the amount of information to be transmitted. In recent years, the demand for high download rates, massive connection, low latencies, and energy efficiency has increased, mainly due the popularization of IoT devices and the introduction of industry 4.0. This has led to a significant increase in demand for the frequency spectrum to accommodate new services or to improve existing ones. One of the alternatives to deal with this problem is the use of cognitive radios (CRs). They are able to sense the spectrum and see which bands are not currently being used. Among the various challenges related to CR, spectrum sensing is one of the most important and one of the primary functions of these radios. Wideband spectrum sensing presents several challenges, including antennas and processing a lot of data. However, in several moments the spectrum can be considered sparse allowing the use of compressive sensing (CS) in order to reduce the amount of samples required and thereby reducing processing resources. In terms of hardware, the use of CS can be translated in analog-to-information converters (AICs) instead of implementing analog-to-digital converters (ADCs) with high sampling rates. Furthermore, it is interesting to implement low-power devices. Downscaling transistors to nanometers helps to reduce consumption and area. However, other alternatives have been studied to decrease the leakage power. Among these alternatives, Magnetic Tunnel Junction (MTJ) has been very promising. In addition, the downscaling transistors makes circuits more sensitive to Single Event Transient (SET), and although MTJ is more robust than transistors to radiation, it is necessary to study how this impact is and how to reduce it. In this context, this thesis focuses on the SET effects analysis and MTJ applications which can be used in an AIC to perform the wideband spectrum sensing. The main contributions of this thesis are the analysis of SET effects in a comparator which is one of the main components of an ADC, analysis of SET effects in MTJ structures, and the proposition of an MTJ-based ADC which can be used in an AIC to perform the wideband spectrum sensing.
Les progrès de la technologie ont permis une forte augmentation du nombre d'utilisateurs et de la quantité d'informations à transmettre. Ces dernières années, la demande de taux de téléchargement élevés, de connexions massives, de faibles latences et d'efficacité énergétique a augmenté, principalement en raison de la vulgarisation des appareils IoT et de l'introduction de l'industrie 4.0. Cela a conduit à une augmentation significative de la demande du spectre pour accueillir de nouveaux services ou pour améliorer les services existants. Une des alternatives pour traiter ce problème est l'utilisation de radios cognitives (CR). Elles sont capables de détecter le spectre et de voir quelles bandes ne sont pas actuellement utilisées. Parmi les divers défis liés à la CR, la détection du spectre est l'une des fonctions les plus importantes de ces radios. La détection de spectre à large bande présente plusieurs défis, notamment les antennes et le traitement d'un grand nombre de données. Cependant, en plusieurs instants, le spectre peut être considéré comme parcimonieux ce qui permet l'utilisation de l'acquisition comprimée (CS) afin de réduire la quantité d'échantillons nécessaires et ainsi réduire les ressources de traitement. En termes de matériel, l'utilisation de CS peut être traduite en convertisseurs analogique-information (AIC) au lieu d'implémenter des convertisseurs analogique-numérique (ADC) avec des taux d'échantillonnage élevés. De plus, il est intéressant de mettre en œuvre des dispositifs basse consommation. La réduction d'échelle des transistors en nanomètres permet de réduire la consommation et la surface. Cependant, d'autres alternatives ont été étudiées pour diminuer la puissance de fuite. Parmi ces alternatives, Magnetic Tunnel Junction (MTJ) a été très prometteur. De plus, les transistors de réduction d'échelle rendent les circuits plus sensibles au Single Event Transient (SET). Bien que le MTJ soit plus robuste que les transistors au rayonnement, il est nécessaire d'étudier quel est l'impact et comment le réduire. Dans ce contexte, cette thèse se concentre sur l'analyse des effets SET et les applications MTJ qui peuvent être utilisées dans un AIC pour effectuer la détection de spectre large bande. Les principales contributions de cette thèse sont l'analyse des effets SET dans un comparateur qui est l'un des principaux composants d'un ADC; l'analyse des effets SET dans les structures MTJ, et la proposition d'un ADC basé sur MTJ qui peut être utilisé dans un AIC pour effectuer la détection de spectre large bande.
Origine : Version validée par le jury (STAR)