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

Transmissores reconfiguráveis para rádios definidos por software

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaFlexible radio transmitters based on the Software-Defined Radio (SDR) concept are gaining an increased research importance due to the unparalleled proliferation of new wireless standards operating at different frequencies, using dissimilar coding and modulation schemes, and targeted for different ends. In this new wireless communications paradigm, the physical layer of the radio transmitter must be able to support the simultaneous transmission of multi-band, multi-rate, multi-standard signals, which in practice is very hard or very inefficient to implement using conventional approaches. Nevertheless, the last developments in this field include novel all-digital transmitter architectures where the radio datapath is digital from the baseband up to the RF stage. Such concept has inherent high flexibility and poses an important step towards the development of SDR-based transmitters. However, the truth is that implementing such radio for a real world communications scenario is a challenging task, where a few key limitations are still preventing a wider adoption of this concept. This thesis aims exactly to address some of these limitations by proposing and implementing innovative all-digital transmitter architectures with inherent higher flexibility and integration, and where improving important figures of merit, such as coding efficiency, signal-to-noise ratio, usable bandwidth and in-band and out-of-band noise will also be addressed. In the first part of this thesis, the concept of transmitting RF data using an entirely digital approach based on pulsed modulation is introduced. A comparison between several implementation technologies is also presented, allowing to state that FPGAs provide an interesting compromise between performance, power efficiency and flexibility, thus making them an interesting choice as an enabling technology for pulse-based all-digital transmitters. Following this discussion, the fundamental concepts inherent to pulsed modulators, its key advantages, main limitations and typical enhancements suitable for all-digital transmitters are also presented. The recent advances regarding the two most common classes of pulse modulated transmitters, namely the RF and the baseband-level are introduced, along with several examples of state-of-the-art architectures found on the literature. The core of this dissertation containing the main developments achieved during this PhD work is then presented and discussed. The first key contribution to the state-of-the-art presented here consists in the development of a novel ΣΔ-based all-digital transmitter architecture capable of multiband and multi-standard data transmission in a very flexible and integrated way, where the pulsed RF output operating in the microwave frequency range is generated inside a single FPGA device. A fundamental contribution regarding the simultaneous transmission of multiple RF signals is then introduced by presenting and describing novel all-digital transmitter architectures that take advantage of multi-gigabit data serializers available on current high-end FPGAs in order to transmit in a time-interleaved approach multiple independent RF carriers. Further improvements in this design approach allowed to provide a two-stage up-conversion transmitter architecture enabling the fine frequency tuning of concurrent multichannel multi-standard signals. Finally, further improvements regarding two key limitations inherent to current all-digital transmitter approaches are then addressed, namely the poor coding efficiency and the combined high quality factor and tunability requirements of the RF output filter. The followed design approach based on poliphase multipath circuits allowed to create a new FPGA-embedded agile transmitter architecture that significantly improves important figures of merit, such as coding efficiency and SNR, while maintains the high flexibility that is required for supporting multichannel multimode data transmission.Transmissores de rádio flexíveis baseados no conceito do Rádio Definido por Software (SDR) estão a receber uma crescente importância de investigação essencialmente devido à proliferação sem precedentes de novos standards de comunicações wireless que trabalham em frequências diferentes, usando esquemas de modulação e codificação dissimilares, estando direcionados para os mais diversos fins. Neste novo paradigma de comunicações wireless, a camada física do transmissor rádio tem de ser capaz de suportar a transmissão simultânea de sinais provenientes de diferentes standards, operando em diferentes bandas de frequências e com diferentes ritmos de transmissão, o que na prática é muito difícil ou muito ineficiente de implementar utilizando abordagens convencionais. Contudo, os últimos desenvolvimentos nesta área incluem novas arquiteturas de transmissão inteiramente digitais onde o datapath do rádio é digital desde a banda base até ao RF. Tal conceito tem uma elevada flexibilidade e representa um passo importante para o desenvolvimento de transmissores baseados em SDR. No entanto, a implementação de tal rádio para cenários de comunicação reais é uma tarefa desafiadora, onde algumas limitações chave estão ainda impedindo uma maior adopção deste conceito. Esta tese tem como principal objetivo o de investigar algumas destas limitações, propondo e implementando arquiteturas inovadoras de transmissão inteiramente digitais com inerente elevada flexibilidade e integração, e onde melhorar importantes figuras de mérito, tais como a eficiência de codificação, a relação sinal-ruído, a largura de banda utilizável e o ruído dentro e fora da banda também serão abordadas. Na primeira parte deste trabalho é introduzido o conceito de transmissão de dados RF utilizando uma abordagem totalmente digital, baseada em modulação por impulsos. Uma comparação entre diversas tecnologias de implementação é também apresentada, permitindo afirmar que as FPGAs actuais oferecem um compromisso interessante entre desempenho, eficiência de energia e flexibilidade, tornando-as uma escolha interessante como uma tecnologia de implementação com elevado potencial para transmissores completamente digitais baseados em moduladores pulsados. Após esta discussão são apresentados os conceitos fundamentais inerentes aos moduladores pulsados e introduzidos os avanços relativos a transmissores RF modulados por pulsos, juntamente com vários exemplos de arquiteturas do estado da arte encontrados na literatura. Em seguida, o núcleo desta tese contendo os principais desenvolvimentos alcançados durante este trabalho de doutoramento é apresentado e discutido. O primeiro contributo fundamental para o estado da arte aqui apresentado consiste no desenvolvimento e integração em FPGA de uma nova arquitetura de transmissão inteiramente digital, baseada em moduladores ΣΔ e dotada de uma elevada flexibilidade e integração, sendo capaz de transmitir dados de multiplos standards e em multiplas bandas de RF. Uma segunda contribuição chave relativa à transmissão simultânea de vários sinais RF é então introduzida, sendo apresentadas e descritas novas arquiteturas de transmissão de sinal RF inteiramente digitais, as quais tiram proveito de serializadores de dados multi-gigabit disponíveis em FPGAs atuais de alto desempenho. Melhorias adicionais a esta abordagem permitiram desenvolver uma arquitetura de transmissão com duas fases de conversão na frequência, a qual permite a transmissão concorrente de sinais multistandard e multicanal com ajuste fino na frequência. Por ultimo, foram ainda investigadas diversas técnicas que visam reduzir duas limitações fundamentais inerentes aos actuais transmissores completamente digitais, nomeadamente, a baixa eficiência de codificação dos moduladores pulsados e o elevado fator de qualidade combinado com elevados requisitos de adaptabilidade na frequencia do filtro de reconstrução do sinal RF a transmitir. A abordagem seguida baseada em multiplos caminhos polifásicos permitiu desenvolver uma nova arquitetura de transmissão integrada em FPGA que melhora de forma significativa importantes figuras de mérito, tais como a eficiência de codificação e SNR, enquanto mantém a elevada flexibilidade que é necessária para suportar a transmissão de dados multimodo e multicanal

Analysis of distortion in pulse modulation converters for switching radio frequency power amplifiers

High-efficiency linear radio frequency (RF) power amplifiers are needed for today’s wireless communication systems. Switch mode techniques have the potential for high efficiency but require a pulse drive signal. The generation of pulse width modulated signals and pulse position modulated signals by sigma delta modulators can introduce unwanted spectral components. Third order and image components are the dominant distortions generated in the pulse position modulation circuit. The authors identify the cause of distortion and mathematically quantify its amplitude and frequency. In a single carrier environment, an increase in offset frequency increases the unwanted spectral components. Calculations, simulations and measurements show that offsets less than 1% of the carrier frequency are required to keep unwanted components 40 dB below the signal level. Simulations and measurements show that the effect on a multichannel orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system is less detrimental. Nonetheless, unacceptable noise increases of up to 20 dB are observed in odd harmonic channels when the transmission is not centred on the nominal carrier frequency

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

Evaluation of Sigma-Delta-over-Fiber for High-Speed Wireless Applications

Future mobile communication networks aim to increase the communication speed,\ua0provide better reliability and improve the coverage. It needs to achieve all of these enhancements, while the number of users are increasing drastically. As a result, new base-station (BS) architectures where the signal processing is centralized and wireless access is provided through multiple, carefully coordinated remote radio heads are needed. Sigma-delta-over-fiber (SDoF) is a communication technique that can address both requirements and enable very low-complexity, phase coherent remote radio transmission, while transmitting wide-band communication signals with high quality. This thesis investigates the potential and limitations of SDoF communication links as an enabler for future mobile networks.In the first part of the thesis, an ultra-high-speed SDoF link is realized by using state-of-the-art vertical-cavity surface-emitting-lasers (VCSEL). The effects of VCSEL characteristics on such links in terms of signal quality, energy efficiency and potential lifespan is investigated. Furthermore, the potential and limitations of UHS-SDoF are evaluated with signals having various parameters. The results show that, low-cost, reliable, energy efficient, high signal quality SDoF links can be formed by using emerging VCSEL technology. Therefore, ultra-high-speed SDoF is a very promising technique for beyond 10~GHz communication systems.In the second part of the thesis, a multiple-input-multiple-output (MIMO) communication testbed with physically separated antenna elements, distributed-MIMO, is formed by multiple SDoF links. It is shown that the digital up-conversion, performed with a shared local-oscillator/clock at the central unit, provides excellent phase coherency between the physically distributed antenna elements. The proposed testbed demonstrates the advantages of SDoF for realizing distributed MIMO systems and is a powerful tool to perform various communication experiments in real environments.In general, SDoF is a solution for the downlink of a communication system, i.e. from central unit to remote radio head, however, the low complexity and low cost requirement of the remote radio heads makes it difficult to realize the uplinks of such systems. The third part of this thesis proposes an all-digital solution for realizing complementary uplinks for SDoF systems. The proposed structure is extensively investigated through simulations and measurements and the results demonstrate that it is possible realize all-digital, duplex, optical communication links between central units and remote radio heads.In summary, the results in this thesis demonstrate the potential of SDoF for wideband, distributed MIMO communication systems and proposes a new architecture for all-digital duplex communication links. Overall, the thesis shows that SDoF technique is powerful technique for emerging and future mobile communication networks, since it enables a centralized structure with low complexity remote radio heads and provides high signal quality

Investigation of Time Domain Modulation and Switching-Mode Power Amplifiers Suitable for Digitally-Assisted Transmitters

Innovation in wireless communication has resulted in accelerating demand for smartphones using multiple communications protocols such as WiFi, Bluetooth and the many cellular standards deployed around the world. The variety of frequency, bandwidth and power requirements associated with each standard typically calls for the implementation of separate radio frequency (RF) front end hardware for each standard. This is a less-than-ideal solution in terms of cost and device area. Software-defined radio (SDR) promises to solve this problem by allowing the RF hardware to be digitally reconfigurable to adapt to any wireless standard. The application of machine learning and cognition algorithms to SDR will enable cognitive radios and cognitive wireless networks, which will be able to intelligently adapt to user needs and surrounding radio spectrum conditions. The challenge of fully reconfigurable transceivers is in implementing digitally-controlled RF circuits which have comparable performance to their fixed-frequency counterparts. Switching-mode power amplifiers (SMPA) are likely to be an important part of fully reconfigurable transmitters since their switching operation provides inherent compatibility with digital circuits, with the added benefit of very high efficiency. As a step to understanding the RF requirements of high efficiency and switching PAs, an inverse class F PA in push-pull configuration is implemented. This configuration is chosen for its similarity to the current mode class D (CMCD) topology. The fabricated PA achieves a peak drain efficiency of over 75% with 42.7 dBm (18.6 W) output power at 2.46 GHz. Since SMPAs cannot directly provide the linearity required by current and future wireless communications standards, amplitude information must be encoded into the RF signal in a different way. Given the superior time resolution of digital integrated circuit (IC) technology, a logical solution is to encode this information into the timing of the signal. The two most common techniques for doing so are pulse width modulation and delta-sigma modulation. However, the design of delta-sigma modulators requires simulation as part of the design process due to the lack of closed-form relationships between modulator parameters (such as resolution and oversampling) and performance figures (such as coding efficiency and signal quality). In particular, the coding efficiency is often ignored although it is an important part of ensuring transmitter efficiency with respect to the desired signal. A study of these relationships is carried out to observe the tradeoffs between them. It is found that increasing the speed or complexity of a DS modulated system does not necessarily translate to performance benefits as one might expect. These observations can have a strong impact on design choices at the system level

Receptores de rádio-frequência melhorados e disruptivos

This Ph.D. mainly addresses the reception part of a radio front end, focusing on Radio Frequency (RF) sampling architectures. These are considered to be the most promising future candidates to get better performance in terms of bandwidth and agility, following the well-known Software-Defined Radio (SDR) concept. The study considers the usage of an RF receiver in a standalone operation, i.e., used for receiving unknown data at the antenna, and when used as observation path for Power Amplifier (PA) linearization via Digital Predistortion (DPD), since nowadays this represents a mandatory technique to increase overall system’s performance. Firstly, commercial available RF Analog-Digital-Converters (ADCs) are studied and characterized to understand their limitations when used in DPD scenarios. A method for characterization and digital post-compensation to improve performance is proposed and evaluated. Secondly, an innovative FPGA-based RF single-bit pulsed converter based on Pulse Width Modulation (PWM) is addressed targeting frequency agility, high analog input bandwidth, and system integration, taking profit of an FPGA-based implementation. The latter was optimized based on PWM theoretical behavior maximizing Signal-to-Noise-Ratio (SNR) and bandwidth. The optimized receiver, was afterwards evaluated in a 5G C-RAN architecture and as a feedback loop for DPD. Finally, a brief study regarding DPD feedback loops in the scope of multiantenna transmitters is presented. This Ph.D. contributes with several advances to the state-of-the-art of SDR receiver, and to the so-called SDR DPD concept.Este doutoramento endereça principalmente a componente de receção de um transcetor de rádio-frequência (RF), focando-se em arquiteturas de receção de amostragem em RF. Estas são assim consideradas como sendo as mais promissoras para o futuro, em termos de desempenho, largura de banda e agilidade, de acordo com o conhecido conceito de Rádios Definidos por Software (SDR). O estudo considera o uso dos recetores de RF em modo standalone, i.e., recebendo dados desconhecidos provenientes da antena, e também quando usados como caminho de observação para aplicação de linearização de amplificadores de potência (PAs) via pré-distorção digital (DPD), pois atualmente esta é uma técnica fundamental para aumentar o desempenho geral do sistema. Em primeiro lugar, os conversores analógico-digital de RF são estudados e caracterizados para perceber as suas limitações quando usados em cenários de DPD. Um método de caracterização e pós compensação digital é proposto para obter melhorias de desempenho. Em segundo lugar, um novo recetor pulsado de um bit baseado em Modulação de Largura de Pulso (PWM) e implementado em Agregado de Células Lógicas Programáveis (FPGA) é endereçado, visando agilidade em frequência, largura de banda analógica e integração de sistema, tirando proveito da implementação em FPGA. Este recetor foi otimizado com base no modelo comportamental teórico da modulação PWM, maximizando a relação sinalruído (SNR) e a largura de banda. O recetor otimizado foi posteriormente avaliado num cenário 5G de uma arquitetura C-RAN e também num cenário em que serve de caminho de observação para DPD. Finalmente, um breve estudo relativo a caminhos de observação de DPD no contexto de transmissores multi-antena é também apresentado. Este doutoramento contribui com vários avanços no estado da arte de recetores SDR e no conceito de SDR DPD.Programa Doutoral em Engenharia Eletrotécnic

Techniques for Wideband All Digital Polar Transmission

abstract: Modern Communication systems are progressively moving towards all-digital transmitters (ADTs) due to their high efficiency and potentially large frequency range. While significant work has been done on individual blocks within the ADT, there are few to no full systems designs at this point in time. The goal of this work is to provide a set of multiple novel block architectures which will allow for greater cohesion between the various ADT blocks. Furthermore, the design of these architectures are expected to focus on the practicalities of system design, such as regulatory compliance, which here to date has largely been neglected by the academic community. Amongst these techniques are a novel upconverted phase modulation, polyphase harmonic cancellation, and process voltage and temperature (PVT) invariant Delta Sigma phase interpolation. It will be shown in this work that the implementation of the aforementioned architectures allows ADTs to be designed with state of the art size, power, and accuracy levels, all while maintaining PVT insensitivity. Due to the significant performance enhancement over previously published works, this work presents the first feasible ADT architecture suitable for widespread commercial deployment.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

Transmitter architectures with digital modulators, D/A converters and switching-mode power amplifiers

This thesis is composed of nine publications and an overview of the research topic, which also summarises the work. The research described in this thesis focuses on research into the digitalisation of wireless communication base station transmitters. In particular it has three foci: digital modulation, D/A conversion and switching-mode power amplification. The main interest in the implementation of these circuits is in CMOS. The work summarizes the designs of several circuit blocks of a wireless transmitter base station. In the baseband stage, a multicarrier digital modulator that combines multiple modulated signals at different carrier frequencies digitally at baseband, and a multimode digital modulator that can be operated for three different communications standards, are implemented as integrated circuits. The digital modulators include digital power ramping and power level control units for transmission bursts. The upconversion of the baseband signal is implemented using an integrated digital quadrature modulator. The work presented provides insight into the digital-to-analogue interface in the transmitters. This interface is studied both by implementing an intermediate frequency D/A converter in BiCMOS technology and bandpass Delta-Sigma modulator-based D/A conversion in CMOS technology. Finally, the last part of the work discusses switching-mode power amplifiers which are experimented with both as discrete and integrated implementations in conjunction with 1-bit Delta-Sigma modulation and pulse-width modulation as input signal generation methods.Tämä väitöskirja koostuu yhdeksästä julkaisusta ja tutkimusaiheen yhteenvedosta. Väitöskirjassa esitetty tutkimus keskittyy langattaman viestinnän tukiasemien lähettimien digitalisoinnin tutkimukseen. Yksityiskohtaisemmin tutkimusalueet ovat: digitaalinen modulaatio, D/A muunnos ja kytkinmuotoiset tehovahvistimet. Näiden elektronisten piirien toteutuksessa keskitytään CMOS teknologiaan. Työ vetää yhteen useiden langattoman viestinnän tukiasemien lähettimien piirilohkojen suunnittelun. Kantataajuusasteella toteutetaan integroituna piirinä monikantoaaltoinen digitaalinen modulaattori, joka yhdistää useita moduloituja signaaleja eri kantoaalloilla digitaalisesti ja monistandardi digitaalinen modulaatori, joka tukee kolmea eri viestintästandardia. Digitaaliset modulaattoripiirit sisältävät digitaalisen tehoramping ja tehotason säätöyksikön lähetyspurskeita varten. Kantataajuussignaalin ylössekoitus toteutetaan integroitua digitaalista kvadratuurimodulaattoria käyttäen. Esitetty työ antaa näkemystä lähettimien digitalia-analogia rajapintaan, jota tutkitaan toteuttamalla välitaajuinen D/A muunnin BiCMOS teknologialla ja päästökaistainen Delta-Sigma-modulaattoripohjainen D/A muunnin CMOS teknologialla. Lopuksi työn viimeinen osa käsittelee kytkinmuotoisia tehovahvistimia, joita tutkitaan kokeellisesti sekä erilliskompontein toteutettuina piirein että integroiduin piirein toteutettuina käyttäen sisääntulosignaalin muodostamismenetemänä yksibittistä Delta-Sigma-modulaatiota ja pulssin leveys modulaatiota.reviewe