On memory induced, nonlinear behavior of all-digital radio frequency transmitters

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Modellierung von voll-digitalen Hochfrequenz-Sendern (DRFTx). Der Einsatz nichtlinearer Hochfrequenz-Modulatoren ermöglicht es Sender zu realisieren, die gleichsam hoch effizient und software-konfigurierbar sind. Damit würde man den lang ersehnten Brückenschlag zwischen der rasanten Entwicklung und der im Vergleich dazu schleppenden Verbreitung neuer Funkstandards ermöglichen. Obwohl der DRFTx theoretisch großartiges Potential verspricht, wird er bis dato nicht großflächig eingesetzt. Das lässt sich vor allem durch gewisse Eigenheiten des Konzepts und mehrere inhärente Eigenschaften erklären. Erstens müssen verlustarme Filter mit hohen Gütefaktoren eingesetzt werden, um die gewünschte Funktionalität zu erreichen. Diese sind aber schwer zu integrieren, groß und teuer. Zweitens erzeugt der Modulator aufgrund seiner Funktionsweise eine Vielzahl an Signalkomponenten, die nicht dem eigentlichen Ausgangssignal zuzurechnen sind. Diese müssen, um die Funktionsweise des Gesamtsystems zu ermöglichen, bis zum Leistungsverstärker (PA) durch die Signalkette aufrechterhalten werden. Das steht allerdings im Widerspruch zu den meisten Entwurfsparadigmen für hocheffiziente Leistungsverstärker. Um solche Sender zu realisieren, wäre daher ein komplett neues Entwicklungskonzept notwendig, was eine große Hürde darstellt. Drittens, die Abhängigkeiten zwischen dem Modulator, der ausschließlich aus Software besteht, und jenen der Schaltungstechnik verhindert eine separate Entwicklung dieser Einheiten. Um das Gesamtsystem zu optimieren, ist hier ein übergreifender Entwurf notwendig, der momentan sehr unüblich ist. Diese Arbeit zeigt, dass für die Optimierung des Gesamtsystems die Abhängigkeiten zwischen Modulator und Schaltung berücksichtigt werden müssen. Ein Schaltungsmodell welches das leistet, ist ein erster und wichtiger Schritt dazu. Das Modell muss dazu auf Basis der digitalen Ausgangssignale des Modulators das Verhalten der Schaltung prädizieren können. Das erlaubt schaltungsspezifische Kennwerte, wie Leistungseffizient oder Speichertiefe, mit den Eigenschaften und Einstellungen des Modulators zu verknüpfen. Nur wenn das Modell diese Abhängigkeiten korrekt abbildet, ist es möglich, das Gesamtsystem zu optimieren. Als übergeordnetes Ziel kann dadurch eine Realisierung gefunden werden, die eine optimale Balance zwischen Schaltungskomplexität, Leistungseffizienz und nichtlinearer Verzerrung aufweist. Es gibt eine Fülle von Modelltypen, die für diese Anwendung in Frage kommen. Diese Arbeit handelt die wichtigsten überblicksmäßig ab und vergleicht zwei davon detailliert. Dabei handelt es sich um die Klasse der "auto regressive exogenous" (ARX) Modelle und eine Tabellen basierterte Lösung (LUT). Der Tabellen Ansatz hat sich im Rahmen der Analyse als die handhabbarere herausgestellt. Außerdem konnte diese durch den Einsatz einer hierarchischen Daten-Strukturierung für diese Anwendung optimiert werden. Alle Ergebnisse, die in dieser Arbeit präsentiert werden, basieren auf Messungen an einem DRFTx Test-Aufbau. Dieser ist Teil eines Laboraufbaus zur Untersuchung dieser Sendertopologie, welcher ein 20 MHz LTE Signal bei einer Mittenfrequenz von 2,5 GHz erzeugt. Die Leistungsendstufe verwendet einen weit verbreiteten 10 W GaN HEMT von CREE.

This work discusses the design and modeling of all-digital radio frequency transmitters (DRFTx). Transmitters based on nonlinear radio frequency (RF) modulators can be energy efficient and universal with respect to center frequencies and modulation formats. This ability is highly desirable for the steadily increasing pace and multitude at which RF-modulation standards are developed and deployed. However, despite its potential, the DRFTx hasn't been adopted for today's mainstream applications, mainly for three reasons. Firstly, the RF-circuitry requires low loss filters with high quality factors which are inherently bulky and expensive. Secondly, the modulator introduces undesired signal components that need to be sustained throughout the signal chain in order to preserve certain properties of that signal. However, this renders many design paradigms for high efficiency power amplifiers (PA) useless. Dealing with the many issues of a completely novel design methodology is a hurdle in itself. Thirdly, due to its entanglement between the software based modulator and the attached RF circuitry the modulator and PA cannot be developed separately. Both of these entities are highly nonlinear and show memory affected behavior. In order to get the best overall system performance a co-design approach is required, which again is not established yet. This work demonstrates some of these dependencies and shows that a system approach is required in order to gain an optimized DRFTx design. An important stepping stone is the availability of a circuit-centric model. This allows linking circuit measures like energy efficiency, effective memory depth or nonlinear distortion to properties of the excitation signal generated by the modulator. By using a model that captures these dependencies, a joint optimization between modulator settings and circuit variants can be conducted. Ultimately, this allows to balance nonlinear distortion, circuit complexity, and power efficiency in order to gain an overall viable system. There are different model types that can serve for this purpose which are presented as an overview in this work. However, the auto regressive exogenous (ARX) and a type of look up table model (LUT) have been investigated and compared in detail. The latter one has been found to be the more suitable option and it was possible to improve it by introducing a hierarchical data structuring technique. All the results presented in this work are based upon or verified by measurements of a purpose built DRFTx setup. It is based on a laboratory test bench which was built to produce a 20 MHz LTE signal at a center frequency of 2.5 GHz utilizing a 10 W GaN HEMT.