Présentation
RÉSUMÉ
Cet article introduit une étude d’un circuit numérique à réponse impulsionnelle infinie (RII) à temps négatif (t<0). Ce circuit à fonctionnement inhabituel s’identifie avec une possibilité de générer des sorties se comportant en avance par rapport aux entrées. Le principe de fonctionnement, la théorie décrit par diagramme de fréquence-temps et la méthodologie de conception du circuit à t<0 à RII sont validées par simulation et expérience. Divers signaux à formes d’ondes de durée de quelques millisecondes sont testés avec un prototype de circuit à t<0 implémenté sur microcontrôleur STM32®. Des applications potentielles telles que la suppression de retard et la pré-détection des défauts sont introduites.
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This article studies an innovative digital circuit operating with negative group delay (NGD) infinite impulse response (IIR). This extraordinary and unfamiliar circuit can be outstandingly identified with possibility to generate output signals ahead of the corresponding inputs. The NGD digital circuit theory, operation principle and design methodology are established by means of frequency-time diagram and verified by both simulation and experiment. Various arbitrary waveform pulse signals with few ms duration are originally tested with NGD IIR circuit prototype implemented on STM32® microcontroller. Potential applications such as delay suppression and pre-detection of faults are introduced.
Auteur(s)
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Blaise RAVELO : Ingénieur de l’ESPA/Université d’Antsiranana, DESS, - Master et Docteur de l’UBO, HDR de l’Université de Rouen - Professeur de l’Université NUIST, Nankin, Chine
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Mathieu GUÉRIN : Maître de conférences et Docteur de l’Aix-Marseille Université - Aix-Marseille Université, CNRS, Université de Toulon, - IM2NP UMR7334, Marseille, France
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Wenceslas RAHAJANDRAIBE : Professeur des Universités et Docteur de l’Université de Montpellier - Aix-Marseille Université, CNRS, Université de Toulon, - IM2NP UMR7334, Marseille France
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Lala RAJAOARISOA : Maître de conférences et Docteur de l’Aix-Marseille Université - IMT Nord Europe, Institut Mines-Télécom, Université de Lille, - Centre for Digital Systems, Lille, France
INTRODUCTION
Pour répondre aux besoins de notre société, l’ingénierie électronique moderne se développe incessamment en surmontant différentes barrières technologiques. La réussite des ingénieurs face à ce défi est essentiellement basée sur la conception et le développement de nouveaux dispositifs électroniques de plus en plus innovants. De ce fait, les industries de conception des circuits et des dispositifs électroniques sont en perpétuelle évolution vers différents types de technologie analogique, électronique et mixte. Dans ce cadre de développement, un remarquable progrès a été réalisé avec l’innovation en technologie de pointe électronique numérique [E 2 455] [E 2 480] [E 3 160] [E 3 162].
Derrière le progrès industriel actuel, des fonctions électroniques spécifiquement originales sont nécessaires pour mettre au point des innovations répondant à l’attente de la société. La performance des processeurs [E 3 565] et des Circuits Numériques (CN) reconfigurables [H 1 196] est un point clé pour réaliser cette évolution. L’efficacité d’application industrielle des CN pour les systèmes de contrôle, commande, diagnostic, localisation et caractérisation des défauts et aussi de correction des latences des réseaux de capteurs [TRP 3 075] [R 461] [E 3 087] reposent sur la capacité d’assurer les processus de traitement numérique du signal mis en jeu.
Par ailleurs, une approche originale de traitement de signal à base de circuit électronique à Temps Négatif (TN), particulièrement innovante, a été récemment développée. Malgré son comportement contre-intuitif observé initialement en physique optique, l’étude des Circuits à TN (CTN) a été conduite depuis quelques décennies, comme recherche émergente en ingénierie électronique. Les CTNs se caractérisent théoriquement et expérimentalement par une signature temporelle extraordinaire illustrée par une possibilité d’engendrer un signal de sortie ayant un comportement en avance par rapport à son entrée. Cependant, il est important de souligner que la fonction électronique à TN n’est pas en contradiction avec le principe de la causalité. Ces CTNs performants ont été déployés dans le domaine analogique basse fréquence inférieure à 1 MHz. Les topologies analogiques des CTNs proposées pour
cette bande fréquence sont à base de composants localisés (résistances, inductances, condensateurs, opérationnels amplificateurs). Des Circuits Radios Fréquences (RF) destinés à fonctionner en haute fréquence supérieure à 100 MHz ont été également développés notamment à base de technologie microruban. Cependant, l’interprétation des phénomènes de TN reste difficilement compréhensible pour les ingénieurs et les chercheurs non spécialistes. Pour cette raison, une théorie simple a été initiée en s’inspirant de la théorie simple du filtre. On distingue par exemple des CTNs de type passe-bas et passe-haut. Grâce à l’analogie entre les comportements du module et du Temps de Propagation de Groupe (TPG) de la fonction de transfert en tension d’un système linéaire, différentes catégories de fonction à TN ont été identifiées. Les catégories les plus étudiées jusqu’à présent sont les circuits passe-bas et surtout les circuits passe-bandes.
Récemment, des études expérimentales des CTNs numériques non conventionnels ont également été entreprises. À la différence des circuits numériques classiques [E 2 455] [E 2 480] [E 3 160] [E 3 162], beaucoup de travail d’ordre de recherche innovante, développement et industrialisation est nécessaire pour rendre la technologie des CTNs familières aux ingénieurs non spécialistes. Cet article présente une étude particulièrement innovante de conception, analyse, implémentation et test d’un CTN numérique original à Réponse Impulsionnelle Infinie (RII).
L’objectif est de permettre aux ingénieurs industriels de découvrir, de se familiariser, de concevoir et de caractériser des CTNs, afin de les intégrer et d’améliorer la compétitivité de leurs propres produits. D’abord, le principe de fonctionnement du CTN est défini par approche fréquentielle interprétée dans le domaine temporelle. Il est souligné également l’analogie entre la théorie des CTNs et des filtres en précisant les différents types de CTN passe-bas et passe-bande. Ensuite, une théorie de CTN à base de RII d’ordre deux est détaillée. La méthodologie de conception, d'implémentation sous LabVIEW® et de test des CTNs sont développés. Enfin, la dernière partie de l’article présente des exemples d’applications.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des notations et des sigles utilisés.
Points clés
Domaine : circuit numérique, traitement numérique du signal, électronique
Degré de diffusion de la technologie : émergence
Technologies impliquées : microélectronique, microcapteur, microcontrôleur, microprocesseur
Domaines d’application : industrie 4.0, immeuble/maison intelligent, robotique, automatique, automobile, ferroviaire, aéronautique, aérospatial
Principaux acteurs français :
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Pôles de compétitivité : MOVEO, ASTECH, AEROSPACE VALLEY
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Centres de compétence : IM2NP
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Industriels : AIRBUS, ESA, Renault, Stellantis, Thales, Safran, Alstom, STMicroelectronics
Autres acteurs dans le monde : Ericsson, Mitsubishi, Signal Advance Technology, Huawei
Contact : [email protected]
MOTS-CLÉS
circuit numérique ingénierie du circuit à temps négatif réponse impulsionnelle infinie méthode de conception technique de test
KEYWORDS
digital circuit | NGD circuit | infinite impulse response | design method | test technique
DOI (Digital Object Identifier)
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7. Conclusion
Des études récentes ont mis en évidence la possibilité de concevoir et de réaliser des CTNs dont les fondements peuvent à première vue sembler inhabituels pour les ingénieurs de conception, réalisation, test et vente des dispositifs électroniques. On constate ainsi que les études disponibles dans la littérature sont essentiellement à base de circuits analogiques ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - RAVELO (B.) - First-order low-pass negative group delay passive topology. - Electronics Letters, vol. 52, vo. 2, p. 124-126 (2016).
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(2) - RAVELO (B.) - Demonstration of negative signal delay with short-duration transient pulse. - Eur. Phys. J. Appl. Phys., vol. 55 (10103), p. 1-8 (2011).
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(3) - RAVELO (B.) - Methodology of elementary negative group delay active topologies identification. - IET Circuits Devices Syst. (CDS), vol. 7, n° 3, p. 105-113 (2013).
-
(4) - RAVELO (B.) - Theory on negative time delay looped system, IET Circuits. - Devices & Systems, vol. 12, n° 2, p. 175-181 (2018).
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(5) - RAVELO (B.), RAHAJANDRAIBE (W.), GUÉRIN (M.), AGNUS (B.), THAKUR (P.), THAKUR (A.) - 130-nm BiCMOS design of low-pass negative group delay integrated RL-circuit. - Int. J. Circ. Theor. Appl., p. 1-17 (2022).
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