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Técnicas de Linearização em Dispositivos de RF João P. Martins Instituto de Telecomunicações Universidade de Aveiro Portugal Tópicos Introdução Técnicas de linearização Técnicas de medida de fase Linearização de um misturador Conclusões Perspectivas de trabalho futuro 2 Tópicos Introdução Técnicas de linearização Técnicas de medida de fase Linearização de um misturador Conclusões Perspectivas de trabalho futuro 3 Introdução Sistemas não lineares Principio da sobreposição e proporcionalidade não se verificam 4 Introdução Bloco de recepção Distorção provocada por um interferidor forte ADC Interferer 7 AGC Control 0 90 Power Detector LNA 6 ADC Rx - Base Band Processing Unit ...101011... ...110101... Synt. osc 5 Introdução Fontes de distorção em sistemas de recepção Distorção gerada no LNA e no misturador devido a um interferidor forte – “blocking” Causas Sistema “Full-Duplex” Equipamentos multi-sistema Interferência causada por terceiros 6 Tópicos Introdução Técnicas de linearização Técnicas de medida de fase Linearização de um misturador Conclusões Perspectivas de trabalho futuro 7 Técnicas de Linearização Realimentação Negativa xe (t ) = x(t ) − yr (t ) Kd (t ) y (t ) = Kx (t ) + A x(t ) yr (t ) = y (t ) K y (t ) = Axe (t ) + d (t ) 8 Técnicas de Linearização Realimentação negativa Vantagens Aumento da linearidade Redução da sensibilidade do circuito Desvantagens Menor eficiência em potência Estabilidade (malha de realimentação) Largura de banda Redução de ganho 9 Técnicas de Linearização Feedforward AA1 A VAT12 (t ) = − jωτVAin1 (t )e − jω (τ A1 +τ T 2 ) + Vd (t )e − jωτ T 2 VA1 (t ) = Vin (t )e2 + Vd ( t ) 2 AA2 = CC1CC 2 τ A2 = τ T 2 Vin (t ) VA 2 (t ) = AA 2 Vd (t )e − jωτ A 2 CC 2 τ =τ T1 A1 Vin (t ) − jωτ T 1 V Sub 2 (t ) = e CC1 = AA1 2 AA1 − jωτ − jω (V V1inA(At 2) τ AA τ1tT)2 ) − jV ωτdT(2t ) AA − j−ωjωτ (τ−A1jωτ +τ TA 22 ) ( A − jωτ 1+ A d 1 A At1 ) = ( ) = ( ) + ( ) − ( ) V t V t e Vd t e V t e V ( t ) V ( t ) V ( V ( t ) e V ( t ) e = − + − V t V t e ( ) = ( ) d V Sub1 (t )err=out V1in2(t )ein sub 2 + 2C in sub in out CC1 2 CC21CinC 2 CCC11 2CC1 A1 T1 10 Técnicas de Linearização Feedforward Vantagens Largura de banda elevada Estabilidade Capacidade de cancelamento Desvantagens Complexidade Desalinhamento devido a envelhecimento 11 Técnicas de Linearização Pré-distorção Y2 (ω ) = (G AGB )S (ω ) + GB D A (ω ) + DB (ω ) X (ω ) = S (ω ) Y1 (ω ) = G A S (ω ) + D A (ω ) GB DA (ω ) = − DB (ω ) 12 Técnicas de Linearização Pré-distorção Vantagens Simples Estável Desvantagens Malha aberta Sensibilidade ao envelhecimento Poder de cancelamento 13 Técnicas de Linearização Pós-distorção X IN Yc Y1 A B OUT H 1C (ω ) = H 1A (ω ) H 1B (ω ) H 3C (ω1 , ω2 , ω3 ) = H1B (ω1 + ω2 + ω3 ) H 3A (ω1 , ω2 , ω3 ) 2 + H 2B (ω1 , ω2 + ω3 ) H1A (ω1 ) H 2A (ω2 , ω3 ) 3 2 + H 2B (ω2 , ω1 + ω3 ) H1A (ω2 ) H 2A (ω1 , ω3 ) 3 2 B + H 2 (ω3 , ω1 + ω2 ) H1A (ω3 ) H 2A (ω1 , ω2 ) 3 + H 3B (ω1 , ω2 , ω3 ) H1A (ω1 ) H1A (ω2 ) H1A (ω3 ) 14 Técnicas de Linearização Pós-distorção X IN Yc Y1 A B OUT 0 H 3C (ω1 , ω2 , ω3 ) = H1B (ω1 + ω2 + ω3 ) H 3A (ω1 , ω2 , ω3 ) + H 3B (ω1 , ω2 , ω3 ) H1A (ω1 ) H1A (ω2 ) H1A (ω3 ) H 3B (ω1 , ω2 , ω3 ) H 3A (ω1 , ω2 , ω3 ) =− A B H1 (ω1 + ω2 + ω3 ) H1 (ω1 ) H1A (ω2 ) H1A (ω3 ) 15 Técnicas de Linearização Pós-distorção Vantagens Simples Estável Pode funcionar a baixa frequência (misturador em “downconvertion”) Desvantagens Malha aberta Sensibilidade ao envelhecimento Poder de cancelamento 16 Tópicos Introdução Técnicas de linearização Técnicas de medida de fase Linearização de um misturador Conclusões Perspectivas de trabalho futuro 17 Medida de Fase Caracterização da resposta de um sistema Determinar a função de transferência Sinal de entrada “conveniente” – multisine Determinar a amplitude e a fase de cada componente 18 Medida de Fase Cancelamento de sinal – Sinais não correlacionados [Suematsu] Sintonia difícil Processo de medida manual Topologia complexa - muitos instrumentos de medida Vector Network Analyser VECTOR MODULATOR Mechanical RF Switch Spectrum Analyser Two Tone Input LO Power Meter Spectrum Analyser Reference IM Generator Delay Line 19 Medida de Fase x2 (t ) = a1 A1 cos(ω1t − φ110 ) + a1 A2 cos(ω 2 t − φ101 ) Filtragem espectral Ideia baseada na topologia super heterodina dos equipamentos de medida convencionais 3 2 a3 A1 A2 cos[(2ω1 − ω 2 )t − φ32−1 ] 4 6 ⎡3 3 2⎤ + ⎢ a3 A1 + a3 A1 A2 ⎥ cos(ω1t − φ310 ) 4 ⎣4 ⎦ + 3 ⎡6 2 3⎤ + ⎢ a3 A1 A2 + a3 A2 ⎥ cos(ω 2 t − φ301 ) 4 ⎣4 ⎦ 3 2 + a3 A1 A2 cos[(2ω 2 − ω1 )t − φ3−12 ] 4 + ... x3 (t ) = a1r A1 cos[ω1t − φ110r ] + a1r A2 cos(ω2t − φ101r ) 3 2 + a3r A1 A2 cos[(2ω1 − ω2 )t − φ32−1r ] 4 6 ⎡3 3 2⎤ + ⎢ a3r A1 + a3r A1 A2 ⎥ cos[ω1t − φ310r ] 4 ⎦ ⎣4 () ( ) 3 ⎡6 2 3⎤ + ⎢ a3r A1 A2 + a3r A2 ⎥ cos(ω2t − φ301r ) 4 ⎣4 ⎦ 33 22 x76 (t2) = K filter K a ( 2 ω − ω − ω )tt −−φφ33−−12 K a A A cos − ω mix 3 r 1 2 2 1 lo 12 r − θ filter mix 3 1 23 3 22 1 lo 4 [ ( ) ] + cos 2 − − a A A ω ω t φ 4 3 r 1 2 2 1 3 − 12 r 23 20 2 3 4 + ... ( ) [( ω1t(t +− τcos y NL (t ) = ax11x(tt −=τ cos ) +ωat x(t − τ ) + ... 1 ) + a2 x ) ] Medida de Fase Filtragem espectral Misturadores devem ser emparelhados para se manter a simetria da configuração A largura de banda do filtro define o espaçamento mínimo entre tons A gama dinâmica da configuração depende do nível de rejeição do filtro fora da banda de passagem 21 Medida de Fase Procedimento de calibração Pressupõe-se que a entrada e a saída do DUT estão adaptadas Substituir DUT por um "through" Sintetizar uma multisine com fase conhecida C1 C2 Medir a resposta da referência não linear Criar matriz de calibração 22 Tópicos Introdução Técnicas de linearização Técnicas de medida de fase Linearização de um misturador Conclusões Perspectivas de trabalho futuro 23 Linearização de um misturador Topologia do Misturador Misturador passivo balanceado λ /4 1:n Z SRF(ω ) λ /4 ZSLO(ω ) RF (t) TLIN IF RF LO v LO (t) 1:n Z LIF(ω) λ /4 24 Linearização de um misturador Caracterização do misturador Variação da potência da FI em função do OL -20 -30 Potência FI [dBm] Fundamental -40 -50 -60 Distorção de Intermodulação -70 -80 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 Potência OL [dBm] 6 8 10 25 Linearização de um misturador Caracterização do misturador Características de amplitude e fase 250 150 Fundamental Fase FI [ º] Potência FI [dBm] 200 Distorção de Intermodulação 100 Fundamental 50 Distorção de Intermodulação 0 -50 -25 Potência RF [dBm] -20 -15 -10 -5 0 Potência RF [dBm] 26 Linearização de um misturador Topologia do pós-distorçor Gain X+Dx GX+GDx IN OUT GX Distortion -GDx 27 Linearização de um misturador Implementação prática Amplitude e fase da distorção controladas através do ponto de polarização e da atenuação e do valor da indutância Z Lin (ω) Z FI(ω ) Idiode 28 Linearização de um misturador Implementação prática O ponto de polarização define os valores de fase e de amplitude da distorção IMD phase -200 -5 Output Phase [deg] Normalized Output Power [dB] 10 Fundamental -20 IMD -35 -50 -65 Fundamental phase -100 0 -100 IMD phase -200 -80 0 100 200 300 400 Bias Current [μ A] 500 600 700 0 100 200 300 400 500 600 700 Bias Current [μ A] 29 Linearização de um misturador Topologia do sistema completo λ /4 1:n Z SRF( ω ) v RF(t) Z SLO( ω ) RF IF LO Z LIF(ω ) vLO (t) 1:n λ /4 Idiode 30 Linearização de um misturador Resultados experimentais Compensação de 12 dB num teste de 2 tons -10 -10 -20 Output Power [dBm] Output Power [dBm] -20 -30 -40 -50 -60 -70 -40 -50 -60 -70 -80 -90 114.7 -30 -80 114.9 115.1 115.3 Frequency [MHz] 115.5 115.7 -90 114.7 114.9 115.1 115.3 115.5 115.7 Frequency [MHz] 31 Linearização de um misturador Resultados obtidos Gama de linearização de 5dB no sinal de entrada 10 -0 Output Power [dBm] -10 -20 Mixer and Linearizer Output Fundamental -30 Mixer IMD output -40 Linearizer IMD output -50 -60 -70 -80 -14 -13 -12 -11 -10 -9 Input Power [dBm] -8 -7 32 Linearização de um misturador Resultados obtidos Ganho de 5dB em ACPR para um sinal CDMA -10 Output Power - 20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 113 114 115 116 Frequency 117 118 33 Tópicos Introdução Técnicas de linearização Técnicas de medida de fase Linearização de um misturador Conclusões Perspectivas de trabalho futuro 34 Conclusões Sistema de medida de fase Proposta nova configuração para medida de fase de sinais multi-tom não correlacionados Topologia simples Capacidade de automação Boa gama dinâmica Linearizador Nova topologia de linearização proposta Configuração validada experimentalmente Topologia simples – funcionamento a baixa frequência Possibilidade de implementação em MMIC 35 Perspectivas de trabalho Futuro Estudo detalhado das causas e manifestações de efeitos de memória em sistemas de RF Estudo de novas técnicas de linearização capazes de reverter as componentes de distorção na presença de efeitos de memória 36 End 37