RF-to-Digital Converters: The Direct Delta-Sigma Receiver

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Kosunen, Marko, Dr., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
dc.contributor.author Englund, Mikko
dc.date.accessioned 2018-03-01T10:02:44Z
dc.date.available 2018-03-01T10:02:44Z
dc.date.issued 2018
dc.identifier.isbn 978-952-60-7878-6 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-7877-9 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/30183
dc.description.abstract The integration of electronics has been an ongoing process for a few decades. Ultimately, the goal is to include all of the needed electronics in a single integrated circuit (IC), also referred to as system on chip (SoC). The evolution towards SoC is driven by the multi-billion dollar industry around smartphones. New functionalities are added while the space reserved for electronics stays constant, or in the worst case, reduces. The circuits needed for communication are at the center point of this evolution, and with a good reason. A growing list of communication standards need to be supported, while guaranteeing backward compatibility to older standards. This results in multiple parallel radio hardware chains. Ideally, these chains would be replaced by a cognitive software defined radio (SDR), that is to say, a software reconfigurable radio that is able to adapt its operation in real-time based on the current spectrum usage. To accomplish this, the transmitter and receiver have to be highly programmable, which requires digital intensive implementations. Ultimately, the transmitter and receiver are comprised only of a digital-to-analog converter (DAC) or an analog-to-digital converter (ADC), in which case they can be referred to as digital-to-RF or RF-to-digital converters, respectively. The RF-to-digital converters are an intriguing approach to realize a cognitive SDR. Having an immediate analog-to-digital conversion after the antenna shifts the bulk of the signal processing to digital domain, which enables superior scalability and programmability over analog implementations. One promising RF-to-digital converter architecture is the direct delta-sigma receiver (DDSR), which combines a direct downconversion receiver and delta-sigma ADC. The DDSR embeds the receiver functional blocks into the delta-sigma loop-filter, and thus the digitalization of the analog input signal begins right after the antenna. The analog stages are used to their maximum potential as each stage participates in amplification, filtering and quantization noise shaping simultaneously, resulting in a compact design. The main challenge of the DDSR is that the RF frontend and the delta-sigma ADC can no longer be designed separately. Due to the increased design complexity, simple yet accurate models and design techniques are required to fully benefit from the DDSR. The objectives of this thesis are to 1) evaluate the feasibility of the DDSR as a future solution for integrated receiver, 2) provide a new perspective and understanding on the design of RF-to-digital converters, and 3) develop versatile models and design strategies that overcome the complexity of the DDSR. en
dc.description.abstract Elektroniikan integroimisprosessi on ollut käynnissä muutaman vuosikymmenen ajan. Tavoitteena on sisällyttää tarvittavat elektroniikan komponentit yhdelle integroidulle sirulle, jota kutsutaan järjestelmäksi sirulla. Järjestelmä sirulla -kehitystä on vienyt eteenpäin erityisesti miljardi-luokan älypuhelinteollisuus ja sen tarpeet. Uusia ominaisuuksia lisätään jatkuvasti mutta elektroniikalle varattu tila pysyy samana tai pahimmillaan pienenee. Kommunikaation tarvittava elektroniikka on tämän haasteen keskiössä ja hyvästä syystä. Lista tuettavista kommunikointistandardeista kasvaa, minkä lisäksi on taattava taaksepäin yhteensopivuus aikaisempien standardien kanssa, mikä vaatii tyypillisesti useita rinnakkaisia radiolaiteketjuja. Parhaimmassa tapauksessa nämä radiolaiteketjut voitaisiin korvata älykkäällä, ohjelmallisesti määritettävällä radiolla, joka pystyy mukauttamaan radioviestinnän käyttämiä taajuuksia vapaiden taajuusalueiden mukaan. Jotta tämä voidaan toteuttaa, tarvitaan digitaali-intensiivisiä, ohjelmoitavia lähettimiä ja vastaanottimia. Tavoitteena on, että lähettimet ja vastaanottimet muuntavat radiotaajuisen signaalin suoraan digitaalimuotoon, jolloin niitä voidaan kutsua digitaali-RF -muuntimiksi ja RF-digitaali -muuntimiksi, vastaavasti. RF-digitaali -muuntimet ovat kiehtova lähestymistapa älykkään, ohjelmallisesti määritettävän vastaanottimen toteuttamiseksi. Muuntamalla analoginen radiotaajuinen signaali mahdollisimman aikaisessa vaiheessa digitaaliseksi saavutetaan parempi skaalattavuus ja ohjelmoitavuus. Yksi lupaavista RF-digitaali -muunnin toteutuksista on suora delta-sigma vastaanotin, joka yhdistää suoramuunnosvastaanottimen ja delta-sigma analogia-digitaali -muuntimen. Suora delta-sigma vastaanottimessa sisällytetään suoramuunnosvastaanottimen toiminnot delta-sigma looppisuodattimeen, jolloin signaalin digitointi alkaa heti antennin jälkeen. Analogiset vahvistinasteet hyödynnetään maksimaalisesti, sillä jokainen aste osallistuu vahvitukseen, suodatukseen, antialiasointiin ja kvantisointikohinan muokkauseen samanaikaisesti, jonka tuloksena on kompakti kokonaisuus. Haasteeksi muodostuu se, että radiotaajuista etupäätä ja delta-sigma analogia-digitaali -muunninta ei voida enää suunnitella erikseen, joka johtaa monimutkaiseen suunnitteluvaiheeseen. Yksinkertaisia mutta samalla tarkkoja malleja ja suunnittelutekniikoita vaaditaan parhaan toimivuuden takaamiseksi. Tämän väitöskirjan tavoitteena on 1) evaluoida suora delta-sigma vastaanottimen soveltuvuutta tulevaisuuden vastaanottimeksi, 2) tuoda ymmärrystä ja uusi näkökulma RF-digitaali -muuntimien suunnitteluun, ja 3) kehittää käytännöllisiä malleja ja suunnittelustrategioita, jotka mahdollistavat monimutkaisuudesta ylitsepääsemisen. fi
dc.format.extent 123 + app. 79
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 40/2018
dc.relation.haspart [Publication 1]: M. Englund, O. Viitala, K. Koli, J. Ryynänen. N-path gmC Filter Modeling and Analysis for Direct Delta-Sigma Receiver. In New Circuits and Systems Conference, pp. 277-280, Montreal, Canada, June 2012. DOI: 10.1109/NEWCAS.2012.6329010
dc.relation.haspart [Publication 2]: K. B. Östman, M. Englund, O. Viitala, K. Stadius, K. Koli, J. Ryynänen. Design Tradeoffs in N-path GmC Integrators for Direct Delta-Sigma Receivers. In European Conference on Circuit Theory and Design, pp. 1-4, Dresden, Germany, September 2013. DOI: 10.1109/ECCTD.2013.6662291
dc.relation.haspart [Publication 3]: M. Englund, K. B. Östman, O. Viitala, M. Kaltiokallio, K. Stadius, K. Koli, J. Ryynänen. A programmable 0.7-to-2.7GHz Direct ΔΣ Rem ceiver in 40nm CMOS. In International Solid-State Circuit Conference, pp. 470-471, California, USA, Febryary 2014. DOI: 10.1109/ISSCC.2014.6757517
dc.relation.haspart [Publication 4]: K. B. Östman, M. Englund, O. Viitala, K. Stadius, K. Koli, J. Ryynänen. Characteristics of LNA Operation in Direct Delta-Sigma Receivers. IEEE Transactions on Circuits and Systems II, pp. 70-74 Vol. 61, NO. 2, February 2014. DOI: 10.1109/TCSII.2013.2291092
dc.relation.haspart [Publication 5]: M. Englund, K. B. Östman, O. Viitala, M. Kaltiokallio, K. Stadius, K. Koli, J. Ryynänen. A 2.5GHz 4.2-dB NF Direct ΔΣ Receiver with Frequency-Translating Integrator. In European Solid-State Circuit Conference, pp. 371-374, Venice, Italy, September 2014. DOI: 10.1109/ESSCIRC.2014.6942099
dc.relation.haspart [Publication 6]: M. Englund, K. B. Östman, O. Viitala, M. Kaltiokallio, K. Stadius, K. Koli, J. Ryynänen. A Programmable 0.7-2.7 GHz Direct ΔΣ Receiver in 40 nm CMOS. IEEE Journal of Solid-State Circuits, pp. 644-655 Vol. 50, NO. 3, March 2015. DOI: 10.1109/JSSC.2015.2397193
dc.relation.haspart [Publication 7]: K. B. Östman, M. Englund, O. Viitala, K. Stadius, K. Koli, J. Ryynänen. Next-Generation RF Front-End Design Methods for Direct ΔΣ Receivers. Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems, pp. 514-524 Vol. 5, NO. 4, December 2015. DOI: 10.1109/JETCAS.2015.2502165
dc.relation.haspart [Publication 8]: M. Englund, F. Ul Haq, K. Stadius, M. Kosunen, K. B. Östman, K. Koli, J. Ryynänen. A Systematic Design Method for Direct Delta-Sigma Receivers. Accepted for publication in IEEE Transactions on Circuits and Systems I, November 2017. DOI: 10.1109/TCSI.2017.2777895
dc.subject.other Electrical engineering en
dc.title RF-to-Digital Converters: The Direct Delta-Sigma Receiver en
dc.title RF-digitaali -muuntimet: Suora delta-sigma vastaanotin fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Sähkötekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Electrical Engineering en
dc.contributor.department Elektroniikan ja nanotekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Electronics and Nanoengineering en
dc.subject.keyword RF-to-digital en
dc.subject.keyword analog-to-digital en
dc.subject.keyword receiver en
dc.subject.keyword delta-sigma en
dc.subject.keyword RF-digitaalimuunnin fi
dc.subject.keyword analogia-digitaalimuunnin fi
dc.subject.keyword vastaanotin fi
dc.subject.keyword delta-sigma fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-7878-6
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Ryynänen, Jussi, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
dc.opn Kennedy, Peter, Prof., University College Cork, Ireland
dc.rev de la Rosa, José, M., Prof., Instituto de Microelectrónica de Sevilla, Spain
dc.rev Törmänen, Markus, Prof., Lund University, Sweden
dc.date.defence 2018-03-22
local.aalto.acrisexportstatus checked


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account