Direct-Digital RF Modulator for Multi-Standard Radio Transmitters

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (monograph) | Defence date: 2014-12-08
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2014
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
157
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 186/2014
Abstract
The building blocks of wireless communication radio transmitters are encountering new design challenges due to the digital-driven evolution of CMOS technology. The continuously decreasing voltage headroom challenges the traditional circuit topologies, while the speed increase of the transistors enables new circuit innovations to benefit from the technology trend. In addition, the tendency of digitizing the analog functions in the transmitter signal chain pushes the digital/analog interface towards the antenna. The research work presented in this thesis concentrates on this challenge by introducing a new transmitter architecture, direct-digital RF modulator, which brings the D/A conversion in front of the power amplifier (PA). The thesis has three focus areas: D/A converter, IQ modulator, and direct-digital RF modulator. The research work summarizes the practical design considerations in order to provide the background knowledge and means required for the new transmitter architecture, which is based on combining the D/A conversion and IQ modulation into a single circuit block. The work is demonstrated with five circuit implementations that all focus on different aspects of the proposed architecture. The first two outline the key performance constrains of D/A converters. In order to overcome the limited matching performance of the transistors, a new DC linearity calibration technique was developed. The third circuit implementation demonstrates a direct conversion transmitter architecture targeted for a wide bandwidth radio system. The last two circuit implementations demonstrate the proposed transmitter architecture, which is constructed with two digital-to-RF converters performing quadrature modulation. In the introduced converter topology the D/A conversion and the up-conversion are applied for each of the unit digital signals individually, converting the input signal directly to the final frequency. Finally, the applicability of the architecture to a multi-standard radio transmitter was investigated by measuring the performance with signal vectors of different cellular and connectivity radio standards.

Piirilohkot kohtaavat langattoman viestinnän lähettimissä uusia suunnitteluhaasteita johtuen digitaalipiirivetoisesta CMOS-teknologian kehityksestä. Jatkuvasti pienenevät jännitemarginaalit haastavat perinteiset piirirakenteet, samalla kun transistorien nopeuden kasvu mahdollistaa teknologian kehitystä hyödyntäviä uusia piiriratkaisuja. Lisäksi suuntaus digitalisoida lähettimen analogiaosia siirtää digitaali-analogia rajapintaa lähemmäksi antennia. Tässä väitöskirjassa esitetty tutkimustyö keskittyy tähän haasteeseen esittelemällä uuden lähetinarkkitehtuurin, suoran digitaalisen RF -modulaattorin, joka tuo D/A -muunnoksen suoraan tehovahvistimen eteen. Väitöskirja koostuu kolmesta tutkimusalueesta: D/A -muunnin, kvadratuurimodulaattori ja suora digitaalinen RF -modulaattori. Tutkimustyö kokoaa yhteen käytännön suunnittelunäkökulmat tarjotakseen taustatiedon ja menetelmät joita uusi lähetinarkkitehtuuri, jossa yhdistyvät D/A -muunnin ja kvadratuurimodulaattori, edellyttää. Työ on kokeellisesti osoitettu viidellä esimerkkipiirillä, jotka keskittyvät uuden arkkitehtuurin eri osa-alueisiin. Ensimmäiset kaksi keskittyvät D/A -muuntimien suorituskyvyn rajoitteisiin. Transistorien epäsovituksesta aiheutuvien suorituskykyrajoitteiden parantamiseksi on kehitetty uusi kalibrointimenetelmä. Kolmas piiritoteutus esittelee suoramuunnoslähettimen laajakaistaiseen radiojärjestelmään. Kaksi viimeistä piiritoteutusta esittelevät tutkimuksessa kehitetyn lähetinarkkitehtuurin, joka on koostettu kahdesta digitaali/RF -muuntimesta jotka yhdessä muodostavat kvadratuurimodulaattorin. Esitetyssä muunninrakenteessa D/A -muunnos ja ylössekoitus suoritetaan jokaiselle digitaaliselle yksikkösignaalille erikseen, jolloin muunnos tapahtuu suoraan lähetystaajuudelle. Lopuksi, arkkitehtuurin soveltuvuutta usean standardin radiolähettimiin on tutkittu mittaamalla suorituskyky eri radiojärjestelmien signaaleilla.
Description
Supervising professor
Halonen, Kari, Prof., Aalto University, Department of Micro- and Nanosciences, Finland
Keywords
D/A converter, IQ modulator, direct-digital RF modulator, transmitter, D/A -muunnin, kvadratuurimodulaattori, suora digitaalinen RF -modulaattori, lähetin
Other note
Citation