Técnicas de Linearização em Dispositivos de RF

T T é é cnicas de Lineariza cnicas de Lineariza ç ç ão ão em Dispositivos de RF

em Dispositivos de RF

João P. Martins João P. Martins

Instituto de Telecomunicações Universidade de Aveiro

Portugal

2

Tópicos

„ Introdução

„ Técnicas de linearização

„ Técnicas de medida de fase

„ Linearização de um misturador

„ Conclusões

„ Perspectivas de trabalho futuro

Tópicos

„ Introdução

„ Técnicas de linearização

„ Técnicas de medida de fase

„ Linearização de um misturador

„ Conclusões

„ Perspectivas de trabalho futuro

4

Introdução

„ Sistemas não lineares

„ Principio da sobreposição e proporcionalidade não se verificam

Introdução

„ Bloco de recepção

„ Distorção provocada por um interferidor forte

ADC

ADC

90 0

Interferer Rx - Base Band Processing Unit

Synt.

osc

AGC Control

Power Detector

LNA 7

6

...101011...

...110101...

6

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

Tópicos

„ Introdução

„ Técnicas de linearização

„ Técnicas de medida de fase

„ Linearização de um misturador

„ Conclusões

„ Perspectivas de trabalho futuro

8

Técnicas de Linearização

„ Realimentação Negativa

( ) x t

) ( )

( )

(t x t y t

x_e = − _r

) ( )

( )

(t Ax t d t

y = _e +

K t t y

y_r ( ) )

( =

A t t Kd

Kx t

y ( )

) ( )

( = +

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

10

Técnicas de Linearização

„ Feedforward

in( ) V t

1 1

1( ) ( ) ( )

2

j A

A

A in d t

V t = A V t e^{− ωτ} +V

1

2

( ) ( )

2

j T

in Sub

V t = V t e^{− ωτ}

1 1

1

1 1

( ) ( ) ( )

2

j A d

A

Sub in

C C

A V t

V t V t e

C C

ωτ

= ¹ − ² + ^{1 1 1}

1 1

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

2 2

A T

j d in j

A

err sub sub in in

C C

V t V t

V t V t V t A V t e V t e

C C

ωτ ωτ

− −

= − = + −

1

1 A

T τ

τ =

2 2

2

2

( ) ^A ( ) ^{j A}

A d

C

V t A V t e C

ωτ

= −

1

1 A

C A

C =

1 2 2

( )

1

2( ) ( ) ( )

2

A T T

j j

A

T in d

V t = A V t e^{− ω τ +τ} +V t e^{− ωτ}

1 2 2 2

( )

1 2

1 2

( ) ( ) ( ) ( )

2

A T T A

j j j

A A

out in d

C C

A A

V t V t e Vd t e V t e

C C

ω τ τ ωτ ωτ

− + − −

= + −

2

2 T

A τ

τ =

2 1

2 C C

A C C

A =

1 2

( )

( ) 1 ( )

2

A T

A j

out in

V t = A V t e^{− ω τ +τ}

Técnicas de Linearização

„ Feedforward

„ Vantagens

„ Largura de banda elevada

„ Estabilidade

„ Capacidade de cancelamento

„ Desvantagens

„ Complexidade

„ Desalinhamento devido a envelhecimento

12

Técnicas de Linearização

„ Pré-distorção

( ) ( )

X =

( )^{ω G}_A^S( )^{ω D}_A( )^ω

Y1 = +

( )

( )

A

BD D

G = −

( ) (

) ( )

( )

( )

Y₂ = + +

Técnicas de Linearização

„ Pré-distorção

„ Vantagens

„ Simples

„ Estável

„ Desvantagens

„ Malha aberta

„ Sensibilidade ao envelhecimento

„ Poder de cancelamento

14

Técnicas de Linearização

„ Pós-distorção

IN A B OUT

X Y1 Y^c

) ( )

( )

( _{1 1}

1^C ω H ^A ω H ^B ω

H =

) ( )

( )

( )

, , (

) , ( )

( )

, 3 (

2

) , ( )

( )

, 3 (

2

) , ( )

( )

, 3 (

2

) , , ( )

( )

, , (

3 1 2 1

1 1 3 2 1 3

2 1 2 3

1 2 1

3 2

3 1 2 2

1 3 1

2 2

3 2 2 1

1 3 2

1 2

3 2 1 3 3

2 1

1 3

2 1 3

ω ω

ω ω

ω ω

ω ω ω

ω ω

ω

ω ω ω

ω ω

ω

ω ω ω

ω ω

ω

ω ω ω ω

ω ω

ω ω ω

A A

A B

A A

B

A A

B

A A

B

A B

C

H H

H H

H H

H

H H

H

H H

H

H H

H

+

+ +

+ +

+ +

+ +

=

Técnicas de Linearização

„ Pós-distorção

IN A B OUT

X Y1 Y^c

) (

) (

) (

) ,

, (

) ,

, ( )

( )

, ,

(

3 1

2 1

1 1

3 2

1 3

3 2

1 3

3 2

1 1

3 2

1 3

ω ω

ω ω

ω ω

ω ω

ω ω

ω ω

ω ω

ω

A A

A B

A B

C

H H

H H

H H

H +

+ +

=

) ,

, (

) ,

,

(

3^B

ω ω ω H

ω ω ω

H = −

0

16

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

Tópicos

„ Introdução

„ Técnicas de linearização

„ Técnicas de medida de fase

„ Linearização de um misturador

„ Conclusões

„ Perspectivas de trabalho futuro

18

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

Medida de Fase

VECTOR MODULATOR Vector Network Analyser

Two Tone Input

LO Mechanical

RF Switch

Spectrum Analyser

„ Cancelamento de sinal – Sinais não correlacionados

[Suematsu]

„ Sintonia difícil

„ Processo de medida manual

„ Topologia complexa - muitos instrumentos de medida

20

Medida de Fase

„ Filtragem espectral

„ Ideia baseada na topologia super heterodina dos equipamentos de medida convencionais

( )

( )

( )

x_{1 (} = cos₎ ω₁₍ + cos₎ ω_{2 ( ) ...}

)

(t = a₁x t −τ₁ + a₂x t −τ₂ ² + a₃x t −τ₃ ³ + y_NL

[ ] ( )

( )

[ ]

[ ]

( )

( )

[ ]

...

2 4 cos

3

4 cos 3 4

6

4 cos 6 4

3

2 4 cos

3

cos cos

) (

12 3 1 2 2

2 1 3

301 2 3 2 3 2 2 1 3

310 1 2 2 1 3 3 1 3

1 32 2 1 2

2 1 3

101 2 2 1 110 1 1 1 3

+

−

− +

⎥⎦ −

⎢⎣ ⎤

⎡ +

+

⎥⎦ −

⎢⎣ ⎤

⎡ +

+

−

− +

− +

−

=

−

−

r r

r r

r

r r

r

r r

r r

r r

t A

A a

t A

a A A a

t A

A a A a

t A

A a

t A a t

A a t x

φ ω ω

φ ω

φ ω

φ ω ω

φ ω φ

ω

( )

[ ^{ω −ω −ω −φ −θ}]

= _{3 1 2}² _{2 1 3−12}

6 cos 2

4 ) 3

(t K K a A A t

x t ⁼Kfilter_filterKmix_mix a rAA [( ^{ω −ω −ω}lo_lo)t ^−φ − r ^−θ]

x_{7 3 1 2}²cos 2 _{2 1 312}

4 ) 3

(

( ) ( )

( )

[ ]

( )

( )

( )

[ ]

...

2 4 cos

3

4 cos 3 4

6

4 cos 6 4

3

2 4 cos

3

cos cos

) (

12 3 1 2 2

2 1 3

301 2 3

2 3 2 2 1 3

310 1 2

2 1 3 3 1 3

1 32 2 1 2

2 1 3

101 2 2 1 110 1 1 1 2

+

−

− +

⎥⎦ −

⎢⎣ ⎤

⎡ +

+

⎥⎦ −

⎢⎣ ⎤

⎡ +

+

−

− +

− +

−

=

−

−

φ ω ω

φ ω

φ ω

φ ω ω

φ ω φ

ω

t A

A a

t A

a A A a

t A

A a A

a

t A

A a

t A

a t

A a t 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

22

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

Medir a resposta da referência não linear

Criar matriz de calibração

C1

C2

Tópicos

„ Introdução

„ Técnicas de linearização

„ Técnicas de medida de fase

„ Linearização de um misturador

„ Conclusões

„ Perspectivas de trabalho futuro

24

Linearização de um misturador

„ Topologia do Misturador

„ Misturador passivo balanceado

RF(t)

v_LO(t)

1:n 1:n

TLIN λ/4

λ/4 λ_/4

IF Z_{S RF}(ω)

Z_S (ω₎

LO

LO RF

ZL _IF(ω)

Linearização de um misturador

„ Caracterização do misturador

„ Variação da potência da FI em função do OL

-70 -60 -50 -40 -30 -20

Potência FI [dBm] Fundamental

Distorção de Intermodulação

26

Linearização de um misturador

„ Caracterização do misturador

„ Características de amplitude e fase

Potência RF [dBm]

Potência FI [dBm]

Fundamental

Distorção de Intermodulação

-20 -15 -10 -5

-25 0

0 50 100 150 200

-50 250

Distorção de Intermodulação

Fundamental

Potência RF [dBm]

Fase FI [ º]

Linearização de um misturador

Gain

Distortion

IN OUT

X+Dx

-GDx

GX GX+GDx

„ Topologia do pós-distorçor

28

Linearização de um misturador

I_diode

Z (ω)

FI

Z_{L in} (ω)

„ Implementação prática

„ Amplitude e fase da distorção controladas através do ponto de polarização e da atenuação e do valor da indutância

Fundamental

Normalized Output Power [dB]

-65 -50 -35 -20 -5 10

IMD

Linearização de um misturador

Output Phase [deg]

-200 -100 0 -100

-200 IMD phase

Fundamental phase

IMD phase

„ Implementação prática

„ O ponto de polarização define os valores de fase e de amplitude da distorção

30

Linearização de um misturador

v_RF(t)

v_LO(t)

1:n 1:n

λ/4 λ/4

IF Z_{S RF}(ω)

Z_{S LO}(ω) LO RF

I_diode

Z_{L IF}(ω)

„ Topologia do sistema completo

Linearização de um misturador

-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10

Output Power [dBm]

-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10

Output Power [dBm]

„ Resultados experimentais

„ Compensação de 12 dB num teste de 2 tons

32

Linearização de um misturador

Input Power [dBm]

Output Power [dBm]

-14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -60

-50 -40 -30 -20 -10 -0 10

-80 -70

Mixer IMD output Linearizer IMD output Mixer and Linearizer Output Fundamental

„ Resultados obtidos

„ Gama de linearização de 5dB no sinal de entrada

Linearização de um misturador

Output Power

-10

- 20

-30 -40

-50

-60

„ Resultados obtidos

„ Ganho de 5dB em ACPR para um sinal CDMA

34

Tópicos

„ Introdução

„ Técnicas de linearização

„ Técnicas de medida de fase

„ Linearização de um misturador

„ Conclusões

„ Perspectivas de trabalho futuro

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

36

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

End