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Técnicas de Compensación de No linealidades en Circuitos Moduladores y Demoduladores IQ para Transceptores

de Banda Ancha.

Guillermo Oscar Barraza Wolf

LaPSyC

Jornadas de PosgradoDIEC – IIIE

2011

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Objetivos

• Estudio y mejoramiento de los circuitos moduladores y demoduladores actualmente en uso.

• Creación de nuevos diseños que permitan aumentar el desempeño limitado por la distorsión.

• Implementación de técnicas de compensación o calibración para los circuitos desarrollados.

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Introducción

• En la actualidad, la mayor parte de los sistemas de comunicaciones emplean transmisores (Tx) y receptores (Rx) digitales.

• Los Tx y Rx comerciales de banda ancha, están convergiendo hacia la utilización de tecnología MOS.

• Algunas razones son: – Bajo consumo– Bajo costo – Posibilidad de integración de circuitos digitales y

analógicos en un mismo chip.

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Algunos ejemplos de Tx y Rx

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¿Por qué TX y RX digitales?

• Versatilidad. La misma estructura del equipo permite transmitir y recibir diferentes tipos de mensajes (voz, sms, fotos, etc.). Implementar un equipo completamente analógico que realice lo mismo es muy difícil o imposible.

• Posibilidad Multiestándar. El mismo receptor puede reconfigurar el estándar de transmisión con sólo cambiar el software que lo controla (software defined radio).

• Codificación. Permite reducir efectos del ruido e interferencia.

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Arquitectura del Tx Digital

Tema de estudio

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Arquitectura del Rx digital

• Existen tres tipos:– Superheterodino

– Cero FI

– Baja FI

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Arquitectura del Rx Digital

Receptor Digital Superheterodino.

Desbalance

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Arquitectura del Rx Digital

Receptor Digital de Conversión Directa.

No está el mezclador de RF FI = cero

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Inconvenientes

• El rango dinámico de las señales a procesar es muy importante para limitar la distorsión.

• La arquitectura del receptor influye en el desempeño de la transmisión.

• Las ventajas de la transmisión digital son a expensas del ancho de banda empleado.

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Soluciones Posibles

• Emplear técnicas de modulación de alta dimensión, multiportadora o ambas para transmitir mucha información a la vez.

QPSK: 2 bits por símbolo 32 QAM: 5 bits por símbolo. Velocidad de símbolo = Velocidad de bit / 5

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Distorsiones

• Algunas de las técnicas anteriores son sensibles a las distorsiones causadas por las no-linealidades de los circuitos que las procesan, en particular, los moduladores y demoduladores.

OLSeñaldeseada

SeñalinterferenteFI = 100 MHz

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Modulador y Demodulador IQ

Rama enfase

Rama encuadratura

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Mezcladores

• Son el componente fundamental de todo modulador o demodulador.

• Pueden ser: – Activos o pasivos – Simple balance o doble balance.– Up-converter.– Down-converter.

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Mezclador en celda de Gilbert

• Es el mezclador más ampliamente empleado en los diseños actuales.

• Es balanceado en sus entradas de OL y RF y también en su salida de FI.

• Presenta una gran aislación entre los puertos de OL y RF y también entre los puertos de OL y FI.

• Por su forma de construcción, es la topología típica en moduladores/demoduladores IQ.

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Mezclador en celda de Gilbert

VloadVloadVload

Vload

VLOin

VRFin

Mix_Diff_Spect_Iso

The transformer baluns are set with turns ratiothat provides a 1:1 impedance transformation.

Set the harmonic amplitudesrelative to the LO power

Diff_MixerUnderTestMIX1VDD=3.3RD=200W1=8e-4W2=8e-4RS=20LS=2 nH

LOp LOm

INp

INm

OUTp

OUTm

VARglobal VAR1IFfreq=if (LOfreq>RFfreq) then (LOfreq-RFfreq) else (RFfreq-LOfreq) endif

EqnVar

TF3TF1T1=2.00T2=2.00

1

2

3

3

1-T1

1-T2

1

TF3TF2T1=2.00T2=2.00

1

2

3

3

1-T1

1-T2

1

TF3TF3T1=2.00T2=2.00

1

2 3

3

1 - T1 1 - T2

1

I_ProbeI_RFin

P_1ToneRFport

Freq=RFfreqP=dbmtow(P_RF)Z=50 OhmNum=1

I_ProbeI_load

I_ProbeI_LOin

I_1ToneSRC3

I_LSB=1 mAI_USB=1 mAFreq=IFfreqI=

TermIFport

Z=Zload OhmNum=2

I_1ToneSRC4

I_USB=1 mAFreq=RFfreq+LOfreqI=

P_nHarmPORT3

P[3]=polar(dbmtow(P_LO-100),0)P[2]=polar(dbmtow(P_LO-100),0)P[1]=polar(dbmtow(P_LO),0)Freq=LOfreqZ=50 OhmNum=3

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Mezclador en celda de Gilbert

V1V1V1

V1

V1

Vin2

Vin1

V2

V2

V2

V_LOp

Vout1

Vout1

Vout2Vout2

Vout2

VDC

DRD is an offset resistanceincluded to emulate a smallimbalance in the mixer. Otherwise,the isolation simulations produceridiculously low feedthrough levels.

V_LOm

V_LOm

RR10R=10 Ohm

RR9R=10 Ohm

MOSFET_NMOSMOSFET3

Trise=Width=WCS

V1

RR5R=5k

RR6R=5k

V2

RR4R=5k

RR3R=RD-DRD Ohm

RR2R=RD+DRD Ohm

MOSFET_PMOSMOSFET10

Trise=Width=WCSPLength=4e-7Model=MODpmos35

MOSFET_NMOSMOSFET9

Trise=Width=WCS/8

MOSFET_NMOSMOSFET4

Trise=Width=WCS/40

MOSFET_NMOSMOSFET2

Trise=Width=W1-DW

V2

RR1R=5k

CC5C=100 pF

CC6C=100 pF

MOSFET_NMOSMOSFET1

Trise=Width=W1+DW

MOSFET_NMOSMOSFET8Trise=

MOSFET_NMOSMOSFET7Trise=

V_LOp

MOSFET_NMOSMOSFET6Trise=

MOSFET_NMOSMOSFET5Trise=

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Algunos resultadosSet the following parameters:1) LO frequency, LOfreq2) Input frequency, RFfreq3) Input power, P_RF4) LO power, P_LO5) Load impedance, Zload

VARR2

Zload=400+j*0P_LO=0P_RF=-30RFfreq=2400 MHzLOfreq=2445 MHz

EqnVar

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 340 36

-120

-90

-60

-30

-150

0

freq, GHz

IF_s

pect

rum

Output Spectrum

Note: Very small amplitude predictions (less than-100 dBm) are not likely to be accurate.

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 340 36

-100

-50

-150

0

freq, GHz

RF_

spec

trum

Input SpectrumP_LO2IF

51.8

P_LO2RF

79.0

P_RF2IF

115.8

LO to Outputisolation (dB)

LO to Inputisolation (dB)

PORT-TO-PORT ISOLATION

Input to Outputisolation (dB)

10 20 30 40 50 60 70 80 900 100

-10

-5

0

5

10

15

20

-15

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time, nsec

Vlo

ad, m

V

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Ventajas del Mezclador Gilbert

• Tiene gran aislación entre los puertos.• Reduce significativamente las frecuencias

indeseadas que se producen en el batido.• Presenta alta linealidad para pequeños niveles

de señal.• Su estructura diferencial proporciona mayor

rechazo a respuestas espurias (por ej. del OL).

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Desventajas del Mezclador Gilbert

• Corriente de polarización relativamente alta.• Existe una pequeña fuga desde el puerto de

OL hacia el puerto de FI.• Gran cantidad de componentes.• Necesidad de baluns.

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Líneas de Trabajo a Futuro

• Explorar la técnica de supresión armónica en el mezclador de Gilbert con el objeto de mejorar su linealidad.

• Analizar qué ocurre en términos de ganancia de conversión y cifra de ruido.

• Investigar y ensayar otros circuitos moduladores y demoduladores.

• Emplear el instrumental incorporado recientemente para realizar las futuras mediciones.

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¡Muchas Gracias!