Flexibler Modulator und Digitalverstärker-MMIC für den energieeffizienten Betrieb einer digitalen Sendekette im GHz-Bereich
| dc.contributor.advisor | Heinrich, Wolfgang | |
| dc.contributor.advisor | Wentzel, Andreas | |
| dc.contributor.author | Hühn, Florian | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | en |
| dc.contributor.referee | Heinrich, Wolfgang | |
| dc.contributor.referee | Berroth, Manfred | |
| dc.contributor.referee | Negra, Renato | |
| dc.date.accepted | 2020-02-06 | |
| dc.date.accessioned | 2020-03-03T14:37:19Z | |
| dc.date.available | 2020-03-03T14:37:19Z | |
| dc.date.issued | 2020 | |
| dc.description.abstract | Schaltverstärker für Mikrowellenanwendungen versprechen gegenüber analogen Verstärkern ein hohes Energieeinsparungspotential, deutlich gesteigerte Flexibilität, z.B. in Form von maximaler Frequenzagilität und Einsparungsmöglichkeiten bei Volumen und Gewicht, sowie geringere Empfindlichkeit gegenüber Bauteiltoleranzen. Bislang konnten diese Vorzüge in der Praxis jedoch nicht genutzt werden, da die vorhandenen Lösungen die für moderne Kommunikationssysteme notwendige Signalqualität nicht erreichen konnten und / oder ineffizienter als analoge Lösungen waren. Die Ergebnisse dieser Arbeit bringen hier entscheidende Vorteile. Während in einer traditionellen (analogen) Sendekette das Basisbandsignal auf die Trägerfrequenz hochgemischt wird, bevor es dem analogen Verstärker zugeführt wird, muss es in der digitalen Sendekette durch einen sogenannten Modulator in ein rein binäre Signal für den digitalen Verstärker umgewandelt werden. Von diesem Modulator hängen die Eigenschaften der gesamten digitalen Sendekette maßgeblich ab. Diese Arbeit widmet sich der gesamten digitalen Sendekette. Sie liefert signifikante Beiträge zum Modulator und zum Verstärker, lässt dabei aber auch die Anforderungen an das Ausgangsfilter nicht außer Acht. Das Hauptziel ist die Ertüchtigung des digitalen Verstärkerkonzepts für den Frequenzbereich um 1 GHz für Anforderungsprofile, wie sie z.B. für Basisstationen der modernen Mobilkommunikation nach 3GPP Standard gefordert werden. Die Sendekette ist für das Basisbandsignal vollständig transparent. Es sind keine Änderungen an der Basisbandmodulation oder den Empfängern notwendig. Der primäre Fokus liegt auf der Entwicklung eines neuartigen Modulationsverfahrens für digitale Mikrowellenleistungsverstärker. Um das Gesamtziel zu erreichen, wird in einem zweiten Kernbeitrag auch der digitale Verstärker an sich angegangen und mit einem ebenfalls neu entwickelten Verstärker-MMIC anschließend eine vollständige Sendekette aufgebaut und vermessen. Im ersten Teil der Arbeit wird auf die Funktion des Modulators für digitale Verstärker eingegangen und es werden die bestehenden Verfahren vorgestellt. Nach einer vergleichenden Analyse des Stands der Technik wird das neu entwickelte Verfahren beschrieben und charakterisiert. Es ist darauf ausgelegt, in gängiger Digitalschaltungstechnik umgesetzt zu werden. Als einziges bekanntes Verfahren bietet es die Möglichkeit, auf die jeweiligen Signalanforderungen und die Hardware angepasst zu werden. Er erreicht maximale Coding Efficiency zeitgleich mit einer die Vorgaben deutlich übertreffenden Signalqualität. Die Anforderungen an das Ausgangsfilter sind minimal und es können die unterschiedlichsten Verstärkertypen angesteuert werden. In Summe übertreffen die Eigenschaften des vorgestellten Modulators bestehende Systeme bei weitem. Zusätzlich ist eine Korrektur für vom Verstärker verursachte Verzerrungen enthalten. Eine zusätzliche DPD kann entfallen. Die Funktion und Wirkung der eingebauten Korrektur wird erläutert und anhand von realen Messwerten demonstriert. Ein weiterer Teil der Arbeit widmet sich dem Entwurf des Verstärkers auf Schaltungs- sowie Layoutebene. Der neu entwickelte Digitalverstärker wird als MMIC realisiert. Er setzt sich von bisherigen Digitalverstärkern durch seine Robustheit sowie den einfachen Betrieb mit nur wenigen Spannungsquellen bei zeitgleich hohem Wirkungsgrad ab. Es werden noch bestehende Einschränkungen herausgearbeitet und Vorschläge zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades und der allgemeinen Performance gemacht. Abschließend wird das Gesamtsystem bestehend aus Modulator und Verstärker-MMIC mit breitbandigen Signalen vermessen. Ohne dass eine zusätzliche DPD verwendet wird, werden die Ergebnisse anderer Gruppen (teils mit DPD) übertroffen. Die erzielten Ergebnisse sind weltweite Bestwerte für digitale Mikrowellenverstärker. Erstmalig werden die gesetzten Spezifikationen mit deutlicher Reserve übertroffen. Die Flexibilität des Modulators wird demonstriert, indem ein aus zwei der entwickelten Single-Ended-Verstärkermodulen zusammengesetztes Outphasing-Modul mit nur minimalen Anpassungen in der Konfiguration des Modulators betrieben und vermessen wird. Viele weitere Verstärkerarten können allein durch Konfigurationsänderungen in der Software erschlossen werden. | de |
| dc.description.abstract | Microwave switch-mode amplifiers have the potential to provide several benefits over analog amplifiers. Amongst them are better energy efficiency, higher flexibility especially in terms of frequency agility, reduced weight and volume as well as being less susceptible to parameter tolerances in components. Until now, these advantages couldn't be brought into use in real-world applications because previously existing systems failed to provide the signal fidelity necessary for modern mobile communications or showed worse efficiency figures than analog amplifiers. This work addresses these issues and significantly advances the state of art in this regard. In the digital transmitter chain, the upconverter of an analog transmitter chain is replaced by the so-called modulator block . This modulator moves the supplied baseband signal onto the desired carrier frequency and creates the purely binary bitstream that is suited to be amplified by the digital amplifier. The properties of this modulator block define the characteristics and capabilities of the overall transmitter chain. This work considers the complete transmitter chain. Significant contributions are provided in the fields of the modulator as well as of the digital amplifier. At the same time, implications on the output filter are taken into consideration and design requirements for the output filter are reduced. The main objective is to make the digital amplifier chain fit for use in mobile communications in the frequency range around and below 1 GHz. Requirement specifications are derived from the official 3GPP specifications for base station transmitters. The resulting transmitter chain is fully transparent for any baseband signal. No modifications of the baseband modulation or on the receiver side are necessary. The key aspect of this work is to create a new and superior modulation scheme for digital microwave power amplifiers. To reach this goal the digital amplifier itself is addressed as well. The new amplifier MMIC is then used in conjunction with the new modulator to build a complete digital transmitter chain which is subsequently characterized in a measurement setup under realistic conditions. The first part of this work focuses on the modulator. Previously existing methods are introduced and compared. Then the new modulator is described in detail and the effects of its parameters are characterized. The modulator is designed to be implemented using merely standard digital logic. It is the only known method that can be specifically tailored to meet the particular signal fidelity requirements of the targeted application and can also adapt to the available hardware. Maximum coding efficiency is reached while the given signal fidelity requirements are exceeded. Constraints on the output filter are reduced to a minimum. Additionally, vastly different amplification concepts can be driven by the same modulator. In total, the proposed modulator easily surpasses prior art in overall system performance, as well as in terms of flexibility. It also features an in-built correction of amplifier non-idealities which renders an additional DPD unnecessary. This correction approach is explained and illustrated using real-world measurement data. A second part is dedicated to the digital amplifier, including circuit design as well as layout considerations for digital power amplifiers. The newly developed amplifier is realized as a GaN MMIC. It differentiates from previous amplifiers by its robustness and its simple operation with only a few supply voltages while still maintaining high power efficiency. Existing limitations are discussed and proposals for future improvements in efficiency and overall performance are presented. Finally, the complete transmitter chain, consisting of the modulator and amplifier MMIC, is characterized using broadband modulated signals. Without the use of an external DPD, measurement results show a substantial improvement over the results obtained by other groups, even if those groups used an external DPD. The achieved results are world records for fully digital microwave power amplifiers. For the first time, the targeted specifications could be surpassed with a comfortable margin. The flexibility of the modulator is demonstrated by controlling a digital outphasing amplifier. This amplifier comprises two of the previously used single-ended modules in a back-to-back outphasing configuration. To adapt the modulator to this new situation only small changes in the software-based configuration of the modulator are needed. Many other amplification concepts can be accommodated equally easily. Detailed measurement results for the outphasing amplifier are provided. | en |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10812 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9706 | |
| dc.language.iso | de | en |
| dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | en |
| dc.subject.ddc | 537 Elektrizität, Elektronik | de |
| dc.subject.ddc | 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten | de |
| dc.subject.other | Modulator | de |
| dc.subject.other | digitaler Verstärker | de |
| dc.subject.other | Mikrowellenverstärker | de |
| dc.subject.other | digital transmitter | en |
| dc.subject.other | digital PA modulator | en |
| dc.subject.other | digital PA MMIC | en |
| dc.title | Flexibler Modulator und Digitalverstärker-MMIC für den energieeffizienten Betrieb einer digitalen Sendekette im GHz-Bereich | de |
| dc.title.translated | Flexible modulator and digital amplifier MMIC for energy efficient digital transmitter chains operating at GHz carrier frequencies | en |
| dc.type | Doctoral Thesis | en |
| dc.type.version | acceptedVersion | en |
| tub.accessrights.dnb | free | en |
| tub.affiliation | Fak. 4 Elektrotechnik und Informatik::Inst. Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien | de |
| tub.affiliation.faculty | Fak. 4 Elektrotechnik und Informatik | de |
| tub.affiliation.institute | Inst. Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien | de |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin | en |