Design and implementation of a broadband RF-DAC transmitter for wireless communications

Zimmermann, Niklas; Heinen, Stefan

doi:30843

Design and implementation of a broadband RF-DAC transmitter for wireless communications = Entwurf und Implementierung eines RF-DAC Senders mit hoher Bandbreite für den Mobilfunk

Zimmermann, Niklas (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Niklas Zimmermann

Ausgabe1. Aufl.

ImpressumMünchen : Hut 2011

UmfangXX, 151 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-8439-0042-3

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Heinen, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-07-01

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-37561
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51983/files/3756.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Integrierte Analogschaltungen und Institut für Halbleitertechnik (616110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Analoge integrierte Schaltung (Genormte SW) ; CMOS-Schaltung (Genormte SW) ; Funksender (Genormte SW) ; Digital-Analog-Umsetzer (Genormte SW) ; Mixed-Signal-Schaltung (Genormte SW) ; Mobilfunk (Genormte SW) ; Hochfrequenztechnik (Genormte SW) ; Software Radio (Genormte SW) ; Long Term Evolution (Genormte SW) ; OFDM (Genormte SW) ; Drahtloses lokales Netz (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Digital-zu-HF Umsetzer (frei) ; Unerwünschte Aussendungen (frei) ; Digital-to-RF converter (frei) ; OFDM (frei) ; software defined radio (frei) ; mixed-signal circuit (frei) ; integrated analog circuit (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
rvk: ZN 4960 * ZN 4920 * ZN 4970 ZN 4904 * ZN 4900

Kurzfassung
Die kommenden Mobilfunkstandards der vierten Generation stellen hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit des Hochfrequenz-Frontends mobiler Endgeräte. Neue OFDM basierte Funkstandards wie 3GPP LTE, WiMax und WLAN erfordern eine hohe Signalbandbreite, einen großen Dynamikumfang sowie eine gute Rekonfigurierbarkeit. Weiterhin wird heutzutage für jeden Funkstandard und z.T. für jedes Frequenzband ein eigener Hochfrequenz (engl.: radio frequency, RF) Transceiver benötigt. Um die Anzahl der Transceiver auf z.B. einem Smartphone zu verringern, und so Kosten und Fläche zu sparen, wird ein rekonfigurierbares RF-Frontend benötigt. Langfristiges Ziel ist ein sog. „Software Defined Radio“ (SDR). Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein rekonfigurierbarer, weitestgehend digitaler Transmitter entwickelt, der einen sog. RF-DAC verwendet. Der RF-DAC vereint die Funktionalität von Digital-Analog Wandler (DAC) und Mischer in einem Schaltungsblock. Er erlaubt es somit, digitale in analoge Signale zu wandeln, und diese direkt zur RF-Sendefrequenz umzusetzen. Durch den Einsatz des RF-DACs kann die komplette analoge Basisband-Signalverarbeitung, wie z.B. Filter und Basisbandverstärker, entfallen und durch digitale, programmierbare Blöcke ersetzt werden. Zudem arbeiten im RF-DAC alle Transistoren als Schalter. Die Anforderungen an die „analoge“ Leistungsfähigkeit der Transistoren sind gering. Somit sind RF-DAC basierte Transmitter besonders gut für die Implementierung in „nanoscale“ CMOS Technologien mit Strukturgrößen von 65nm und weniger geeignet. Diese Technologien ermöglichen einen sehr leistungsfähigen Digitalteil sowie eine kostengünstige Massenfertigung. In der Arbeit wird zunächst ein Systemkonzept für einen RF-DAC basierten Transmitter, welcher hohe Datenraten unterstützt, entwickelt. Ein Nachteil der RF-DAC Architektur ist, dass innerhalb der monolithischen Verbindung aus stromsteuernden DA-Wandler und Mischer kein Rekonstruktionsfilter am Ausgang des DA Wandlers implementiert werden kann, was zu unerwünschten Signal Replika bei Vielfachen der DAC Abtastrate führt. Daher wurde ein besonderes Augenmerk auf Techniken zur Unterdrückung unerwünschter Aussendungen gelegt. Desweiteren wurde eine Schaltungsimplementierung des RF-DAC basierten I/Q Vektormodulators in einer 65nm CMOS Technologie durchgeführt. Der RF-DAC hat eine Auflösung von 9bit und eine maximale Taktrate von 850 MHz. Eine neuartige RF-DAC Architektur erlaubt besonders hohe Ausgangsleistungen und zugleich eine geringe Leistungsaufnahme bei niedrigen Ausgangsamplituden. Messungen am gefertigten Chip belegen die Leistungsfähigkeit des Transmitters. Die maximale Ausgangsleistung von +16dBm liegt um eine Größenordnung über den Ausgangsleistungen bisher veröffentlichter, vergleichbarer Architekturen. Die Leistungsaufnahme des Modulators sinkt von 280mW bei einem sinusförmigen Ausgangssignal mit der vollen Amplitudenauflösung von 8bit und einer Ausgangsleistung von +14dBm auf 47mW bei einer um 48dB reduzierten Amplitude, was die Effektivität der oben genannten Maßnahmen zur Reduzierung der Stromaufnahme bei kleinen Ausgangsamplituden zeigt. Zusätzlich zu der Amplitudenauflösung von 8bit kann die Ausgangsleistung des Transmitters über die Variation des RF-DAC Bias-Stroms innerhalb eines Dynamikbereichs von mehr als 80dB eingestellt werden. Der RF-DAC Transmitter ist in der Lage, 20MHz breite 64QAM OFDM WLAN Signale zu übertragen und erfüllt die Spektrale Maske des IEEE 802.11n Standards.

Next generation mobile communication standards have high demands on the radio-frequency (RF) frontend performance of mobile devices. New OFDM based mobile standards like 3GPP LTE, WiMax, or WLAN require a high signal bandwidth, high dynamic range as well as a high reconfigurability. Moreover, for each communication standard and frequency band an own RF transceiver is needed for state-of-the-art handhelds. To reduce the needed number of transceivers for devices like smartphones,a reconfigurable RF-frontend is needed, in order to save chip and PCB area and hence cost. Longterm goal is the so-called "Software Defined Radio" (SDR). In the framework of this thesis, a reconfigurable, mostly digital transmitter was developed, which utilizes a so-called RF-DAC. The RF-DAC unites digital-to-analog converter (DAC) and upconversion mixer in a single building block. Thereby, it is possible to convert digital signals directly to RF modulated signals. The usage of an RF-DAC allows the elimination of the all analog baseband signal blocks, like filters and baseband amplifiers. Instead, they are replaced by digital, programmable circuits. Furthermore, all transistors in the RF-DAC operate as switches. The requirements on the "analog" performance of the transistors is low. Hence, RF-DAC based transmitters are especially suited for the implementation in "nanoscale" CMOS technologies with feature sizes of 65nm and below. These CMOS technologies enable high-performance digital circuits as well as a low-cost mass production. In this thesis, first a system concept for an RF-DAC based transmitter, which supports high data rates, is discussed. The RF-DAC architecture has the drawback, that it is not feasible to implement a reconstruction filter within the monolithic connection of DAC and mixer. As a consequence, the RF-DAC emits unwanted signal replica at multiples of the DAC sampling rate. Therefore, special emphasis has been laid the analysis of techniques to reduce these unwanted emissions. Furthermore, a circuit implementation of an RF-DAC based I/Q vector modulator has been conducted and is thoroughly discussed. The RF-DAC has a resolution of 9bit and a maximum sampling rate of 850 MHz. A novel RF-DAC implementation allows especially high output power levels and at the same time a low power consumption at low signal amplitudes. Measurements of the fabricated chip prove the capability of the transmitter. A maximum output power of +16dBm is one decade higher than the power levels of comparable architectures. The power consumption drops from 280mW for a full-scale sinusoidal signal with +14dBm output power to 47mW when reducing the amplitude by 48 dB. This shows the effectiveness of the above mentioned measures to reduce power consumption at low signal amplitudes. In addition to the amplitude resolution of 8bit, the output power can be scaled in a range of more than 80 dB by varying the biasing currents. The RF-DAC transmitter is able to process 20 MHz wide 64QAM OFDM WLAN signals and fulfills the spectral mask the IEEE 802.11n standard.

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