IV WORKSHOP en Procesamiento de Señales y Comunicaciones Junio 2011 Técnicas de Compensación de No linealidades en Circuitos Moduladores y Demoduladores IQ para Transceptores de Banda Ancha Guillermo Oscar Barraza Wolf LaPSyC - DIEC Universidad Nacional del Sur 1
Objetivos Estudio y mejoramiento de los circuitos moduladores y demoduladores actualmente en uso. Implementación de técnicas de compensación para los circuitos desarrollados. Creación de nuevos diseños que permitan aumentar el desempeño limitado por la distorsión. 2
Introducción En la actualidad, la mayor parte de los sistemas de comunicaciones emplean transmisores (Tx) y receptores (Rx) digitales. Los Tx y Rx comerciales de banda ancha, utilizan en su mayoría tecnología MOS o BiCMOS. Algunas razones son: Bajo consumo Bajo costo Posibilidad de integración de circuitos digitales y analógicos en un mismo chip. 3
Algunos Ejemplos de Tx y Rx 4
Ventajas de los Tx y Rx Digitales Versatilidad: la misma estructura del equipo permite transmitir y recibir diferentes tipos de mensajes. Posibilidad Multiestándar: el mismo receptor puede reconfigurar el estándar de transmisión con sólo cambiar el software que lo controla. Codificación: permite reducir los efectos del ruido e interferencia. 5
Arquitectura del Tx Digital Tema de estudio 6
Arquitectura del Rx Digital Existen tres tipos: Superheterodino: traslada la señal de RF recibida a una frecuencia intermedia específica. Cero FI: la señal de RF se convierte a banda base sin pasos intermedios. Baja FI: emplea una frecuencia intermedia cercana a cero. 7
Arquitectura del Rx Digital Desbalance Receptor Digital Superheterodino. 8
Arquitectura del Rx Digital No está el mezclador de RF FI = cero Receptor Digital de Conversión Directa. 9
Arquitectura del Rx Digital Receptor Digital de Baja FI. 10
Inconvenientes en el Sistema Digital El rango dinámico de las señales a procesar es muy importante para limitar la distorsión. Las ventajas de la transmisión digital son a expensas del ancho de banda empleado. La arquitectura del receptor influye en el desempeño de la cadena de transmisión. El tipo de modulador / demodulador empleado puede originar distorsión. 11
Modulador de Cuadratura 12
Modulador de Cuadratura Es un dispositivo compuesto por dos ramas que se encargan de generar las componentes de la señal a transmitir. Una componente se denomina en fase (I) y la otra en cuadratura (Q). Permite simplificar la tarea de modulación. 13
Modulador y Demodulador IQ Rama en fase Rama en cuadratura 14
Distorsiones Son causadas por las no-linealidades de los circuitos que procesan la información, en particular, los moduladores y demoduladores. FI = 100 MHz Señal deseada Señal interferente OL 15
Distorsiones Las distorsiones se deben a los desbalances entre las ramas en fase y en cuadratura. Desbalances típicos son: Apartamiento de la cuadratura de fase IQ. Ganancias diferentes entre las ramas IQ. Las distorsiones generan productos de intermodulación (IMD) no deseados. Los IMD más importantes son los de 2 do y 3 er orden. 16
Mezcladores Son el componente fundamental de todo modulador o demodulador. Se encargan del traslado en frecuencia. Pueden ser: Activos o pasivos. Simple balance o doble balance. Up-converter. Down-converter. 17
Mezclador en Celda de Gilbert Es el mezclador más ampliamente utilizado en los diseños actuales. Es balanceado tanto en las entradas de OL y RF como en la salida de FI. Presenta gran aislación entre los puertos de OL y RF como entre los de RF y FI. Por su forma de construcción, pertenece a la típica topología empleada en moduladores y demoduladores IQ. 18
Mezclador en Celda de Gilbert A este par diferencial se aplica la señal de RF A estos pares diferenciales se aplica la señal de OL 19
IF_spectrum Vload, mv Algunos Resultados 25 OL frec = 2.45 GHz RF frec = 2,4 GHz P_RF = -30 dbm P_OL = 0 dbm 0-30 Output Spectrum 20 15 10 5 0-5 -10-15 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 time, nsec -60-90 -120-150 3.0 2.9 2.8 2.7 2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 freq, GHz LO to Output isolation (db) P_LO2IF 51.8 PORT-TO-PORT ISOLATION LO to Input Input to Output isolation (db) isolation (db) P_LO2RF P_RF2IF 79.0 115.8 20
Ventajas del Mezclador de Gilbert Tiene gran aislación entre los puertos. Reduce significativamente las frecuencias indeseadas que se producen en el batido. Presenta alta linealidad para pequeños niveles de señal. Su estructura diferencial proporciona mayor rechazo a frecuencias indeseadas (por ej. del OL). 21
Desventajas del Mezclador de Gilbert Corriente de polarización relativamente alta. Existe una pequeña fuga desde el puerto de OL hacia el puerto de FI. Gran cantidad de componentes. Necesidad de baluns para acoplar las entradas de RF y OL de manera diferencial. 22
Técnicas de Compensación Una modificación apropiada del mezclador lograría reducir o eliminar algún término de la expansión I-V en su respuesta: 2 3 I a a V a V a V 0 1 2 3... Transconductancia Transconductancia de 3 er orden Transconductancia de 2 do orden 23
Técnicas de Compensación Acoplamiento en paralelo de los transistores de RF 24
IF_spectrum Técnicas de Compensación El acoplamiento en paralelo de transistores reduce la cantidad de términos indeseados a la salida. 0-30 Output Spectrum -60-90 -120-150 3.0 2.9 2.8 2.7 2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 freq, GHz Dto. de Ingeniería Eléctrica y de Computadoras - Universidad Nacional del Sur 25
Líneas de Trabajo a Futuro Explorar las diferentes variantes del mezclador de Gilbert con el objeto de mejorar la linealidad. Analizar qué ocurre en términos de ganancia de conversión y cifra de ruido con diferentes tipos de transistores. Investigar y ensayar otros tipos de circuitos moduladores y demoduladores que compensen la distorsión. 26