V t

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