Reconfigurable transmitters for software-defined radios

Abstract

Flexible radio transmitters based on the Software-Defined Radio (SDR) concept are gaining an increased research importance due to the unparalleled proliferation of new wireless standards operating at different frequencies, using dissimilar coding and modulation schemes, and targeted for different ends. In this new wireless communications paradigm, the physical layer of the radio transmitter must be able to support the simultaneous transmission of multi-band, multi-rate, multi-standard signals, which in practice is very hard or very inefficient to implement using conventional approaches. Nevertheless, the last developments in this field include novel all-digital transmitter architectures where the radio datapath is digital from the baseband up to the RF stage. Such concept has inherent high flexibility and poses an important step towards the development of SDR-based transmitters. However, the truth is that implementing such radio for a real world communications scenario is a challenging task, where a few key limitations are still preventing a wider adoption of this concept. This thesis aims exactly to address some of these limitations by proposing and implementing innovative all-digital transmitter architectures with inherent higher flexibility and integration, and where improving important figures of merit, such as coding efficiency, signal-to-noise ratio, usable bandwidth and in-band and out-of-band noise will also be addressed. In the first part of this thesis, the concept of transmitting RF data using an entirely digital approach based on pulsed modulation is introduced. A comparison between several implementation technologies is also presented, allowing to state that FPGAs provide an interesting compromise between performance, power efficiency and flexibility, thus making them an interesting choice as an enabling technology for pulse-based all-digital transmitters. Following this discussion, the fundamental concepts inherent to pulsed modulators, its key advantages, main limitations and typical enhancements suitable for all-digital transmitters are also presented. The recent advances regarding the two most common classes of pulse modulated transmitters, namely the RF and the baseband-level are introduced, along with several examples of state-of-the-art architectures found on the literature. The core of this dissertation containing the main developments achieved during this PhD work is then presented and discussed. The first key contribution to the state-of-the-art presented here consists in the development of a novel ΣΔ-based all-digital transmitter architecture capable of multiband and multi-standard data transmission in a very flexible and integrated way, where the pulsed RF output operating in the microwave frequency range is generated inside a single FPGA device. A fundamental contribution regarding the simultaneous transmission of multiple RF signals is then introduced by presenting and describing novel all-digital transmitter architectures that take advantage of multi-gigabit data serializers available on current high-end FPGAs in order to transmit in a time-interleaved approach multiple independent RF carriers. Further improvements in this design approach allowed to provide a two-stage up-conversion transmitter architecture enabling the fine frequency tuning of concurrent multichannel multi-standard signals. Finally, further improvements regarding two key limitations inherent to current all-digital transmitter approaches are then addressed, namely the poor coding efficiency and the combined high quality factor and tunability requirements of the RF output filter. The followed design approach based on poliphase multipath circuits allowed to create a new FPGA-embedded agile transmitter architecture that significantly improves important figures of merit, such as coding efficiency and SNR, while maintains the high flexibility that is required for supporting multichannel multimode data transmission.

Transmissores de rádio flexíveis baseados no conceito do Rádio Definido por Software (SDR) estão a receber uma crescente importância de investigação essencialmente devido à proliferação sem precedentes de novos standards de comunicações wireless que trabalham em frequências diferentes, usando esquemas de modulação e codificação dissimilares, estando direcionados para os mais diversos fins. Neste novo paradigma de comunicações wireless, a camada física do transmissor rádio tem de ser capaz de suportar a transmissão simultânea de sinais provenientes de diferentes standards, operando em diferentes bandas de frequências e com diferentes ritmos de transmissão, o que na prática é muito difícil ou muito ineficiente de implementar utilizando abordagens convencionais. Contudo, os últimos desenvolvimentos nesta área incluem novas arquiteturas de transmissão inteiramente digitais onde o datapath do rádio é digital desde a banda base até ao RF. Tal conceito tem uma elevada flexibilidade e representa um passo importante para o desenvolvimento de transmissores baseados em SDR. No entanto, a implementação de tal rádio para cenários de comunicação reais é uma tarefa desafiadora, onde algumas limitações chave estão ainda impedindo uma maior adopção deste conceito. Esta tese tem como principal objetivo o de investigar algumas destas limitações, propondo e implementando arquiteturas inovadoras de transmissão inteiramente digitais com inerente elevada flexibilidade e integração, e onde melhorar importantes figuras de mérito, tais como a eficiência de codificação, a relação sinal-ruído, a largura de banda utilizável e o ruído dentro e fora da banda também serão abordadas. Na primeira parte deste trabalho é introduzido o conceito de transmissão de dados RF utilizando uma abordagem totalmente digital, baseada em modulação por impulsos. Uma comparação entre diversas tecnologias de implementação é também apresentada, permitindo afirmar que as FPGAs actuais oferecem um compromisso interessante entre desempenho, eficiência de energia e flexibilidade, tornando-as uma escolha interessante como uma tecnologia de implementação com elevado potencial para transmissores completamente digitais baseados em moduladores pulsados. Após esta discussão são apresentados os conceitos fundamentais inerentes aos moduladores pulsados e introduzidos os avanços relativos a transmissores RF modulados por pulsos, juntamente com vários exemplos de arquiteturas do estado da arte encontrados na literatura. Em seguida, o núcleo desta tese contendo os principais desenvolvimentos alcançados durante este trabalho de doutoramento é apresentado e discutido. O primeiro contributo fundamental para o estado da arte aqui apresentado consiste no desenvolvimento e integração em FPGA de uma nova arquitetura de transmissão inteiramente digital, baseada em moduladores ΣΔ e dotada de uma elevada flexibilidade e integração, sendo capaz de transmitir dados de multiplos standards e em multiplas bandas de RF. Uma segunda contribuição chave relativa à transmissão simultânea de vários sinais RF é então introduzida, sendo apresentadas e descritas novas arquiteturas de transmissão de sinal RF inteiramente digitais, as quais tiram proveito de serializadores de dados multi-gigabit disponíveis em FPGAs atuais de alto desempenho. Melhorias adicionais a esta abordagem permitiram desenvolver uma arquitetura de transmissão com duas fases de conversão na frequência, a qual permite a transmissão concorrente de sinais multistandard e multicanal com ajuste fino na frequência. Por ultimo, foram ainda investigadas diversas técnicas que visam reduzir duas limitações fundamentais inerentes aos actuais transmissores completamente digitais, nomeadamente, a baixa eficiência de codificação dos moduladores pulsados e o elevado fator de qualidade combinado com elevados requisitos de adaptabilidade na frequencia do filtro de reconstrução do sinal RF a transmitir. A abordagem seguida baseada em multiplos caminhos polifásicos permitiu desenvolver uma nova arquitetura de transmissão integrada em FPGA que melhora de forma significativa importantes figuras de mérito, tais como a eficiência de codificação e SNR, enquanto mantém a elevada flexibilidade que é necessária para suportar a transmissão de dados multimodo e multicanal.