Multiple rates multiple paths wideband digital transmitter with low spurious emissions applied to opportunistic radio

par Arnaud Werquin

Thèse de doctorat en Micro et nanotechnologie, acoustique et télécommunications

Sous la direction de Andreas Kaiser et de Antoine Frappé.

  • Titre traduit

    Transmetteur numérique large bande multi-cadence multi-voie à faible émission parasite appliqué à la radio opportuniste


  • Résumé

    Les terminaux de communications sans fil évoluent en des terminaux supportant plusieurs standards. L'un des challenges est d'utiliser le meilleur standard au bon moment. L'émetteur d'une radio cognitive agile en fréquence se doit d'être reconfigurable afin de transmettre l'information dans des bandes fréquentielles sous utilisées et d'avoir recours au standard offrant la meilleure qualité de communication. L'élément le plus critique dans un émetteur est l'étage de puissance et sa connexion avec l'antenne. Les principaux problèmes devant être pris en compte par l'amplificateur de puissance (PA) sont: la linéarité, la puissance délivrée à l'antenne et le rendement. Un émetteur numérique basé sur un amplificateur de puissance commandé numériquement (DPA) est étudié et un prototype a été implémenté afin de démontrer la faisabilité du concept. Le DPA est principalement utilisé dans les architectures polaires plutôt que cartésienne. L'architecture proposée est basée sur une approche à multiple voies combinée à une conversion de fréquences. La diversité introduite sur les fréquences d'échantillonnage permet de contrôler le niveau d'impuretés spectrales émisses. Celles-ci proviennent de la conversion directe numérique vers RF. Cette conversion est réalisée par le DPA sans le recours à des filtres passifs. Les émetteurs implémentés en technologies CMOS avancées ont souvent recours à une architecture à multiple voies. L'approche présentée dans ce manuscrit tire avantage de cette structure parallèle afin de générer des signaux portant la même information mais échantillonnés à des fréquences différentes. Le standard LTE a été pris comme standard de référence, et un modulateur d'enveloppe a été conçu en technologie CMOS 65nm. Les conversions de fréquences bande de base et la logique de contrôle on été implémentées sur FPGA. La recombinaison des voies est réalisée à l'aide de composants discrets. Le prototype de modulateur d'enveloppe numérique réalisé, démontre le principe d'atténuation d'images pouvant atteindre 6dB dans le cas d'un système à deux voies. Les DPAs supportent quatre fréquences d'échantillonnage {100 MS/s; 133 MS/s; 152 MS/s; 160MS/s}. L'amplificateur délivre jusqu'à 16.7dBm sur la bande 0.9 à 1.9 GHz et assure un PAE de 12.4% avec un EVMrms de -28dB. Le prototype a été testé avec des signaux LTE de 10 MHz et 802.11g de 20 MHz. La surface totale occupée par le circuit est de 1.04mm² tandis que la surface dédié aux DPAs et logique de contrôle occupent seulement 0.25mm².


  • Résumé

    Wireless communication terminals are evolving towards multi-standard terminals. One of the challenges is to use the best standard available at the right moment. The transmit part of a frequency agile cognitive radio must be highly reconfigurable in order to transmit information in an unused spectral zone and to use the suitable standard to obtain the optimum communication. The most critical element in a transmitter is the power amplifier and its interface with the antenna. Key problems that need to be addressed by the Power Amplifier (PA) are the linearity, ability to deliver power to the antenna and efficiency. In this work a digital transmitter based on a digitally controlled power amplifier (DPA) is investigated, and a prototype has been implemented to prove the feasibility of the concept. The DPA is mostly used in polar transmitters rather than Cartesian ones. The proposed architecture is based on multi-path approach with different sample rate conversions. This diversity of sample rates helps to manage the spurious emissions due to the direct digital to RF conversion performed by the DPA without the need of passive filters. The transmitters implemented in advanced CMOS process are commonly based on multiple paths architecture. The approach proposed in this work takes advantage of this parallel structure to generate several signals with the same information but with different sample rates. The LTE standard has been taken as the standard example, and a 2-path digital envelope modulator has been designed in a 65nm CMOS technology. The baseband sample rate conversions and control logic have been implemented on FPGA. The path recombination is performed with o_-board components. The fabricated prototype digital envelope modulator IC demonstrates the image attenuation principle with up to 6dB attenuation. The DPAs support four sample rates {100 MS/s; 133 MS/s; 152 MS/s; 160MS/s}. The amplifier delivers up to 16.7dBm over a 0.9 - 1.9 GHz band while providing 12.4% PAE and a -28dB EVMrms.The prototype was tested with a 10 MHz LTE and a 20 MHz 802.11g standards. The total circuit occupies 1.04mm² and the area dedicated to the DPA and control logic only occupies 0.25mm².


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