Introducción. Revolución Inalámbrica. Tecnología

Transcripción

1 Estudio y Diseño de Moduladores y Demoduladores Integrados para Comunicaciones Inalámbricas en la Tecnología SiGe 0.35µm de AMS Titulación: Sistemas de Telecomunicación Tutores: Francisco Javier del Pino Suárez Amaya Goñi Iturri Autor: Cristóbal Guedes Suárez Fecha: Diciembre 2004

2 Introducción Revolución Inalámbrica Tecnología

3 Índice BLOQUE I BLOQUE II BLOQUE III Introducción Objetivos Modulaciones Digitales Manejo de ADS Estudio del Sistema QPSK Mezclador de frecuencias Diseño de los mezcladores Simulaciones del sistema diseñado Conclusiones Presupuesto

4 Objetivos Estudiar las modulaciones digitales con sus respectivos moduladores y demoduladores Diseñar un modulador y demodulador teniendo en cuenta un modelo de referencia del software ADS Verificar el funcionamiento conjunto de ambos dispositivos en el sistema de comunicaciones QPSK

5 Índice BLOQUE I BLOQUE II BLOQUE III Introducción Objetivos Modulaciones Digitales Manejo de ADS Estudio del Sistema QPSK Mezclador de frecuencias Diseño de los mezcladores Simulaciones del sistema diseñado Conclusiones Presupuesto

6 Modulaciones Digitales Modulación/Demodulación Traslación espectral de una señal con una frecuencia determinada a otra distinta Señal en Banda Base Señal Paso Banda Señal Moduladora Señal Modulada Portadora Por qué? Dimensiones de la antena Canalización de las señales

7 Modulaciones Digitales Parámetros de la señal digital modulada Probailidad de Error (Pe ó BER) nº de bits erróneos P e = BER = nº de bits emitidos

8 Modulaciones Digitales Diagrama de ojo Instante de decisión Umbral de decisión Interferencia entre Símbolos Umbral Interferencia Umbral Sin Interferencia

9 Modulaciones Digitales Clasificación de las modulaciones Amplitud ASK Fase BPSK DBPSK QPSK OQPSK PSK MPSK Frecuencia FSK MSK GMSK π/4-dqpsk FQPSK Mixtas QAM APSK

10 Modulaciones Digitales Modulación QPSK La señal queda descrita por: S ( t) = A cos[ ω t + ϕ ( t) ] RF i donde ϕ i π 4 () t = ( 2i + 1) Constelación +135º (I=-1, Q=1) -135º (I=-1, Q=-1) i=0,1,2,3. Q +45º (I=1, Q=1) -45º I (I=1, Q=-1) IS jωrft jωrft () e e cos( ω ( t) = I) j ωrf t t I jq e + ( I + jq) e j = S Q sen ωrf [ ] t RF jϕ I Q e Arreglando un poco 2 2 j e RF t jω t () t = I + Q cos e RF ( ω t) ( ω RFt +ϕ) = Q RF A donde + 2 j2 Q ϕ = tg 1 I jϕ I 2 + Q 2 e

11 Modulaciones Digitales Señal Espectro QPSK QPSK DEE (db) DEE (db) Crecimiento Espectral frecuencia (Hz.) Modulador Demodulador frecuencia (Hz.)

12 Índice BLOQUE I BLOQUE II BLOQUE III Introducción Objetivos Modulaciones Digitales Manejo de ADS Estudio del Sistema QPSK Mezclador de frecuencias Diseño de los mezcladores Simulaciones del sistema diseñado Conclusiones Presupuesto

13 Manejo de ADS Software ADS ( (Advanced Design System) Simuladores Ruido Simulación Envolvente Descripción Estima la NF de redes lineales y no lineales Mide la respuesta de redes no lineales con entrada moduladas Análisis en modo mixto Rendimiento Simulación de componentes analógicos y digitales Calcula el rendimiento del circuito a partir de las tolerancias de los componentes

14 Manejo de ADS Balance Armónico Estudios de estabilidad Análisis de circuitos no lineales (mezcladores) Eficiencia Papel del diseñador

15 Índice BLOQUE I BLOQUE II BLOQUE III Introducción Objetivos Modulaciones Digitales Manejo de ADS Estudio del Sistema QPSK Mezclador de frecuencias Diseño de los mezcladores Simulaciones del sistema diseñado Conclusiones Presupuesto

16 Estudio Sistema QPSK Datos Descripción del Sistema QPSK CRC I Datos Transmisor P.A. Canal Receptor Q Señal filtrada y Señal Fuente Señal Recuperada Modulada de Datos amplificada

17 Estudio Sistema QPSK Datos Datos Filtros Transmisor CRC Receptor I Q dbm (Spec_M od) G 1.88G 1.92G 1.96G 2.00G 2.04G 2.08G 2.12G 2.16G freq, Hz Sin Filtro dbm (Spec_M od) G 1.88G 1.92G 1.96G 2.00G 2.04G 2.08G 2.12G 2.16G freq, Hz Con Filtro

18 Estudio Sistema QPSK Filtros Datos Datos Transmisor CRC Receptor Q Transmisor α Receptor α frecuencia 0.5 Hz/Div frecuencia 0.5 Hz/Div 2.0

19 Estudio Sistema QPSK Filtros Imag. α=0.0 Imag. α=0.5 Imag. α=1.0 α=0.0 α=0.5 α=1.0 Real Real Real

20 Estudio Sistema QPSK Amplificadores Datos CRC I Datos Transmisor P.A. Receptor Q Lineal No Lineal Crecimiento Espectral

21 Estudio Sistema QPSK Modulador en Cuadratura Datos Datos Transmisor V_DC SRC3 Vdc=5.0 V 1 12 Acoplador Wilkinson Mixer_GilCel 2 X6 P2 1 3 Port P3 Num=3 CRC Receptor 2 P V_DC SRC4 Vdc=5.0 V I Q mezcladores Port P1 Num=1 1 1 P1 RF_port LO_port Bias _port IF_port 4 P4 3 P3 2 Wilkinson X3 phase_shift X P3 LO_port Bi as _port RF_port IF_port 1 P1 4 Mixer_GilCel P4 X9 1 Port P2 Num=2 Desfasador P_1Tone PORT1 Num=1 Z=50 Ohm P=dbmtow(8) Freq=2 GHz

22 Estudio Sistema QPSK Demodulador en Cuadratura 1 Datos V_DC SRC4 Vdc=5.0 V 12 4 Vcc 1 3 Port P1 Num=1 CRC 4 Vcc 1 12 V_DC SRC3 Vdc=5.0 V I Datos Transmisor Port P3 Num=3 1 1 RF RF Vcc OL 2 1 FI 3 FI Wilkinson X3 1 RF RF Vcc OL FI Receptor 2 2 OL OL down_mixer phase_shift down_mixer down_mixer1 X4 down_mixer FI 1 Port P4 Num=4 Q 3 1 Port P2 Num=2

23 Estudio Sistema QPSK Desfasador Red RC-CR CR ω = 2 π f = 3 1 RC C R fijando R = 100Ω R C C = 0. 8pF 2 1 db(phase_shift_out..s(1,3)) db(phase_shift_out..s(2,3)) phase(phase_shift_out..s(2,3)) phase(phase_shift_out..s(1,3)) m freq=2.000ghz phase(phase_shift_out..s(2,3))= m freq=2.000ghz phase(phase_shift_out..s(1,3))= G Pérdidas Fase 1.20G 1.40G 1.60G 1.80G G 1.20G1.40G 1.60G 1.80G 2.00G 2.20G2.40G 2.60G 2.80G3.00G freq, Hz m1 m2 2.00G 2.20G 2.40G 2.60G 2.80G 3.00G

24 Estudio Sistema QPSK 1 2 Acoplador Wilkinson R 3 R 1 R 2 3 Parámetros Valor S 13 y S S y S 32 S 11 S 22 S 33 Parámetros S Parámetros acoplador Wilkinson R 1 = R2 = Z0 2 R3 = 2 Z 0 R 1 = R 2 = 70. 7Ω R 3 =100Ω Circuito simétrico y recíproco

25 Estudio Sistema QPSK Balance del Sistema QPSK Estudio de potencias del sistema (dbm( dbm) Datos CRC I Datos Q

26 Estudio Sistema QPSK Balance de potencias del up-converter I -52dBm 8dBm 90º 0dBm G mezclador =? W -47dBm AP Canal -47dBm -8dB A -6.87dB +30dB -30dB Modulador Q -52dBm Ganancia del Mezclador P Salida Modulador G Wilkinson P Canal I 47 dbm ( 6.87 db) ( 52 dbm) =11.87 db

27 Estudio Sistema QPSK Balance de potencias del down-converter I -39dBm dBm AP Canal -47dBm W G mezclador =? 8 dbm 90º 16 dbm Rec. Portadora +30dB -30dB -6.87dB -8dB Demodulador Q -39dBm Ganancia del Mezclador P Salida mezclador P Entrada mezclador 39 dbm dbm =14.87 db

28 Estudio Sistema QPSK Especificaciones de los mezcladores Frecuencias Parámetro Ganancia de conversión IP3 referido a la entrada de RF Figura de ruido SSB Potencia consumida Tensión n de alimentación Especificaciones de los Mezcladores RF OL FI Up-converter Down-converter Unidades db dbm db mw V GHz GHz MHz

29 Índice BLOQUE I BLOQUE II BLOQUE III Introducción Objetivos Modulaciones Digitales Manejo de ADS Estudio del Sistema QPSK Mezclador de frecuencias Diseño de los mezcladores Simulaciones del sistema diseñado Conclusiones Presupuesto

30 Estudio del Mezclador La función del mezclador es trasladar espectralmente una señal en una banda a otra sin introducir cambios en la señal V RF V FI Down-conversion OL V OL FI IM RF f

31 Estudio del Mezclador Parámetros del mezclador Ganancia de conversión Figura de ruido V RF V FI Aislamiento V OL Rango Dinámico Punto de intercepción de tercer orden

32 Estudio del Mezclador Tipos de mezcladores Pasivos (Gc( Gc<1) Introducen Pérdidas Presentan buena linealidad

33 Estudio del Mezclador Activos (Gc( Gc>1) Introducen Ganancia Etapa Salida Vcc Linealidad aceptable V Vp Vm Etapa Entrada Simplemente Doblemente Balanceado

34 Estudio del Mezclador Funcionamiento de la Célula de Gilbert Etapa Salida Vcc RF V Vp OL Vm Etapa Entrada FI V RF ( t) VOL ( t) = cos RF OL OL OLt... 2 π 3 3 ( ω t) + cos( ω t) + cos(3ω t) + cos(5ω ) = cos RF OL RF OL RF t 2 π Down-conversion Up-conversion ( ω t) + { cos[ ω ω ]() t + cos[ ω + ω ]() +...}

35 Índice BLOQUE I BLOQUE II BLOQUE III Introducción Objetivos Modulaciones Digitales Manejo de ADS Estudio del Sistema QPSK Mezclador de frecuencias Diseño de los mezcladores Simulaciones del sistema diseñado Conclusiones Presupuesto

36 Diseño de los Mezcladores Esquema de diseño Cálculos Teóricos Polarización Simulaciones a nivel esquemático ADS Adaptación de Impedancias Ganancia de Conversión Linealidad Figura de Ruido Dimensionado de los transistores

37 Diseño de los Mezcladores Polarización Análisis de continua o DC Estudio del Transistor IC.i, ma IBB=3.000E-6 IBB=2.500E-6 IBB=2.000E-6 IBB=1.500E-6 IBB=1.000E-6 IBB=5.000E VCE

38 Diseño de los Mezcladores Polarización de las entradas 5 V 1.2V R C R C V 01 V 02 OL Q 1 2.2V Q 2 Q 3 Q 4 2.5V R C = V CC V I EE C ( 1 4) 5V 3.8V = = 2kΩ 600µ A RF 1V Q 5 Q 6 1.5V 0.6V I EE

39 Diseño de los Mezcladores Espejo de corriente Formado por MOSFETs Regulación de la corriente mediante las dimensiones Mezclador Buffer V DD R fuente I V V = R I I D = 20kΩ DD GS Ref = 121µ fuente ( W L) ( W L) D 2 1 = = 2 N A I ref I D5 I D4 I D3 I D2 Q 5 Q 4 Q 3 Q 2 Q 1 Espejo de corriente Transistor Q 1 Q, Q 2 3 Q, Q 4 5 W 0.4µm 3µm 2.6µm L 0.4µm 0.4µm 0.4µm

40 Diseño de los Mezcladores Adaptación El objetivo conseguir máxima transferencia de energía Se consigue insertando una red adaptadora a la Z 0 (50Ω) Se mide mediante los parámetros S X= S 11 = Z Z in in Z + Z ( db) = 20 S11 S11 log La entrada queda adaptada si Z in =Z 0 =50Ω S 11 =

41 Diseño de los Mezcladores Adaptación de las entradas 5V R 1 R C R C V 01 V R 02 R 3 2 OL_REF Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 OL R 4 R RF_REF Q 5 Q 5 6 RF I EE

42 Diseño de los Mezcladores Adaptación de la salida Buffer con configuración en seguidor de emisor Elección por sus características de impedancia Q 7 Q 8 C 1 C 2 I EE3 I EE2 freq (1.008GHz to 3.000GHz) freq (1.008GHz to 3.000GHz)

43 Diseño de los Mezcladores Coeficientes de onda estacionaria (VSWR) Entradas Salidas

44 Diseño de los Mezcladores Diseño del mezclador de up-conversion Ganancia de conversión R C R C

45 Diseño de los Mezcladores Linealidad R 1 R C R C V 01 R V 02 R 3 2 5V OL_REF Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 OL RF R 4 Q 5 Q 6 R E R 5 RF_REF R E I EE R E I EE I EE Aumento de la linealidad Disminución de la ganancia V V od id R = R C E

46 Diseño de los Mezcladores Disminución Aumento de la de linealidad la ganancia con con la R la E R E R E R E

47 Diseño de los Mezcladores Figura de ruido Dos tipos de ruido Ruido Térmico o Johnson. Agitación térmica de los portadores de un conductor o semiconductor, está presente en todo componente que afrezca una resistencia a la corriente Ruido Shot. Asociado al mecanismo físico de salto de una barrera potencial Ambos tienen dependencia con el BW

48 Diseño de los Mezcladores Figura de ruido frente a I EE y R E

49 Diseño de los Mezcladores Reducción de la NF mediante degeneración inductiva NFssb IP3output NFdsb IP3input ConvGain E-9 2.0E-9 3.0E-9 4.0E-9 5.0E-9 6.0E-9 7.0E-9 8.0E-9 9.0E-9 1.0E E-9 2.0E-9 3.0E-9 4.0E-9 5.0E-9 6.0E-9 7.0E-9 8.0E-9 9.0E-9 1.0E-8 L E R E R E

50 Diseño de los Mezcladores Comparación de especificaciones Parámetro Especificaciones up-converter Requeridas Obtenidas Unidades Ganancia de conversión db IIP dbm Figura de ruido db Potencia consumida mw

51 Diseño de los Mezcladores Optimización de las áreas de los transistores -9 AreaDif= AreaDif=1.000 IP3input IP3input AreaDif=3.000 AreaDif=5.000 AreaDif=7.000 AreaDif=9.000 AreaDif= AreaDif= AreaVar AreaDif=3.000 AreaDif=5.000 AreaDif=7.000 AreaDif=9.000 AreaDif= AreaDif= Áreas transistores Q 1-6 del up-converter Transistores Bipolares tipo Dimensión Área Unidad Q npn121 µm 2 1,2,3, Q npn121 µm AreaVar 1,2,3,4 Unidad

52 Diseño de los Mezcladores Diseño del mezclador de Down-conversion La estructura es la misma Diferencia en la distribución de frecuencias R 1 R C =3k Ω R 2 R C =3k Ω k R=50 Ω R=50 Ω R=25 Ω Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 R 3 OL_REF OL RF R 4 R=25 Ω Q 5 L E =5nH Q 6 R 5 R=25 Ω RF_REF I EE I EE

53 Diseño de los Mezcladores Comparación de especificaciones Especificaciones down-converter Parámetro Requeridas Obtenidas Unidades Ganancia de conversión db IIP dbm Figura de ruido db Potencia consumida mw

54 Diseño de los Mezcladores Simulación de esquinas Up-converter Parámetros Tm Gummel-Poon Hs Hb Tm VBIC Hs Hb Ganancia(dB) IIP3 (dbm) NF SSB (db) Down-converter Parámetros Tm Gummel-Poon Hs Hb Tm VBIC Hs Hb Ganancia(dB) IIP3 (dbm) NF SSB (db)

55 Índice BLOQUE I Introducción Objetivos Modulaciones Digitales Manejo de ADS Estudio del Sistema QPSK BLOQUE II BLOQUE III Mezclador de frecuencias Diseño de los mezcladores Simulaciones del sistema diseñado Conclusiones Presupuesto

56 Simulaciones del Sistema Diseñado Introducimos el modulador y demodulador diseñados en el sistema de comunicación, para obtener la curva de la BER y los diagramas de ojo 1. Configuración del modelo de sistema de comunicaciones 2. Modelado del ruido del sistema 3. Configuración de las simulaciones de la BER 4. Evaluación de los resultados

57 Simulaciones del Sistema Diseñado Datos Configuración del sistema de comuncicación A B CRC I Q C B AC

58 Simulaciones del Sistema Diseñado Modelado del ruido en el sistema Datos Multiplexor Modulador Cuadratura t 1 t 2 modulación V j2π ot ( t) e f t 3 t 4 portadora Test Canal BER Eb/No Ruido I Contiene Información I y Q Ruido Q Modulador Cuadratura Referencia Retardo

59 Simulaciones del Sistema Diseñado Ruido Gausiano Señal más ruido Gausiano SenalRuido, V time, usec

60 Simulaciones del Sistema Diseñado Densidades espectrales de ruido Noise _ Noise _ PowerTotal 29 _ dbm = 10 log _ NoisePower dbm = SpecDens dx 35 PowerTotal dbm ( x) + 30

61 Simulaciones del Sistema Diseñado Evaluación de los resultados BER Diagrama de ojo Diagrama_de_Ojo Diagrama_de_Ojo time, nsec time, nsec

62 Índice BLOQUE I Introducción Objetivos Modulaciones Digitales Manejo de ADS Estudio del Sistema QPSK BLOQUE II BLOQUE III Mezclador de frecuencias Diseño de los mezcladores Simulaciones del sistema diseñado Conclusiones Presupuesto

63 Conclusiones Comparación con otros mezcladores Parámetro Parámetro Ganancia Ganancia de conversión de conversión IIP3 IIP3 Figura Figura de ruido de ruido SSB SSB Potencia Potencia consumida consumida Tensión Tensión n de alimentación n de alimentación Down-converter Up-converter Este Proyecto Este Proyecto SiGe 0.35µm SiGe 0.35µm [38] [39] Modelo ADS Unidades 0.35µm m CMOS 0.35µm m CMOS db dbm db mw V Unidades db dbm db mw V

64 Conclusiones Comparación de la BER 3E-1 1E-1 BER 1E-2 Sistema Diseñado Sistema Original 1E Es/No

65 Conclusiones La tecnología SiGe 0.35 µm es válida para el diseño de moduladores y demoduladores Los objetivos planteados inicialmente se han logrado de forma satisfactoria Este trabajo tiene continuidad en aspectos como: La realización del Layout Integración de baluns Estudio de otras alternativas de mezclador baluns (con elementos pasivos como activos)

66 Índice BLOQUE I Introducción Objetivos Modulaciones Digitales Manejo de ADS Estudio del Sistema QPSK BLOQUE II BLOQUE III Mezclador de frecuencias Diseño de los mezcladores Simulaciones del sistema diseñado Conclusiones Presupuesto

67 Presupuesto Otros costes Costes Costes de herramientas software Costes de equipos informáticos Costes de recursos humanos Subtotal IGIC(5%) PRESUPUESTO TOTAL Total (euros)

68 Estudio y Diseño de Moduladores y Demoduladores Integrados para Comunicaciones Inalámbricas en la Tecnología SiGe 0.35µm de AMS Titulación: Sistemas de Telecomunicación Tutores: Francisco Javier del Pino Suárez Amaya Goñi Iturri Autor: Cristóbal Guedes Suárez Fecha: Noviembre 2004