Digital-to-analog conversion in wideband digital polar transmitters

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2023-03-20
Department
Major/Subject
Micro- and Nanoelectronic Circuit Design
Mcode
ELEC3036
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
en
Pages
65
Series
Abstract
The ongoing deployment of 5G devices has led to an increased demand for highly integrated power efficient wideband transmitters. This, alongside the complementary metal oxide semiconductor process evolution, is favouring digitally intensive transmitter architectures. Therefore, polar transmitters have been an interesting research topic due to the digitally intensive phase modulation and the ability to use switched-mode power amplifiers. However, full potential of the architecture has not yet been realized, with the state-of-the-art implementations suffering from limited bandwidths up to 160 megahertz. This thesis evaluates the feasibility of polar transmitters for even wider bandwidth signal transmission, mainly focusing on the digital-to-analog conversion. The feasibility is investigated in two parts, a literature review on the state-of-the-art and a developed polar transmitter model. The literature review compares the polar architecture to the other commonly used alternatives. Furthermore, the most common digital-to-analog conversion methods and key figures of merit are introduced. The developed polar transmitter model has all of the core building blocks required for a polar transmitter modelled in Python using The System Development Kit (TheSyDeKick) development and verification platform. Additionally, the digital-to-analog converter is implemented as two schematic models selected from the literature survey. The schematics are written as fully parameterized schematic generators using Berkeley Analog Generator (BAG), which is a framework written in Python for programmatic layout and schematic generation. The polar transmitter model is used to investigate resolutions required to theoretically match communications signal standards with wideband signals. Full transmitter model simulations with 5G signals with varying carrier frequencies are then run on a developed simulation testbench to the different implemented digital-to-analog converter models. The results are then compared and analyzed. By studying, modelling and simulating the architecture, the thesis concludes that the polar transmitter architecture is capable of wideband signal transmission. The simulated bandwidths are wider than previously presented in the state-of-the-art implementations. The bandwidth limitation is found to be mainly due to the bandwidth expansion of the signal component separation posing challenges to the phase modulator. As a result, the digital-to-analog converter is found to be less of a limiting factor.

5G laitteiden yleistyminen on lisännyt tarvetta integroiduille laajakaistaisille lähettimille. Kyseiset lähettimet ovat usein osana akkukäyttöisiä kannettavia laiteita, joten niiden tehonkulutus pyritään minimoimaan. Tämä, sekä puolijohdeprosessien kehittyminen on johtanut digitaalisten osien määrän maksimointiin lähettimien suunnittelussa. Polaarilähettimistä on tullut suosittu tutkimusaihe, sillä kyseinen arkkitehtuuri sisältää paljon digitaalista signaalinkäsittelyä vaativan vaihemodulaattorin ja mahdollistaa kytkettävien tehovahvistimien käytön. Arkkitehtuurin mahdollisia hyötyjä ei kuitenkaan ole täysin realisoitu, sillä kirjallisuudessa esitellyt polaarilähettimet ovat tyypillisesti kärsineet rajoittuneesta kaistanleveydestä. Tämä opinnäytetyö arvioi polaarilähettimien käyttöä aiempaa laajakaistaisemmilla signaaleilla. Työ keskittyy erityisesti polaarilähettimien digitaalianalogia muunnokseen. Tarkastelu toteutetaan kahdessa osassa, kirjallisuuskatsauksella ja tutkimusta varten kehitetyllä polaarilähetinmallilla. Kirjallisuuskatsaus vertailee eri lähetinarkkitehtuureita, sekä millaisia digitaalianalogimuuntimia polaarilähettimissä on tyypillisesti käytetty. Kehitetty polaarilähetinmalli toteutettiin Pythonilla, The System Development Kit -kehitys- ja verifikaatioympäristössä. Mallissa on toteutettu kaikki polaarilähettimen osat. Mallin testausta ja verifikaatiota varten kehitettiin simulaatiotestipenkki. Testipenkki mahdollistaa mallin simuloinnin 5G signaaleilla. Mallin ja testipenkin tavoitteena on laajakaistaisten signaalien testaamisen lisäksi tutkia amplitudi- ja vaiheväylän suhteellisen ajoituksen sekä interpoloinnin vaikutusta suorituskykyyn. Python mallin lisäksi, digitaalianalogia muunnin toteutettiin täysin parametrisoituina pre-layout malleina kahdella eri kirjallisuuskatsauksesta valikoidulla arkkitehtuurilla. Pre-layout simulaatiomallit toteutettiin täysin parametrisoituina piirikaaviogeneraattoreina Berkeley Analog -generatorilla, joka on Python ohjelmointikielellä toteutettu työkalu ohjelmalliseen layout ja pre-layout piirien tekemiseen. Simulaatiot lähetinmallille ajettiin kaikilla kehitetyillä digitaalianalogimuunnin arkkitehtuureilla ja tuloksia vertailtiin. Simulaatiotulokset osoittivat, että polaarilähetin on kykenevä laajakaistaisten signaalien lähettämiseen. Digitaali-analogia muunnosta rajoittavammaksi tekijäksi kaistanleveyteen osoittautui vaihemodulaattori, joka joutuu moduloimaan suurella aikaresoluutiolla kantataajuuskaistaa leveämmän kaistanleveyden omaavaa vaihesignaalia.
Description
Supervisor
Ryynänen, Jussi
Thesis advisor
Kosunen, Marko
Keywords
polar transmitter, digital-to-analog conversion, TheSyDeKick, Berkeley Analog Generator
Other note
Citation