Digital Quadrature Mixing of Lowpass Sigma-Delta Modulators for Switch-mode Power Amplifiers

In this paper a phase compensation technique for the digital upconversion of a quadrature signal for amplification with switch mode power amplifiers is proposed. When a digital signal generator is used to generate the complex envelope signal care must be taken to compensate for the phase skew between the two paths. If phase compensation is not implemented an image caused by up converting the complex envelope of the modulation signal is created. By compensating for phase skew between the I and Q signal paths it is possible to remove this image signal and enable the transmission of multi carrier signals. As a direct result of this technique there is a reduction in the filtering effort at the output of the power amplifier to meet spectral mask requirements

Exploração de transmissores integralmente digitais em cenários C-RAN

In order to accommodate the ever-growing demand for higher transmission rates, the next generation of mobile telecommunications (5G) will need larger bandwidths, as well as, new frequencies with available spectrum capable of accommodate such bandwidths. The rise in frequency is being pointed out as a solution for this problem, however, the low coverage areas presented by these frequency bands (mmWave) will require a new way of implementing base stations. Those, in their turn, will exist in higher numbers and closer together. It is where that the new radio access network architecture, C-RAN, may allow for the ful lment of these requirements, besides also allowing for the reduction in cost of each base station as well as providing an increase in its energy e ciency. This dissertation aims to create a point-to-point optical link based on All- Digital Transmitters (ADT) capable of being used for data transmission in the fronthaul. Taking advantage of recent developments in ADT, it is now possible to create one with large bandwidths. Besides, the eld programmable gate arrays (FPGAs) have been providing each time higher processing capacity using each time less energy, making the nal product cheaper and more e cient. Recurring to delta-sigma modulation ( M), a reduction in the complexity of the remote radio head (RRH) can be achieved. In this work the optical link that will be used to transport the data through the fronthaul will be based on an SFP. However, other techniques of radio over bre (RoF) can be used to enable, for example, optical upconversion. From the conclusion of this work, a point-to-point optical link based on an ADT was achieved with an Error Vector Magnitude (EVM) always lower than 5%. Also, from this work, two optical upconversions were developed with an output frequency range from 27 GHz up to 63 GHz.De modo a acompanhar a sempre crescente exigência de maiores taxas de transmissão, a próxima geração de telecomunicações móveis (5G) irá necessitar de maiores larguras de banda, bem como novas frequências de transmissão com espectro livre capaz de acomodar tais larguras de banda. A subida em frequência é apontada como uma solução para este problema, contudo as baixas áreas de cobertura apresentadas por estas bandas de frequência (mmWave) irão necessitar de uma nova forma de implementar estações base. Estas, por sua vez, terão de existir em maior número e mais próximas. É aqui que a nova arquitetura de redes de acesso radio, C-RAN, pode permitir cumprir com estes requisitos, além de poder baixar o custo de cada estação base e aumentar a sua eficiência energética. Esta dissertação tem como objetivo a criação de uma ligação ponto a ponto baseada em transmissores integralmente digitais (ADTs) capaz de ser usada para a transmissão de dados no fronthaul. Aproveitando os desenvolvimentos recentes nos ADT, a criação de um transmissor integralmente digital com largura de banda elevada é agora possível. Além disto, os agregados de células lógicas reprogramáveis (FPGAs) têm vindo a fornecer cada vez uma maior capacidade de processamento, usando menos energia, tornando o produto final, mais barato e mais eficiente. O recurso à modelação deltasigma ( M) no ADT poderá reduzir consideravelmente a complexidade da cabeça remota de rádio (RRH). Neste trabalho a ligaçãao ótica que irá ser usada para enviar os dados no fronthaul será baseada num SFP, mas outras técnicas de rádio sobre fibra (RoF) poderão ser também usadas de forma a possibilitar, por exemplo, upconversion ótico. Da conclusão deste trabalho resulta uma ligação ponto a ponto baseada num ADT com um Error Vector Magnitude (EVM) sempre abaixo dos 5%, bem como duas arquiteturas de upconversion ótico com uma gama possível para o sinal de saída que pode variar entre os 27 GHz e os 63 GHz. uma maior capacidade de processamento, usando menos energia, tornando o produto nal, mais barato e mais e ciente. O recurso a modelação deltasigma ( M) no ADT poder a reduzir consideravelmente a complexidade da cabeça remota de radio (RRH). Neste trabalho a ligação otica que ir a ser usada para enviar os dados no fronthaul ser a baseada num SFP, mas outras t ecnicas de r adio sobre bra (RoF) poderão ser também usadas de forma a possibilitar, por exemplo, upconversion otico. Da conclusão deste trabalho resulta uma ligação ponto a ponto baseada num ADT com um Error Vector Magnitude (EVM) sempre abaixo dos 5%, bem como duas arquiteturas de upconversion otico com uma gama possível para o sinal de saída que pode variar entre os 27 GHz e os 63 GHz.POCI-01-0247-FEDER- 024539; POCI-01-0145- FEDER-016432Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaçõe

Arquiteturas paralelas avançadas para transmissores 5G totalmente digitais

The fifth generation of mobile communications (5G) is being prepared and should be rolled out in the early coming years. Massive number of Radio-Frequency (RF) front-ends, peak data rates of 10 Gbps (everywhere and everytime), latencies lower than 10 msec and huge device densities are some of the expected disruptive capabilities. At the same time, previous generations can not be jeopardized, fostering the design of novel flexible and highly integrated radio transceivers able to support the simultaneous transmission of multi-band and multi-standard signals. The concept of all-digital transmission is being pointed out as a promising architecture to cope with such challenging requirements, due to its fully digital radio datapath. This thesis is focused on the proposal and validation of fully integrated and advanced digital transmitter architectures that excel the state-of-the-art in different figures of merit, such as transmission bandwidth, spectral purity, carrier agility, flexibility, and multi-band capability. The first part of this thesis introduces the concept of all-digital RF transmission. In particular, the foundations inherent to this thematic line are given, together with the recent advances reported in the state-of-the-art architectures.The core of this thesis, containing the main developments achieved during the Ph.D. work, is then presented and discussed. The first key contribution to the state-of-the-art is the use of cascaded Delta-Sigma (∆Σ) architectures to relax the analog filtering requirements of the conventional All-Digital Transmitters while maintaining the constant envelope waveform. Then, it is presented the first reported architecture where Antenna Arrays are directly driven by single-chip and single-bit All-Digital Transmitters, with promising results in terms of simplification of the RF front-ends and overall flexibility. Subsequently, the thesis proposes the first reported RF-stage All-Digital Transmitter that can be embedded within a single Field-Programmable Gate Array (FPGA) device. Thereupon, novel techniques to enable the design of wideband All-Digital Transmitters are reported. Finally, the design of concurrent multi-band transmitters is introduced. In particular, the design of agile and flexible dual and triple bands All-DigitalTransmitter (ADT) is demonstrated, which is a very important topic for scenarios that demand carrier aggregation. This Ph.D. contributes withseveral advances to the state-of-the-art of RF all-digital transmitters.A quinta geração de comunicações móveis (5G) está a ser preparada e deve ser comercializada nos próximos anos. Algumas das caracterı́sticas inovadoras esperadas passam pelo uso de um número massivo de font-ends de Rádio-Frequência (RF), taxas de pico de transmissão de dados de 10 Gbps (em todos os lugares e em todas as ocasiões), latências inferiores a 10 mseg e elevadas densidades de dispositivos. Ao mesmo tempo, as gerações anteriores não podem ser ignoradas, fomentando o design de novos transceptores de rádio flexı́veis e altamente integrados, capazes de suportar a transmissão simultânea de sinais multi-banda e multi-standard. O conceito de transmissão totalmente digital é considerado como um tipo de arquitetura promissora para lidar com esses requisitos desafiantes, devido ao seu datapath de rádio totalmente digital. Esta tese é focada na proposta e validação de arquiteturas de transmissores digitais totalmente integradas e avançadas que ultrapassam o estado da arte em diferentes figuras de mérito, como largura de banda de transmissão, pureza espectral, agilidade de portadora, flexibilidade e capacidade multibanda. A primeira parte desta tese introduz o conceito de transmissores de RF totalmente digitais. Em particular, os fundamentos inerentes a esta linha temática são apresentados, juntamente com os avanços mais recentes do estado-da-arte. O núcleo desta tese, contendo os principais desenvolvimentos alcançados durante o trabalho de doutoramento, é então apresentado e discutido. A primeira contribuição fundamental para o estado da arte é o uso de arquiteturas em cascata com moduladores ∆Σ para relaxar os requisitos de filtragem analógica dos transmissores RF totalmente digitais convencionais, mantendo a forma de onda envolvente constante. Em seguida, é apresentada a primeira arquitetura em que agregados de antenas são excitados diretamente por transmissores digitais de um único bit inseridos num único chip, com resultados promissores em termos de simplificação dos front-ends de RF e flexibilidade em geral. Posteriormente, é proposto o primeiro transmissor totalmente digital RF-stage relatado que pode ser incorporado dentro de um único Agregado de Células Lógicas Programáveis. Novas técnicas para permitir o desenho de transmissores RF totalmente digitais de banda larga são também apresentadas. Finalmente, o desenho de transmissores simultâneos de múltiplas bandas é exposto. Em particular, é demonstrado o desenho de transmissores de duas e três bandas ágeis e flexı́veis, que é um tópico essencial para cenários que exigem agregação de múltiplas bandas.Apoio financeiro da Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) no âmbito de uma bolsa de doutoramento, ref. PD/BD/105857/2014.Programa Doutoral em Telecomunicaçõe

Bit-stream adders and multipliers for tri-level sigma-delta modulators

We propose both adder and multiplier circuits for bit-stream signal processing customized for tri-level sigma-delta modulated signals. These architectures are the 2-bit extensions from the existing 1-bit bit-stream adders and multipliers, and are shown to offer better signal-to-noise performance. Field-programmable gate array implementations then confirm their efficacy. © 2007 IEEE.published_or_final_versio

Novas arquiteturas para transmissores digitais flexíveis e de banda larga

Next generation of wireless communication (5G) devices must achieve higher data rates, lower power consumption and better coverage by making a more efficient use of the RF spectrum and adopting highly exible radio architectures. To meet these requirements, the development of new radio devices will be far more complex and challenging than their predecessors. The future of radio communications have a twofold evolution, being one the low power consumption and the other the adaptability and intelligent use of the available resources. Conventional approaches for the radio physical layer are not capable to cope with the new demand for multi-band, multi-standard radio signals and present an inefficient and expensive solution for simultaneous transmission of multiple and heterogeneous radio signals. Digital radio transmitters have been presented as a solution for a newer and more exible architecture for future radios. All-digital transmitters use a completely digital implementation of the entire radio datapath from the baseband processing to the digital RF up-conversion. This concept bene ts from the use of highly integrated hardware together with a strong radio digitalization, motivated by the exibility and high performance from cognitive and software defi ned radio. However, such devices are still far from a massive deployment in most of communication scenarios due to some limiting factors that hinder their use. This PhD thesis aims to the development of novel radio architectures and ideas based on all-digital transmitters capable of improving the adaptability and use intelligently the available resources for software de ned and cognitive radio systems. The focus of this thesis is on the improvement of some of the common limitations for all-digital transmitters such as power efficiency, bandwidth, noise-shaping and exibility while using efficient and adaptable digital architectures. In the initial part of the thesis a review of the state-of-the-art is presented showing the most common digital transmitter architectures as well as their major bene ts and key limitations. A comparative analysis of such architectures is made considering their power and spectral efficiency, exibility, performance and cost. Following this initial analysis, the work developed on the course of this PhD is presented and discussed. The initial focus is on the improvement of all-digital transmitters bandwidth trough the study and use of parallel processing techniques capable of greatly improve common bandwidth values presented in the state-of-the-art. The presented work has resulted in several publications where FPGA-based architectures use parallel digital processing techniques to improve the system's bandwidth by a factor higher than 10. Other fundamental contribution of this thesis is focused on the pulsedtransmitters coding efficiency. In this section of the thesis, a method is presented showing the reduction of the quantization noise created by low amplitude resolution digital transmitters using multiple combined pulsedtransmitters to cancel the noise in speci c frequencies. This work has resulted in two main publications that showed how to increase the coding efficiency of the pulse-transmitters as well as the overall efficiency of the transmission system. Lastly, new-noise shaping methods are presented in order to develop new and more exible architectures for all-digital transmitters. The methods presented use new quantization processes that allow for the shaping of the quantization noise produced in pulsed-transmitters while using very simple and adaptable architectures. With these new techniques, it is possible to adjust the noise frequency distribution and deliberately change the noise shape in order to change some of the transmitter's characteristics such as central frequency or bandwidth. The work presented on this thesis has shown promising improvements to the all-digital transmitters' state-of-the-art, either in simulations and laboratory prototype measurements. It has contributed to advance the state-of-the-art in agile and power efficient all-digital RF transmitters with multi-mode and multi-channel capabilities and the improvement of the transceiver's bandwidth enabling the development of true software de ned and cognitive radio systemsA próxima geração de comunicações sem os (5G) exigirá taxas de transmissão mais elevadas, maior efi ciência energética e uma melhor cobertura fazendo um uso mais efi ciente do espectro de radiofrequência e adotando o uso de arquiteturas rádio mais flexíveis. Para cumprir tais requisitos, o desenvolvimento de novos dispositivos rádio será substancialmente mais complexo do que nas gerações anteriores. O futuro das comunicações rádio depende maioritariamente de dois fatores; o baixo consumo de potência e o uso inteligente dos recursos e tecnologias disponíveis. As abordagens convencionais para a camada física dos sistemas rádio não são as mais adequadas para lidar com a necessidade de dispositivos multi-banda e que usem múltiplos standards, por serem soluções inefi cientes e demasiado caras para esse efeito. Os transmissores rádio completamente digitais têm vindo a ser apresentados na literatura como uma solução inovadora e mais flexível para a implementação dos futuros sistemas de rádio. Os transmissores completamente digitais apresentam uma implementação da cadeia de processamento rádio, desde a banda-base até à conversão para RF, completamente constituída por lógica digital. Este conceito tira partido da vasta integração alcançada nas arquiteturas digitais, juntamente com a flexibilidade proveniente da digitalização das arquiteturas rádio que já se encontra em curso com a evolução dos rádios cognitivos e definidos por software. No entanto, devido a algumas limitações inerentes à tecnologia, este tipo de transmissores ainda não é amplamente utilizado na maioria dos sistemas. Esta tese de doutoramento propõe e avalia novas arquiteturas para transmissores completamente digitais, bem como novas técnicas de processamento de sinal que possam beneficiar das tecnologias de implementação existentes (e.g. FPGAs) por forma a construir novos transmissores digitais de forma eficiente e flexível. O objetivo desta tese é reduzir as limitações atuais ainda presentes neste tipo de transmissores, nomeadamente as relacionadas com a eficiência, largura de banda, cancelamento de ruído e falta de flexibilidade. Na parte inicial desta tese é realizada a revisão do estado da arte das diversas topologias de transmissores digitais bem como as suas principais vantagens e limitações técnicas. É também feita uma análise comparativa das diversas técnicas apresentadas em termos da sua eficiência energética, flexibilidade, desempenho e custo. De seguida, é apresentado o trabalho desenvolvido no contexto desta tese de doutoramento, seguindo-se uma discussão focada na resolução das atuais limitações deste tipo de transmissores. A primeira parte foca-se no uso de técnicas de processamento paralelo de sinal, por forma a suportar sinais de largura de banda mais elevada que os reportados no atual estado da arte. O trabalho desenvolvido e publicado baseia-se no uso de arquiteturas implementadas em FPGA que contribuíram para um aumento da largura de banda num fator de aproximadamente dez vezes. Outra das contribuições fundamentais desta tese consiste no aumento da eficiência do sistema através da melhoria da eficiência de codificação do sinal pulsado produzido. Com base no uso de múltiplos transmissores pulsados, e apresentado um esquema de combinação construtiva e destrutiva de sinais para a redução do ruído de quantização proveniente das técnicas de processamento de sinal pulsado usadas. Este trabalho resultou em duas importantes publicações que mostram que a melhoria da eficiência de codificação do sinal pode ser utilizada de forma a obter uma maior eficiência energética do transmissor. Por ultimo, são apresentadas diversas técnicas para a conversão dos sinais banda-base em sinais RF pulsados. As propostas apresentadas permitem o uso de uma arquitetura de hardware simplista, mas configurável por software, o que a torna bastante flexível. Com o uso desta arquitetura e possível alterar em pleno funcionamento a frequência central bem como a largura de banda e resposta do conversor pulsado. O trabalho apresentado nesta tese demonstra alguns dos melhoramentos no estado da arte para transmissores r adio completamente digitais, baseando os resultados obtidos não apenas em simulações mas também na implementação e medidas realizadas sobre protótipos laboratoriais. O trabalho desenvolvido no âmbito desta tese contribuiu com avanços na implementação de transmissores ageis, eficientes, com maior largura de banda e capazes de transmissão em múltiplas bandas com recurso a múltiplos protocolos, abrindo caminho para o desenvolvimento de novos rádios cognitivos e definidos por softwareFCT, FSEPrograma Doutoral em Engenharia Eletrotécnic

Survey of FPGA applications in the period 2000 – 2015 (Technical Report)

Romoth J, Porrmann M, Rückert U. Survey of FPGA applications in the period 2000 – 2015 (Technical Report).; 2017.Since their introduction, FPGAs can be seen in more and more different fields of applications. The key advantage is the combination of software-like flexibility with the performance otherwise common to hardware. Nevertheless, every application field introduces special requirements to the used computational architecture. This paper provides an overview of the different topics FPGAs have been used for in the last 15 years of research and why they have been chosen over other processing units like e.g. CPUs

FPGA implementation of OFDM signals for application to radio-over-fiber systems

Foi Implementado a geração de sinais OFDM em Matlab/System Generator e feita a validação funcional do hardware bem como a verificação em FPGA do sistema implementado. Validação do sistema em laboratório usando o spectrum analyzer

Analysis and design of ΣΔ Modulators for Radio Frequency Switchmode Power Amplifiers

Power amplifiers are an integral part of every basestation, macrocell, microcell and mobile phone, enabling data to be sent over the distances needed to reach the receiver’s antenna. While linear operation is needed for transmitting WCDMA and OFDM signals, linear operation of a power amplifier is characterized by low power efficiency, and contributes to unwanted power dissipation in a transmitter. Recently, a switchmode power amplifier operation was considered for reducing power losses in a RF transmitter. A linear and efficient operation of a PA can be achieved when the transmitted RF signal is ΣΔ modu- lated, and subsequently amplified by a nonlinear device. Although in theory this approach offers linearity and efficiency reaching 100%, the use of ΣΔ modulation for transmitting wideband signals causes problems in practical implementation: it requires high sampling rate by the digital hardware, which is needed for shaping large contents of a quantization noise induced by the modulator but also, the binary output from the modulator needs an RF power amplifier operating over very wide frequency band. This thesis addresses the problem of noise shaping in a ΣΔ modulator and nonlinear distortion caused by broadband operation in switchmode power amplifier driven by a ΣΔ modulated waveform. The problem of sampling rate increase in a ΣΔ modulator is solved by optimizing structure of the modulator, and subsequent processing of an input signal’s samples in parallel. Independent from the above, a novel technique for reducing quan- tization noise in a bandpass ΣΔ modulator using single bit quantizer is presented. The technique combines error pulse shaping and 3-level quantization for improving signal to noise ratio in a 2-level output. The improvement is achieved without the increase of a digital hardware’s sampling rate, which is advantageous also from the perspective of power consumption. The new method is explored in the course of analysis, and verified by simulated and experimental results. The process of RF signal conversion from the Cartesian to polar form is analyzed, and a signal modulator for a polar transmitter with a ΣΔ-digitized envelope signal is designed and implemented. The new modulator takes an advantage of bandpass digital to analog conversion for simplifying the analog part of the modulator. A deformation of the pulsed RF signal in the experimental modulator is demonstrated to have an effect primarily on amplitude of the RF signal, which is correctable with simple predistortion