Design and analysis of multi-element antenna systems and agile radiofrequency frontends for automotive applications

Vehicular connectivity serves as one of the major enabling technologies for current applications like driver assistance, safety and infotainment as well as upcoming features like highly automated vehicles - all of which having certain quality of service requirements, e. g. datarate or reliability. This work focuses on vehicular integration of multiple-input-multiple-output (MIMO) capable multielement antenna systems and frequency-agile radio frequency (RF) front ends to cover current and upcoming connectivity needs. It is divided in four major parts. For each part, mostly physical layer effects are analyzed (any performance lost on physical layer, cannot be compensated in higher layers), sensitivities are identified and novel concepts are introduced based on the status-quo findings.Fahrzeugvernetzung dient als eine der wesentlichsten Befähigungstechnologien für moderne Fahrerassistenzsysteme und zukünftig auch hochautomatisiertes Fahren. Sowohl die heutigen als auch zukünftige Anwendungen haben besondere Dienstgüteanforderungen, z.B. in Bezug auf die Datenrate oder Verlässlichkeit. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Integration von Mehrantennensystemen für MIMO-Funkanwendungen (MIMO: engl. Multiple Input Multiple Output) sowie von frequenzagilen Hochfrequenzfrontends im Fahrzeugumfeld untersucht, um so eine technische Grundlage für zukünftige Anforderungen an die automobile Vernetzung anbieten zu können. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse lassen sich in vier Teile gliedern. Grundsätzlich konzentrieren sich die Untersuchungen vorrangig auf die physikalische Ebene. Auf Basis des aktuellen Status Quo werden Sensitivitäten herausgearbeitet, neue Konzepte hergeleitet und entwickelt

Contribution to the design of continuous -time Sigma - Delta Modulators based on time delay elements

The research carried out in this thesis is focused in the development of a new class of data converters for digital radio. There are two main architectures for communication receivers which perform a digital demodulation. One of them is based on analog demodulation to the base band and digitization of the I/Q components. Another option is to digitize the band pass signal at the output of the IF stage using a bandpass Sigma-Delta modulator. Bandpass Sigma- Delta modulators can be implemented with discrete-time circuits, using switched capacitors or continuous-time circuits. The main innovation introduced in this work is the use of passive transmission lines in the loop filter of a bandpass continuous-time Sigma-Delta modulator instead of the conventional solution with gm-C or LC resonators. As long as transmission lines are used as replacement of a LC resonator in RF technology, it seems compelling that transmission lines could improve bandpass continuous-time Sigma-Delta modulators. The analysis of a Sigma- Delta modulator using distributed resonators has led to a completely new family of Sigma- Delta modulators which possess properties inherited both from continuous-time and discretetime Sigma-Delta modulators. In this thesis we present the basic theory and the practical design trade-offs of this new family of Sigma-Delta modulators. Three demonstration chips have been implemented to validate the theoretical developments. The first two are a proof of concept of the application of transmission lines to build lowpass and bandpass modulators. The third chip summarizes all the contributions of the thesis. It consists of a transmission line Sigma-Delta modulator which combines subsampling techniques, a mismatch insensitive circuitry and a quadrature architecture to implement the IF to digital stage of a receiver

Subsampling receivers with applications to software defined radio systems

Este trabajo de tesis propone la utilización sistemas basados en submuestreo como una alternativa para la implementación de la etapa de down-conversion de los receptores de radio frecuencia (RF) empleados para aplicaciones multi-estándar y SDR (Software Defined Radio). El objetivo principal será el de optimizar el diseño en cuanto a flexibilidad y simplicidad, las cuales son propiedades inherentes en los sistemas basados en submuestreo. Por tanto, como reducir el número de componentes al mínimo es clave cuando un mismo receptor procesa diferentes estándares de comunicación, las arquitecturas basadas en submuestreo han sido seleccionadas, donde la reusabilidad de los componentes empleados es posible, así como la reducción de los costes totales de los receptores de comunicación y de los equipos de certificación que emplean estas arquitecturas. Un motivo adicional por el que los sistemas basados en submuestreo han sido seleccionados es el concerniente a la topología del receptor. Como la idea de la tecnología SDR es implementar todas las funcionalidades del receptor (filtrado, amplificación) en el dominio digital, el convertidores analógico-digital (ADC) deberá estar localizado en la cadena de recepción lo más cerca posible a la antena, siendo el objetivo final el convertir la señal directamente de RF a digital. Sin embargo, con los actuales ADC no es posible implementar esta idea debido al alto ancho de banda que necesitarían sin perder resolución para cubrir las especificaciones de los estándares de comunicaciones inalámbricas. Por tanto, los sistemas basados en submuestreo se presentan como la opción más adecuada para implementar este tipo de sistemas debido a que pueden muestrear la señal de entrada por debajo de la tasa de Nyquist, si se cumplen ciertas restricciones en cuanto a la elección de la frecuencia de muestreo. De este modo, los requerimientos del ADC serán relajados ya que, usando estas arquitecturas, este componente procesará la señal a frecuencias intermedias. Una vez se han introducido los conceptos principales de las técnicas de submuestreo, esta tesis doctoral presenta el diseño de una tarjeta de adquisición de datos basada en submuestreo con la finalidad de ser implementada como un receptor de test y certificación de banda ancha. El sistema propuesto proporciona una alta resolución para un elevado ancho de banda, a partir del uso de un S&H de bajo jitter y de un convertidor analógico digital ADC que trabaja a frecuencias intermedias. El sistema es implementado usando dispositivos comerciales en una placa de circuito impreso diseñada y fabricada, y cuya caracterización experimental muestra una resolución de más 8 bits para un ancho de banda analógico de 20 MHz. Concretamente, la resolución medida será mayor de 9 bits hasta una frecuencia de entrada de 2.9 GHz y mayor de 8 bits para una frecuencia de entrada de hasta 6.5 GHz, lo cual resulta suficiente para cubrir los requerimientos de la mayor parte de los actuales estándares de comunicaciones inalámbricas (GPS, GSM, GPRS, UMTS, Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX). Sin embargo, los receptores basados en submuestreo presentan algunos importantes inconvenientes, como son adicionales fuentes de ruido (jitter y plegado de ruido térmico) y una dificultad añadida para implementarlo en escenarios multi-banda y no lineales. Acerca del plegado de ruido en la banda de interés, esta tesis propone el uso de una técnica basada en una arquitectura de reloj múltiple con el objetivo de aumentar la resolución y cubrir un número mayor de estándares para su test y certificación. Empleando una frecuencia de muestreo mayor para el caso del S&H, se conseguirá reducir este efecto, aumentando la resolución en aproximadamente 0.5-1 bit respecto al caso de sólo usar una fuente de reloj. Las expresiones teóricas de esta mejora son desarrolladas y presentadas en esta tesis, siendo posteriormente corroboradas de modo experimental. Por otra parte, esta tesis también propone novedosas técnicas para la aplicación de estos sistemas de submuestreo en entornos multi-banda y no lineales, los cuales presentan desafíos adicionales por el hecho de existir la posibilidad de solapamiento entre la señal de interés y los otros canales de comunicación, así como de solapamiento con sus armónicos. De este modo, esta tesis extiende el uso de los sistemas basados en submuestreo para este tipo de entornos, proponiendo técnicas para la elección de la frecuencia óptima de muestreo que evitan el solapamiento entre señales, a la vez que consiguen incrementar la resolución del receptor. Finalmente, se presentará la optimización en cuanto a características de ruido de un receptor concreto para aplicaciones de banda dual en entornos no lineales. Dicho receptor estará basado en las técnicas de reloj múltiple presentadas anteriormente y en una estructura de multi-filtro entre el S&H y el ADC. El sistema diseñado podrá emplearse para diversas aplicaciones a ambos lados de la cadena de comunicación, tal como en receptores de detección de espectro para radio cognitiva, o implementando el bucle de realimentación de un transmisor para la linealización de amplificadores de potencia. Por tanto, la presente tesis doctoral cuenta con tres contribuciones diferenciadas. La primera de ellas es la dedicada al diseño de un prototipo de recepción multi-estándar basado en submuestreo para aplicaciones de test y certificación. La segunda aportación es la dedicada a la optimización de las especificaciones de ruido a partir de las técnicas presentadas basadas en reloj múltiple. Por último, la tercera contribución principal es la relacionada con la extensión de este tipo de técnicas a sistemas multi-banda en entornos no lineales. Todas estas contribuciones han sido estudiadas teóricamente y experimentalmente validadas

Design, analysis and evaluation of sigma-delta based beamformers for medical ultrasound imaging applications

The inherent analogue nature of medical ultrasound signals in conjunction with the abundant merits provided by digital image acquisition, together with the increasing use of relatively simple front-end circuitries, have created considerable demand for single-bit beamformers in digital ultrasound imaging systems. Furthermore, the increasing need to design lightweight ultrasound systems with low power consumption and low noise, provide ample justification for development and innovation in the use of single-bit beamformers in ultrasound imaging systems. The overall aim of this research program is to investigate, establish, develop and confirm through a combination of theoretical analysis and detailed simulations, that utilize raw phantom data sets, suitable techniques for the design of simple-to-implement hardware efficient digital ultrasound beamformers to address the requirements for 3D scanners with large channel counts, as well as portable and lightweight ultrasound scanners for point-of-care applications and intravascular imaging systems. In addition, the stability boundaries of higher-order High-Pass (HP) and Band-Pass (BP) Σ−Δ modulators for single- and dual- sinusoidal inputs are determined using quasi-linear modeling together with the describing-function method, to more accurately model the modulator quantizer. The theoretical results are shown to be in good agreement with the simulation results for a variety of input amplitudes, bandwidths, and modulator orders. The proposed mathematical models of the quantizer will immensely help speed up the design of higher order HP and BP Σ−Δ modulators to be applicable for digital ultrasound beamformers. Finally, a user friendly design and performance evaluation tool for LP, BP and HP modulators is developed. This toolbox, which uses various design methodologies and covers an assortment of modulators topologies, is intended to accelerate the design process and evaluation of modulators. This design tool is further developed to enable the design, analysis and evaluation of beamformer structures including the noise analyses of the final B-scan images. Thus, this tool will allow researchers and practitioners to design and verify different reconstruction filters and analyze the results directly on the B-scan ultrasound images thereby saving considerable time and effort

Undersampling bandpass modulator architectures

Continuous-time delta sigma modulators -- Undersampling Delta-sigma modulators for radio receivers -- A novel continuous-time delta sigma modulator -- New delta modulator based on undersampling

Outils d'analyse, de modélisation et de commande pour les radiocommunications Application aux amplificateurs de puissance

L'évolution croissante des télécommunications résulte de la combinaison de plusieurs facteurs comme les progrès de l'électronique, de la micro-électronique, de la radiofréquence mais aussi des avancées des techniques de communications numériques. Dans ce contexte, les études s'orientent de plus en plus vers l'amélioration de la couverture et de la qualité de service offertes aux usagers. C'est dans ce contexte que s'inscrivent les travaux exposés dans le cadre de cette Habilitation à Diriger des Recherches. Les problématiques soulevées concernent : - la connaissance et la maîtrise du comportement des composants en présence de signaux large bande, multiporteuses, - l'amélioration de la qualité des transmissions en tenant compte des aspects énergétiques, - la reconfigurabilité et l'adaptation des nouveaux systèmes à la multiplication des normes et des standards de communications. Pour chaque problématique, nous avons proposé des solutions théoriques et pratiques avec comme fil conducteur l'utilisation et la mise en \oe uvre d'outils issus de l'Automatique comme l'estimation paramétrique, la commande et la linéarisation, l'optimisation, etc. Concernant la modélisation des fonctions électroniques RF, je présente mes travaux concernant la prise en compte des effets statiques et dynamiques en temps continu et discret. Pour les circuits hautes fréquences qui se caractérisent par des constantes de temps avec des ordres de grandeurs divers, nous avons montré qu'il est important d'envisager la modélisation selon l'application visée et en déployant des outils d'estimation paramétrique adaptés. Des problématiques telles que la normalisation de l'espace paramétrique, l'initialisation, la convergence sont étudiées pour répondre aux caractéristiques des systèmes de radiocommunications.Dans le chapitre consacré à l'amélioration de la linéarité et du rendement, nous avons présenté des techniques de correction des imperfections des amplificateurs de puissances ainsi que des méthodes de traitement du signal qui permettent de réduire leurs impacts sur la transmission. Concernant la linéarisation, nous avons commencé par une comparaison d'une technique Feedback et d'un linéariseur à base d'une prédistorsion polynomiale sans mémoire. Cette étude a mis en évidence l'intérêt d'adjoindre de la mémoire sous forme de retards dans le linéariseur. Les fortes fluctuations des signaux multiporteuses, mesurées par le PAPR pour Peak-to-Average Power Ratio, contribuent aussi à dégrader le bilan énergétique de l'émetteur. La majorité des travaux sur la réduction du PAPR se limite à l'étude des performances en termes de gain de réduction, sans aborder la qualité de transmission en présence d'imperfections réalistes des éléments non-linéaires. C'est dans ce contexte que nous avons analysé cette problématique pour un système MIMO-OFDM en boucle fermée avec prise en compte du canal, des non-linéarités, des effets mémoires et des critères visuels permettant d'évaluer la qualité des transmissions de données multimédias.Le développement d'architectures entièrement numérique, reconfigurables est traité en dernière partie de ce cette HDR. Pour cette large thématique, nous proposons des améliorations pour des coefficients des modulateurs afin d'obtenir une fonction de transfert du bruit respectant un gabarit fréquentiel donné. La correction des erreurs de calcul dus aux coefficients du type 1/$2^L$. Cette correction est basée sur la ré-injection de l'erreur au sein de la boucle directe à travers un filtre numérique

Proceedings of the Second International Mobile Satellite Conference (IMSC 1990)

Presented here are the proceedings of the Second International Mobile Satellite Conference (IMSC), held June 17-20, 1990 in Ottawa, Canada. Topics covered include future mobile satellite communications concepts, aeronautical applications, modulation and coding, propagation and experimental systems, mobile terminal equipment, network architecture and control, regulatory and policy considerations, vehicle antennas, and speech compression

Automatic calibration of modulated fractional-N frequency synthesizers

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2001.Includes bibliographical references (p. 145-148).This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.The focus of this research has been the development of a low power, radio frequency transmitter architecture. Specifically, a technique for in service automatic calibration of a modulated phase locked loop (PLL) frequency synthesizer has been developed. Phase/frequency modulation is accomplished by modulating the feedback divide value in a phase locked loop frequency synthesizer. A digital precompensation filter is used to extend the modulation bandwidth by canceling the low-pass transfer function of the PLL. The automatic calibration circuit maintains accurate matching between the digital precompensation filter and the analog PLL transfer function across process and temperature variations. The automatic calibration circuit, which is the main contribution of this thesis, operates while the transmitter is in service. This online calibration eliminates the need for production calibration and periodic down time for calibration cycles.(cont.) In addition the calibration circuitry provides greater accuracy in the modulation than what is possible via offline methods of calibration. The calibration circuit works with M-ary GFSK as well as 2 level GFSK. The automatic calibration circuit has been implemented in two forms to prove its operation. The first version is a circuit board level implementation with a center frequency of around 60 MHz. The second implementation of the system is in a full custom 0.6 ,Lm BiCMOS integrated circuit. The integrated circuit contains the complete synthesizer with automatic calibration and operates in the 1.88 GHz frequency band used by the Digital European Cordless Telephone (DECT) standard. A data rate of 2.5 Mbps using 2 level GFSK and 5.0 Mbps using 4 level GFSK has been achieved with a power consumption of 78 mW.by Daniel R. McMahill.Ph.D