A reconfigurable vector signal generator with two phase controlled _S63-_D63-synthesizers [Sigma-Delta-synthesizers] [Elektronische Ressource] = Rekonfigurierbare Vektor-Signal-Generatoren mit zwei-phasengesteuerten _S63-_D63-Synthesizern [Sigma-Delta-Synthesizern] / vorgelegt von Muhammad Irfan Ibrahim

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• Publié le: 01 janvier 2010
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Extrait

A Reconfigurable Vector Signal Generator
with Two Phase Controlled -Synthesizers
Rekonfigurierbare Vektor-Signal-Generatoren mit zwei
phasengesteuerten-Synthesizern
Der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen-Nürnberg
zur Erlangung des Grades
DOKTOR-INGENIEUR
vorgelegt von
M.Sc. Muhammad Irfan Ibrahim
Erlangen-2010Als Dissertation genehmigt von
der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen-Nürnberg
Tag der Einreichung: 02.06.2010
Tag der Promotion: 03.11.2010
Dekan: Prof.Dr.-Ing.Reinhard German
Berichterstatter: Prof.Georg Fischer
Prof.Dr.-Ing.Holger Heuermann
Prof.Sven SimonAbstract
The emerging wireless communication trend in mobile phones demands a seamless connectiv-
ity to multi-service networks and communication standards such as GSM, WLAN, GPS, etc..
These multi-band radios require a transmitter architecture able to change between different
operating bands and to adapt its features to available standards and requirements. At the
same time the emphasis is to shrink the size and power consumption of the hand held mobile
devices. A majority of the mobile RF transmitters employ in-phase and quadrature(IQ) vec-
tor signal modulator and benefits from their capability to implement linear and non-linear
modulation standards. The drawback of IQ-transmitters is the non-linearity introduced by
the components constituting the transmitter i.e. digital to analog converters, mixers, phase
shifters, and power amplifiers. Dealing with this often leads to a complex transmitter archi-
tecture composed of linearisation techniques and dedicated front ends optimized to specific
communication standards.
This thesis addresses the complexities associated with the classical IQ-modulators and
presents an architecture for a new generation of a sigma delta vector signal generator(-
VSG). In contrast to a classical IQ-VSG the -VSG is free of digital to analog converters
and mixers and is composed of two phase controlled RF -frequency synthesizers. This
concept is based on adding two phase modulated RF signals, which gives an architecture
of a reconfigurable VSG for constant envelope and variable envelope modulation schemes.
Furthermore, wideband PLLs can tune the VSG to the different operating bands of the
required communication standard. In this thesis work classical and novel VSGs are discussed
and their performance is compared by means of system level simulations. Prototype VSG
hardware is realized and QAM modulations are performed to demonstrate the modulation
accuracy and reconfigurable nature of the proposed VSG. The prototype -VSG with the
reference frequency of 32MHz and loop bandwidth of 1.2MHz performed the 16-QAM with
the symbol rate of 200kSym/s and with EVM values as low as 0.36 %.
The thesis also includes the design concepts of low phase noise VCOs. The first design
is of a 1.8GHz dual-mode oscillator with the phase noise of -143dBc/Hz at 1MHz offset as
compared to -136dBc/Hz of a classical LC-oscillator. It achieved the figure of merit(FOM) of
iii-187dBc/Hz. The second design aimed at investigating the 1=f-noise up conversion in oscil-
lator designs. The flicker noise reduction technique implemented resulted in an improvement
of 7dB in an oscillator phase noise performance.
ivZusammenfassung
Der aktuelle Trend im Bereich mobiler drahtloser Geräte sieht eine Integration von mehreren
Diensten wie beispielsweise GSM, WLAN und GPS vor. Die hierfür notwendige, ständige
Verbindung mit den verfügbaren Netzwerken setzt Transceiver voraus, die sowohl den unter-
schiedlichen Frequenzbändern als auch den Spezifikationen der Standards bedienen können.
Diese Voraussetzungen, kombiniert mit dem Bedarf an kleineren Handgeräten mit längerer
Betriebslaufzeit, werden durch IQ-Modulatoren erfüllt, die sowohl lineare als auch nicht-
lineare Modulationsverfahren in einer kompakten Architektur vereinen. Der Nachteil solcher
Modulatoren liegt in den Nichtlinearitäten, die durch deren verschiedene Submodule, wie
Analog-Digital-Umsetzer, Mischer, Phasenschieber sowie Leistungsverstärker, hervorgerufen
werden. Diesenicht-linearenEffektewerdenzurzeitdurchdenEinsatzvonkomplexenSender-
Architekturen mit Linearisierungstechniken oder speziellen Frontends, die für einzelne Stan-
dards optimiert werden, herabgesetzt.
Diese Arbeit behandelt klassische Modulatoren für Quadraturamplitudenmodulation (IQ-
Modulatoren)undpräsentierteineneueGenerationvonSigma-Delta-Vektor-Signalgeneratoren
(-VSG). Diese neuartigen -VSG basieren auf der Überlagerung von zwei amplituden-
gleichen und phasenmodulierten hochfrequenten Trägern und verzichten auf Analog-Digital-
UmsetzerundMischerundeignensichzurImplementierungvonModulationsverfahrensowohl
mit gleichen als auch mit variablen Amplituden. Durch den Einsatz von breitbandigen Oszil-
latoren können weiterhin verschiedene Kommunikationsstandards bei unterschiedlichen Fre-
quenzbändern bedient werden. Die Unterschiede zwischen den klassischen und den präsen-
tierten VSG werden im Rahmen dieser Arbeit anhand von Simulationen auf Systemebene
beleuchtet. Die Rekonfigurierbarkeit der präsentierten VSG mit korrespondierenden EVM-
Werten werden anhand von QAM-Messungen erster Prototypen dargestellt. Der realisierte
-VSG wurde bei 700 - 1200MHz mit einer Referenzfrequenz von 32MHz und einer
Schleifenbandbreite von 1.2MHz betrieben. Bei einer Symbolrate von 200kbit/s wurde für
ein 16-QAM-Signal ein EVM-Wert von 0.36 % gemessen.
Als Kernkomponente von VSGs werden weiterhin VCOs mit niedrigem Phasenrauschen
behandelt und neue Entwurfsverfahren präsentiert. Zwei Prototypen werden nach diesen
vEntwurfskonzepten aufgebaut und vermessen. Der Erste ist ein so genannter Dual-Mode-
Oszillator bei 1.8GHz mit einem Phasenrauschen von -143dBc/Hz bei einem Offset von
1MHz. Unter Berücksichtigung des Leistungsverbrauchs wurde ein Gütefaktor Figure of
Merit (FOM); von -187dBc/Hz ermittelt, wobei VCOs mit klassische LC-Oszillatoren bei
-136dBc/Hz liegen. Bei dem zweiten VCO wurde eine Optimierung des 1=f-Rauschens
durchgeführt. DurchdieImplementierungderpräsentiertenTechnikzurReduktiondesFlick-
errauschens konnte eine 7dB-Verbesserung erreicht werden.
viAcknowledgment
I would like to express my appreciation to all those who made this thesis possible. First of all
I express my deep and sincere gratitude to Prof. Dr.-Ing. Holger Heuermann who gave me
the opportunity to conduct this work. His motivating spirit, guidance and support from the
initial to the final level enabled me to complete my research work. My sincere gratitude goes
also to Prof. Dr.-Ing. Georg Fischer for his cooperation and for taking the time to guide me
at the final stage of my dissertation. I am also indebted to Prof. Dr.-Ing. Sven Simon who
agreed to serve on my examining committee.
Furthermore, my appreciations goes to my colleagues for providing the inspiring working
atmosphere and sharing their experiences. My special thanks goes to Dr.-Ing Sadeghfam. It
was fortunate to have my work desk next to his. His valuable suggestions and discussions
were helpful in day to day tasks. I would also like to acknowledge financial support provided
by AiF, the German federation of industrial research associations.
I owe my loving thanks to my family. Specially to Ammi, Abu, and Rita who are a con-
stant source of encouragement and support, and for being there for me at all times. Finally
I want to thank Saeed Mamoo, who initially encouraged and supported me to go abroad and
persuade doctoral studies.
Aachen, May 2010 Muhammad Irfan Ibrahim
viiContents
1. Introduction 1
1.1. Vector Signal Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Contribution of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3. Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2. System Components and Improvement Techniques 8
2.1. Phase Locked Loop Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.1. Phase Locked Loop Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2. Phase Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.3. Loop Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2. Low Phase Noise VCO Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3. VCO Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1. Oscillation Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2. Oscillator Phase Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4. Oscillator Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.1. Transistor Biasing and Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.2. Resonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.3. Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.4. Component Losses and Parasitics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5. Dual Mode VCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5.1. Mode Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5.2. Mode Blockers . . . . . .