Integrated Digital-Intensive RF Transmitters

Abstract

The emerging 5G radio standard aims to significantly improve the existing cellular network by increasing the achievable datarate and by decreasing response time. Achieving these improvements in the 5G network also necessitate new innovations in radio transmitter design. Integrated circuits and CMOS process scaling enable the inclusion of new features in a smaller area while simultaneously decreasing power consumption. Current trend in integration leads towards "system-on-chip" design methodology, where complex circuit entities are integrated on a single chip. Integration of radio transmitters is typically desired, as modern smartphones need to support several different communication standards that operate on different frequency bands. In the past, several parallel radio transmitter front ends have been designed on a chip to improve the level of integration. Since then, radio transmitter design has been driven by the software defined radio paradigm, which targets a single transmitter front end that can be digitally controlled to use the desired communication standard and frequency band. Outphasing modulation is a digital-intensive and energy efficient transmitter architecture and is thus a potential candidate for future software defined radio transmitters. This work presents a new digital-intensive phase modulator architecture that can improve the performance of outphasing-based transmitters by taking advantage of linear phase interpolation in digital domain. The proposed phase modulator enables improved outphasing transmitter linearity, and enables free carrier frequency selection without a frequency synthesizer. This work presents a prototype outphasing transmitter implemented in 28 nm CMOS that utilizes the proposed phase modulator architecture. The transmitter is demonstrated to operate between 0.8-2.0 gigahertz carrier frequency using constant 1.5 GHz reference clock, without a frequency synthesizer. The efficiency of outphasing transmitters can be further improved by using the multilevel outphasing transmitter architecture. It is shown in this work that discrete amplitude transitions that are inherent to multilevel outphasing architecture distort the transmitted signal. This work presents a new tri-phasing architecture that has been developed to alleviate the distortion caused by discrete amplitude transitions, while providing similar efficiency as multilevel outphasing. Furthermore, this work also presents a multilevel outphasing transmitter implemented in 28 nm CMOS, which enables up to 400 MHz OFDM signal bandwidth, a 10x improvement to state-of-the-art. This work also presents a prototype tri-phasing transmitter with integrated power amplifiers in 28 nm CMOS, which enables 100 MHz OFDM signal bandwidth at 1.7 GHz center frequency at 19 dBm output power while achieving -28dBc ACLR.

Lähiaikoina käyttöönotettavan 5G radiostandardin tavoitteena on parantaa langattomia tietoliikenneyhteyksiä kasvattamalla verkon tiedonsiirtonopeutta sekä lyhentämällä vasteaikaa. 5G verkon parannukset suorituskyvyssä vaativat myös uusia innovaatioita radiolähetinsuunnittelussa. Piirien integrointi uusimmilla CMOS-prosesseilla mahdollistaa uusien toiminnallisuuksien lisäämisen pienempään tilaan pienemmällä virrankulutuksella. Integrointia vie eteenpäin varsinkin "järjestelmä sirulla"-tyyppinen suunnittelumalli, jossa monimutkaisia piirikokonaisuuksia integroidaan yhdelle piirille. Radiolähetinten integrointi on haluttavaa, sillä modernin älypuhelimen pitää tukea useita eri kommunikointistandardeja jotka toimivat useilla eri taajuuskaistoilla. Integroinnin tarpeeseen vastattiin ensin käyttämällä useita rinnakkaisia radiolähetin-etupäitä. Sen jälkeen radiolähetinsuunnittelussa on kuitenkin tavoiteltu yhtä ohjelmallisesti määritettävää radiota, joka voidaan digitaalisesti säätää toimimaan halutulla kommunikointistandardilla sekä taajuuskaistalla.

Poisvaiheistus-modulaatio mahdollistaa digitaali-intensiivisen sekä energiatehokkaan lähettimen suunnittelun ja on täten kiinnostava vaihtoehto ohjelmallisesti määritettäviin radiolähettimiin. Tässä työssä esitetään uusi digitaali-intensiivinen vaihemodulaattoriarkkitehtuuri, joka parantaa poisvaiheistukseen pohjautuvien lähettimien toimintaa hyödyntämällä digitaalista lineaarista interpolointia. Vaihemodulaattori mahdollistaa lineaarisuuden parantamisen, sekä lähettimen toiminnan vapaasti valittavalla taajuuskaistalla ilman erillistä taajuussyntetisaattoria. Työssä esitetään implementoitu poisvaiheistus-modulaatioon perustuva prototyyppilähetin joka hyödyntää esitettyä vaihemodulaattoria ja osoittaa että lähetin toimii ilman erillistä taajuussyntetisaattoria 0.8-2.0 gigahertsin taajuudella käyttäen 1.5 gigahertsin näytteistystaajuutta.

Poisvaiheistus-arkkitehtuurin hyötysuhdetta voidaan parantaa käyttämällä monitasoista poisvaiheistavaa lähetinarkkitehtuuria. Tässä työssä on tutkittu ja esitetty että arkkitehtuurin diskreettiaikaiset amplitudisiirtymät vääristävät lähetettävää signaalia. Työssä esitetään uusi kehitetty kolmivaiheistus-arkkitehtuuri, jonka avulla diskreettiaikaisten amplitudisiirtymien aiheuttamien vääristymien vakavuutta voidaan vähentää, mutta jolla saavutetaan monitasoista poisvaiheistusta vastaava hyötysuhde. Tämän lisäksi työssä on esitetty monitasoinen poisvaiheistuslähetin implementoituna 28 nm CMOS prosessilla, joka mahdollistaa 400 MHzn OFDM signaalin kaistanleveyden, joka on 10x parannus aikaisemmin raportoituihin vastaavantyyppisiin lähettimiin. Työssä on myös esitetty prototyyppi kolmivaiheistuslähetin integroidulla tehovahvistimella, joka mahdollistaa 100 MHzn OFDM signaalin lähettämisen 1.7 gighertsin keskitaajuudella, 19 dBm:n lähtöteholla ja -28 dBc:n ACLR:llä.