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

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.

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.