Le développement des radiotéléphones à ultrafaible coût (ULCH, ultra low-cost handset) fait depuis peu l'objet d'un enthousiasme débordant. Ce dernier est justifié par les prévisions très positives en nombre d'unités, et les impressionnants chiffres de croissance moyenne annuelle annoncés. Le terminal ULCH est typiquement destiné à des marchés émergents où, selon les estimations, quelque 3 milliards de personnes ont accès à un réseau sans fil mais ne possèdent pas de portable adéquat.

Les études actuelles convergent vers la définition d'un mobile bibande ULCH, offrant des services voix et SMS, sans possibilité de transmission par paquets, et présentant des caractéristiques minimales. Le tout pour un prix de vente au détail inférieur à 30 $. Si l'on se place du côté du concepteur de radiotéléphone, faire appel à des composants moins onéreux, et ce au détriment de la performance, des caractéristiques ou de la qualité, semble une évidence.

Cependant, la définition d'un terminal ULCH n'implique pas une politique de baisse des coûts aussi triviale. En effet, il est impératif de tenir compte des implications qui résulteraient du choix de composants bon marché, et notamment au niveau de la partie radio.

De fait, alors même que celle-ci représente souvent moins de 10 % du coût total composants d'un radiotéléphone GSM/GPRS, de récentes avancées technologiques pourraient se révéler bénéfiques pour le marché ULCH du GSM/GPRS ou autre.

Dans l'optique de réduction du prix d'un portable ULCH, il est nécessaire non pas de recourir à une technologie spécifique, ou de faire appel à une méthodologie particulière, mais plutôt de mettre en oeuvre une stratégie multifacette afin de diminuer le coût total de réalisation. A cet égard, il semble logique d'adopter une fonction radio avec le coût composants (BOM) le plus bas possible, un niveau d'intégration très élevé et un nombre de composants externes réduit au maximum. Une analyse approfondie des coûts système, et notamment de la radio, s'impose également. La raison en est que la sensibilité, en relation directe avec la qualité du transceiver, est un paramètre critique pour un terminal ULCH.

La sensibilité du système a effectivement un impact sur l'infrastructure du réseau et son efficacité, sur l'expérience réelle de l'utilisateur et sur la conception du portable (choix et prix des composants du frontal radio). Le fait est que les opérateurs de réseau, tout comme les fabricants de portables, concentrent leurs efforts sur ce point particulier car il influe directement sur la qualité de réception d'un appel. Ainsi, un téléphone apte à recevoir un signal plus faible qu'un autre présentera a priori une meilleure clarté vocale. Il subira aussi moins de ruptures de conversation, dues à des problèmes de disponibilité ou d'interruptions du réseau. Dans la pratique, une sensibilité accrue améliore la couverture dans une cellule donnée, y compris aux frontières de ladite cellule. Elle est aussi garante d'une meilleure réception dans des conditions limites critiques.

Avec une plus grande sensibilité en réception, les opérateurs ont la possibilité de réduire les investissements dans les équipements d'infrastructure sur la base d'une couverture géographique donnée. Ceci est particulièrement important, puisque les opérateurs peuvent choisir de compenser le revenu moyen par utilisateur, potentiellement modeste, en réduisant leurs investissements dans les stations de base et autres équipements d'infrastructure.

Pour sa part, le fabricant mettra l'accent sur la sensibilité car celle-ci est liée aussi bien à la marge de production et à la conception de fabrication, qu'à la qualité de réception du portable. Par exemple, la réalisation de l'antenne affectera de façon significative la performance en réception. Les antennes internes sont de plus en plus populaires, au prix d'une plus grande complexité de conception. La localisation, la taille, les dimensions et la forme, ainsi que la performance de l'antenne, feront souvent l'objet de compromis afin de se conformer aux exigences « mécaniques » du radiotéléphone.

La figure 1 montre la circulation du signal dans la partie radio GSM. Elle éclaire sur l'impact qu'a le transceiver sur la conception d'un portable ultrafaible coût. En réception, le commutateur d'antenne (ASM, antenna switch) dirige le signal entrant, depuis l'antenne vers le filtre à onde acoustique de surface (SAW) approprié pour la sélection de la bande de fréquence. Le commutateur et le filtre présentent tous deux des pertes d'insertion (IL, insertion loss) dont il faut tenir compte.

Un réseau d'adaptation d'entrée, situé entre le filtre SAW et le transceiver, optimise le transfert, soit de puissance, soit de tension, entre la sortie du filtre et les entrées de l'amplificateur à faible bruit (LNA) du transceiver.

Une conversion en fréquence intermédiaire basse est ensuite réalisée par l'intermédiaire d'un mélangeur. Le signal est obtenu en bande de base ou, de façon alternative, par conversion directe. La sélection du canal utile est ensuite effectuée. Au cours de cette opération, en incluant les effets du réseau d'adaptation d'entrée, le transceiver dégrade la qualité du signal. Ce que traduit le facteur de bruit. Les informations voix et données sont ensuite transférées depuis le transceiver au circuit bande de base via une interface dédiée.

Dans l'optique d'un portable ULCH, le transceiver choisi devra garantir le facteur de bruit le plus faible possible. Une marge significative au niveau de ce facteur de bruit apporte l'avantage supplémentaire de réduire le coût composants. Le concepteur peut en effet sélectionner des composants frontaux, y compris le commutateur et les SAW, offrant le meilleur rapport coût/ perte d'insertion tout le long de la chaîne de réception.

Les doubles SAW, soit l'association de deux SAW dans un même module, constituent une solution préférable. Le choix d'un module à deux SAW réduit effectivement les coûts de 20 %, en comparaison de deux SAW discrets équivalents. Quant à l'espace occupé sur la carte, il chute de 45 %. En effet, un module de 1,6 x 2 mm se substitue traditionnellement à deux filtres de 1,4 x 2 mm chacun. L'intégration d'un double SAW peut toutefois entraîner une légère dégradation des performances, avec une perte d'insertion et une ondulation dans la bande plus élevées. Ces aléas sont susceptibles d'affecter la sensibilité du système et réduire l'atténuation des signaux parasites bloquants. Ce qui pourrait éventuellement créer des problèmes pour recevoir l'approbation GSM full-type (FTA). Dans le cas de transceivers ayant une bonne marge de facteur de bruit et un fort niveau de blocage, ces effets ne seront vraisemblablement pas perceptibles au niveau système.

Un excellent facteur de bruit permet aussi d'envisager l'usage d'inductances céramique multicouche économiques pour l'adaptation d'entrée du LNA. Généralement, le choix se porte sur des inductances bobinées, car elles sont créditées d'un excellent facteur de qualité (Q). Avec des inductances céramique multicouche, en lieu et place des précédentes, la réduction du coût est de l'ordre de 75 %. Naturellement, un compromis est alors à envisager au niveau du facteur de qualité. En effet, pour le transceiver, un facteur Q moins bon implique le plus souvent un facteur de bruit dégradé. Si une telle conséquence est acceptable, le client bénéficiera alors d'une réduction de coût en rapport.

Au niveau de l'interface de l'oscillateur de référence, le transceiver est synchronisé sur une source à quartz externe. Il fournit une horloge système au circuit bande de base. Pendant des années, afin de maintenir la précision et la stabilité demandées, des modules d'oscillateurs à quartz commandés en tension et compensés en température (VC-TCXO) ont été employés. La transition vers des solutions plus économiques est aujourd'hui de mise pour de nombreux portables. Leurs transceivers sont alors dotés d'un VCXO ou d'un DCXO. Dans le premier cas, le VCXO remplace un VC-TCXO dont le prix est de l'ordre de 0,95 $, par un quartz AT standard, une varicap et des condensateurs. Le second cas avec DCXO intégré représente la solution présentant le coût composants le moins élevé. Hormis un quartz de 3,2 x 2,5 mm à 0,35 $, aucun autre composant externe n'est en effet requis. Par ailleurs, la nécessité d'un calibrage de la varicap en production est évitée. Comme l'indique la figure 2, ce concept d'intégration de la fonction n'est pas nouveau, mais son succès dans les productions de grandes séries a été jusque-là circonscrit à quelques vendeurs de transceivers.

Pour ce qui est des transceivers avec un DCXO de qualité, offrant une vaste plage d'accord par le biais de la capacité sur la puce, l'utilisation de quartz plus grands (3,2 x 5 mm) permet là aussi de faire de substantielles économies. Celles-ci sont évaluées à quelque 10 %.

Les portables ULCH avec ce type de transceiver présentent des fonctionnalités réduites, de telle sorte qu'un quartz plus volumineux ne devrait pas constituer un inconvénient. Le prix moindre d'un quartz de taille un peu plus conséquente est à mettre sur le compte d'une technologie ancienne, et par suite amortie, et de la migration des productions de volume vers les pays à faibles coûts salariaux. Vis-à-vis des principaux fournisseurs mondiaux, les nouveaux fournisseurs de ces quartz, issus de Chine ou de Taïwan, vont devoir envisager une stratégie agressive de baisse des prix de leur offre en 3,2 x 5 mm, afin de conquérir des parts de marché. A plus long terme, l'écart de prix entre des quartz de 3,2 x 5 mm et de 3,2 x 2,5 mm devrait néanmoins s'inverser, le boîtier le plus grand étant naturellement caractérisé par un coût matière supérieur.

Cependant, indépendamment des dimensions du quartz et des considérations économiques, un transceiver avec un DCXO est peu encombrant et présente, comme nous l'avons souligné, le plus faible coût composants.

Au niveau de la fabrication du transceiver, il importe aussi d'adopter la technologie de production adéquate afin de garantir un modèle commercial réalisable, tout en répondant aux exigences de coût du marché ULCH. Sans surprise, c'est la technologie Cmos qui a émergé comme procédé de choix pour les circuits intégrés dédiés à la téléphonie cellulaire. Comparés aux modèles en BiCmos, sur substrat SiGe ou silicium, les transceivers Cmos profitent de coûts de production réduits. La surface de puce reste quant à elle modérée, du fait d'une lithographie plus fine.

Néanmoins, une conception Cmos présente parfois de véritables défis. C'est notamment le cas lors de l'implantation de certaines fonctions complexes, par exemple celles qui exigent des valeurs de performances RF très strictes et un haut niveau d'intégration numérique. En effet, la technologie Cmos ne permet pas toujours d'obtenir le facteur de qualité Q souhaité, ou la meilleure isolation contre le couplage par le substrat et les parasites HF. Au cours des dernières années, des transceivers Cmos ont toutefois réussi à surmonter ces difficultés. Dès leur introduction sur le marché, ils ont connu un succès significatif, récoltant ainsi les bénéfices cumulés de l'intégration et du faible coût. Comme la même technologie est retenue pour les fonctions bande de base, cette innovation représente une étape majeure dans la voie d'une intégration de toutes les fonctions (RF, bande de base et gestion de puissance) d'un radiotéléphone sur une seule puce.

Sur les plans de la satisfaction des utilisateurs et de la qualité des portables, et si l'on considère les équipements réseaux d'occasion ou reconditionnés, les infrastructures déployées assez chichement, le service après-vente quasi inexistant, les exigences du marché ULCH constituent un autre défi. Tous les facteurs mentionnés ont pour but de maintenir un coût d'exploitation le plus bas possible. La conséquence directe de cet état de fait est l'obligation d'un faible taux de retour des portables. Ce qui exige de ces derniers un haut niveau de qualité et de bonnes performances.

Considérons, par exemple, un transceiver dans un portable affichant un rendement de 94 %, et un hypothétique transceiver alternatif améliorant le rendement à 95 %. En supposant un prix de 30 $ pour un portable ULCH, cette différence se traduit par 0,30$ par appareil, sous la forme soit d'une économie potentielle, soit d'un surcoût.

Les transceivers conçus selon une méthodologie de production de masse, et capitalisant sur les possibilités d'intégration de la technologie Cmos, seront les mieux positionnés.

Si l'intégration poussée réduit le nombre de composants externes, elle élimine également les risques de variation des caractéristiques des composants. Une variation que l'on peut considérer être située dans l'intervalle compris entre 10 et 15 %. Et ce, sans tenir compte des autres tolérances introduites au niveau des pistes et du circuit imprimé. Par ailleurs, si toutes les entités RF sont intégrées, un test complet du système permettra de garantir que tous les produits livrés répondent aux besoins en termes de performances et de qualité, avant de constituer un réel problème pour le fabricant.