Multi-standard reconfigurable wireless transmitter architectures

Abstract

The continuous demand for highly efficient wireless transmitter systems has triggered an increased interest in switching mode techniques to handle the required power amplification. The RF carrier amplitude-burst transmitter, i.e. a wireless transmitter chain where a phase-modulated carrier is modulated in amplitude in an on-off mode, according to some prescribed envelope-to-time conversion, such as pulse-width or sigma-delta modulation, constitutes a promising architecture capable of efficiently transmitting signals of highly demanding complex modulation schemes. However, the tested practical implementations present results that are way behind the theoretically advanced promises (perfect linearity and efficiency). My original contribution to knowledge presented in this thesis is the first thorough study and model of the power efficiency and linearity characteristics that can be actually achieved with this architecture. The analysis starts with a brief revision of the theoretical idealized behavior of these switched-mode amplifier systems, followed by the study of the many sources of impairments that appear when the real system is implemented. In particular, a special attention is paid to the dynamic load modulation caused by the often ignored interaction between the narrowband signal reconstruction filter and the usual single-ended switched-mode power amplifier, which, among many other performance impairments, forces a two transistor implementation. The performance of this architecture is clearly explained based on the presented theory, which is supported by simulations and corresponding measured results of a fully working implementation. The drawn conclusions allow the development of a set of design rules for future improvements, one of which is proposed and verified in this thesis. It suggests a significant modification to this traditional architecture, where now the phase modulated carrier is always on – and thus allowing a single transistor implementation – and the amplitude is impressed into the carrier phase according to a bi-phase code.

A constante exigência por sistemas de transmissão sem fios altamente eficientes, tem fomentado o interesse em técnicas comutadas aplicadas à necessária amplificação em potência. O transmissor de RF com a portadora pulsada em amplitude, ou seja, um transmissor sem fios em que a portadora modulada em fase é comutada em amplitude em modo activo e inactivo, de acordo com uma determinada conversão amplitude-tempo, tal como as modulações de largura de pulsos ou sigma-delta, constitui uma arquitectura promissora capaz de transmitir eficientemente sinais com modulações complexas altamente exigentes. No entanto, os testes das implementações práticas apresentam resultados que ficam muito aquém das promessas teóricas (linearidade e eficiência perfeitas). Esta tese apresenta, como contributo original para o conhecimento, o primeiro estudo aprofundado e respectivo modelo das características de eficiência e linearidade que podem ser conseguidas com esta arquitectura. A análise começa com uma breve descrição do comportamento teórico idealizado destes sistemas de amplificação comutados, seguido do estudo das muitas fontes de imperfeições que surgem na implementação real. Em particular, é dada uma especial atenção à modulação de carga causada pela interacção, frequentemente ignorada, entre o filtro de banda estreita de reconstrução e o amplificador comutado, que, de entre os vários problemas adicionais que afectam o seu desempenho, força uma implementação com dois transístores. O desempenho desta arquitectura é perfeitamente explicado como base na teoria apresentada, suportada por simulações e respectivos resultados das medidas efectuadas com uma implementação prática plenamente funcional. A partir das conclusões retiradas é formulado um conjunto de recomendações que permitem melhorar desenhos futuros, um dos quais proposto e verificado nesta tese. É sugerida uma importante modificação à arquitectura tradicional, onde a portadora modulada em fase está sempre activa - permitindo uma implementação com um transístor único - e a amplitude é impressa na fase da portadora de acordo com um código bi-fásico.