Digital signal processing and digital-to-analog converters for wide-band transmitters

Abstract

In this thesis, the implementation methods of digital signal processing and digital-to-analog converters for wide-band transmitters are researched. With digital signal processing, the problems of analog signal processing, such as sensitivity to interference and nonidealities of the semiconductor processes, can be avoided. Also, the programmability can be implemented digitally more easily than by means of analog signal processing.

During the past few years, wireless communications has evolved from analog to digital, and signal bandwidths have increased, enabling faster and faster data transmission. The evolution of semiconductor processes, decreasing linewidth and supply voltages, has decreased the size of the electronics and power dissipation, enabling the integration of larger and larger systems on single silicon chips.

There is little overall benefit in decreasing linewidths to meet the needs of analog design, since it makes the design process more difficult as the device sizes cannot be scaled according to minimum linewidth and because of the decreasing supply voltage. On the other hand, the challenges of digital signal processing are related to the efficient realization of signal processing algorithms in such a way that the required area and power dissipation does not increase extensively.

In this book, the problems related to digital filters, upconversion algorithms and digital-to-analog converters used in digital transmitters are researched. Research results are applied to the implementation of a transmitter for a third-generation WCDMA base-station.

In addition, the theory of factors affecting the linearity and performance of digital-to-analog converters is researched, and a digital calibration algorithm for enhancement of the static linearity has been presented. The algorithm has been implemented together with a 16-bit converter; its functionality has been demonstrated with measurements.

Tässä väitöskirjassa on tutkittu digitaalisen signaalinkäsittelyn toteuttamista ja digitaalisesta analogiseksi -muuntimia laajakaistaisiin lähettimiin. Digitaalisella signaalinkäsittelyllä voidaan välttää monia analogiseen signaalinkäsittelyyn liittyviä ongelmia, kuten häiriöherkkyyttä ja puolijohdeprosessien epäideaalisuuksien vaikutuksia. Myös ohjelmoitavuus on helpommin toteutettavissa digitaalisesti kuin analogisen signaalinkäsittelyn keinoin.

Viime vuosina on langattomien tietoliikennejärjestelmien kehitys kulkenut analogisesta digitaaliseen, ja käytettävät signaalikaistanleveydet ovat kasvaneet mahdollistaen yhä nopeamman tiedonsiirron. Puolijohdeprosessien kehitys, kapeneva minimiviivanleveys ja pienemmät käyttöjännitteet, on pienentänyt elektroniikan kokoa ja tehonkulutusta mahdollistaen yhä suurempien kokonaisuuksien integroimisen yhdelle piisirulle. Viivanleveyksien pieneneminen ei kuitenkaan suoraan hyödytä analogiasuunnittelua, jossa piirielementtien kokoa ei välttämättä voida pienentää viivanleveyden pienentyessä, ja jossa madaltuva käyttöjännite ennemminkin hankaloittaa kuin helpottaa suunnittelua. Siksi yhä suurempi osa signaalinkäsittelystä pyritään tekemään digitaalisesti. Digitaalisen signaalinkäsittelyn ongelmat puolestaan liittyvät algoritmien tehokkaaseen toteuttamiseen siten, että piirien pinta-ala ja tehonkulutus eivät kasva liian suuriksi.

Tässä kirjassa on tutkittu digitaalisessa lähettimessä tarvittavien digitaalisten suodattimien, ylössekoitusalgoritmien ja digitaalisesta analogiseksi -muuntimien toteuttamiseen liittyviä ongelmia. Tutkimustuloksia on sovellettu kolmannen sukupolven WCDMA-tukiasemalähettimen toteutuksessa.

Lisäksi on tutkittu digitaalisesta analogiseksi -muuntimien lineaarisuuteen ja suorituskykyyn vaikuttavien seikkojen teoriaa, ja esitetty digitaalinen kalibrointialgoritmi muuntimen staattisen suorituskyvyn parantamiseksi. Algoritmi on toteutettu 16-bittisen muuntimen yhteydessä ja se on osoitettu toimivaksi mittauksin.