Curso SA.3.3: “Telecomunicaciones y Defensa”

Curso SA.3.3: “Telecomunicaciones y Defensa”

XI Cursos de Verano de Santander

Green Radio: Transmisión Inalámbrica de Alta Eficiencia en Aplicaciones Comerciales y Militares

José Angel García GarcíaDpto. Ing. ComunicacionesUniversidad de Cantabria

IndiceIndice

I. Introducción.

II. Compromiso entre linealidad y eficiencia.

III. Soluciones para conseguir alta eficiencia y linealidad.

IV. Transmisor polar.

V. Extensión a las agrupaciones retrodirectivas.

VI. Conclusiones.

I. IntroducciónI. Introducción

Durante los últimos años han proliferado escenarios de comunicaciones inalámbricasmuy diversos, soportados por las potencialidades que ofrecen los modernos formatos de modulación digital:

- protección frente a fenómenos de desvanecimientos debidos a propagación multitrayecto

- protección frente a ruido e interferencias

- uso eficiente del espectro radioeléctrico

- etc.


¿Por qué ir más allá de los valores actuales de eficiencia en el manejo de potencia?

– Para formatos de modulación digital espectralmente eficientes (WCDMA, OFDM) el PAPR puede llegar a ser del orden de 6 - 10 dB!!!

– La satisfacción de los requisitos de linealidad obliga a operar los dispositivos muy por debajo de su capacidad de potencia, unos 10 - 17 dB.

– La eficiencia promedio de los PAs puede llegar a ser extremadamente baja, del orden del 10 – 20 %, y con los sistemas de ventilación requeridos, la eficiencia del transmisor puede ser del 1 – 3%.

Sistemas de Comunicación Comercial

- Necesidad de reducir los elevados costes de operación (factura de electricidad) de las estaciones bases.- Prolongar el tiempo de vida de las baterías.


Los costes energéticos llegan al 25% de los costes de operación, de ellos más de la mitad son gastados por el PA.

La energía empleada en el amplificador de potencia determina los costes energéticos del operador.


Consumo y costes en 4G (LTE/OFDM con 8.5 PAPR)*De acuerdo a los valores de eficiencia actuales

Para dar 40 W de Psalida promedio, se han de consumir 450 W (90% de la energía se perdería en calor)


Sistemas de Comunicación Militar

- Carga del soldado de infantería puede oscilar entre 35 y 55 kg- Como promedio, 4 kg de deben a las baterías (rango entre <0.2 kg hasta > 10.5 kg). Hasta un 30% del peso se puede deber a las baterías!!!- Se desea reducir en un 75% el peso de los sistemas electrónicos y las fuentes de potencia (sin perder funcionalidades) - Esfuerzos en nuevas baterías químicas, fuentes de energía alternativa, y reducción del consumo.

¿Por qué ir más allá de los valores actuales de eficiencia en el manejo de potencia?

Datos del Centre for Defence Enterprise (Ministry of Defence, UK)

“Energy-efficient soldier”

II. Compromiso entre linealidad y eficienciaII. Compromiso entre linealidad y eficiencia

I. Introducción.


III. Soluciones para conseguir alta eficiencia y linealidad

IV. Transmisor polar

V. Extensión a las agrupaciones retrodirectivas

VI. Conclusiones.

II. Compromiso entre linealidad y eficienciaII. Compromiso entre linealidad y eficienciaP

out

(dB

m)

Pin (dBm)P

AE (%

)

Incluso aprovechando los sweet-spots gran señal, parece que existe un límite fundamental entre linealidad y eficiencia de potencia.

En la región de eficiencia realmente elevada, la linealidad es extremadamente pobre.

Class C

Class AB

Class AB

Class A

Class B

Existe un balance entre eficiencia y linealidad

20

0

-20

-40

-60

-80

-100-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10

Pin (dBm)

P L,

PIM

D

(dB

m)

PL

PIMD

En la región de muy alta eficiencia, Pout es constante y la IMR es siempre igual a 9.5dB


A valores elevados de Pout y PAE, la tensión y la corriente se ven limitadas por las mismas fronteras del dispositivo, independientemente del punto de polarización (o sea, de la clase de operación).

vDS

Q

VDS VBR

IDS

iDS

VK

IMax

Breakdown“Triode”Region

Cut-Off

Gate-Channel Junction Conduction


1 – Tradicionalmente, el diseño de PAs “muy lineales” y “muy eficientes” se basa en el diseño de PAs en Clase-B o Clase-AB, operando en los sweet-spots de linealidad.

4 – Para optimizar simultáneamente Pout, IMD y PAE (> 50% y hasta un 80%) debemos encontrar nuevas formas de superar este equilibrio fundamental entre eficiencia de potencia y linealidad en la modulación.

2 – Estos amplificadores se operan cerca del punto de compresión de 1dB, logrando un máximo valor de PAE entre un 30% y un 40%.

3 – Desafortunadamente, para envolventes de señal no constantes, la PAE promedio es mucho menor.


Pin Pout

Pdc

Pdis

Amp

PowerSupply

SignalSource

DissipativeEnvironment

SignalLoad

disoutindc PPPP Ley de Conservación de la Energía:

Relaciones de potencia en los circuitos activos


1in

disdcin

outP

PPP

PG

disoutindc PPPP

Por lo tanto

Pin Pout

Pdc

Pdis

Amp

PowerSupply

SignalSource


SignalLoad

Un comportamiento lineal implicaría que la ganancia G se ha de mantener constante con la Pin, y que por lo tanto (Pdc-Pdis) ha de ser proporcional a Pin.


Esto puede lograrse:1 – Manteniendo una Pdc constante y disminuyendo Pdis (Clase A).2 – Incrementando Pdc con Pin, pero también incrementando Pdis (Clase B).


1 1indc

indisdc

inout

PP

PPP

PPG

disoutindc PPPP

pero

y

1dcdis

dcinout

PP

PPPPAE

Eficiencia de Potencia Añadida (PAE) Alta Baja disipación de potencia Pdis

Alta Linealidad en la Modulación (G=Const) Pdc modulada por Pin(t)

Pin Pout

Pdc

Pdis

Amp

PowerSupply

SignalSource


SignalLoad



I. Introducción.





VI. Conclusiones.



Pin(t) Pout(t)

Pdc(t)

Amp

AMModulator

SignalSource


SignalLoad

Pdis 0

PowerSupply

Pin(t)

EER – Envelope Elimination and Restoration o ET – Envelope Tracking

DCdc

dcout

DCout

PP

PP

PP

T

PAdcout

PP AMDC

dcPP

AMPAT

pero

y

Por lo tanto

Alta Eficiencia de Potencia RF PA en Modo Conmutado + Fuente de Alimentación en Modo Conmutado

Pdc modulada por Pin(t)



1. A-ET – Seguimiento Analógico de la Envolvente

Pin(t)

Amp

Class S AMModulator

SignalSource

SignalLoad

PowerSupply

Pdc(t)

LPF

vout(t)vin(t)



2. A-EER – Eliminación y Restauración Analógica de la Envolvente

Pin(t)

Class S AMModulator

SignalSource

SignalLoad

PowerSupply

Pdc(t)

LPF

vin(t) vout(t)Amp



3. D-ET – Seguimiento Digital de la Envolvente

Pin(t)

Amp

Class S AMModulator

SignalSource

SignalLoad

PowerSupply

Pdc(t) BPF

vout(t)vin(t)



4. D-EER – Eliminación y Restauración Digital de la Envolvente

Pin(t)

Amp

Class S AMModulator

SignalSource

SignalLoad

PowerSupply

Pdc(t) BPF

vout(t)vin(t)



5. D-PA – Amplificador de Potencia de RF Digital

vin(t) vout(t)AmpClass S RF

ModulatorSignalSource

SignalLoad

PowerSupply

PdcBPF



IV. Transmisor polarIV. Transmisor polar

I. Introducción.





VI. Conclusiones.

DAC

RF CarrierOscillator

Car

tesi

an-to

-Pol

arC

onve

rter

PMModulator

Tx -

Bas

e-B

and

DSP

Uni

t

PM(t)

AM(t)DigitalClass-S

ModulatorReconstruction

FilterSamplingClock

+VDD

ax(t)

vDD(t)

ay(t)

y(t)

x(t) x(t)

Switching RF PA

DAC

El circuito banda base proporciona las componentes de

amplitud y fase.

Modulador PM.

El modulador AM puede ser un convertidor dc‐dcclase S, con una cierta demora y un filtro de reconstrucción F() de ancho de banda finito.

La versión analógica retrasada de ax(t) se usa para modular la tensión de alimentación de un amplificador de RF clase E.

La etapa de potencia presenta características Vdd‐AM y Vdd‐

PM como las estudiadas.



DAC

DAC


Car

tesi

an to

Pol

arC

onve

rter

...101011...

...110101...

Switching RF PA

I(t)

PMModulatorTx

- B

ase

Ban

d P

roce

ssin

g U

nit

Q(t) PM(t)

AM(t)

PWMModulator

ReconstructionFilter

AM(t)

Linearity Control

+VDD

DifferentialDelay

IMD debida a la etapa de modulación y la diferencia de demoras

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

Delay [s]

Pout

[dB

m]

Predicted without vDD-to-ay NLSimulated with vDD-to-ay NLMeasurements

Fundamental

3rd IMD

5th IMD

IMD debida al ancho de banda finito y la diferencia de demoras

Para lograr los valores de relación portadora a IMD que imponen los standards modernos de comunicación, se necesita reducir la IMD debida a la etapa de modulación.

IMD debida a las no linealidades Vdd-AM y Vdd-

PM



DAC

DAC


Car

tesi

an to

Pol

arC

onve

rter

...101011...

...110101...

Switching RF PA

I(t)

PMModulatorTx

- B

ase

Ban

d P

roce

ssin

g U

nit

Q(t) PM(t)

AM(t)

PWMModulator

ReconstructionFilter

AM(t)

Linearity Control

+VDD

IMD debida a la etapa de modulación y el ancho de banda finito de la vía AM

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

Filter BW [MHz]

Pout

[dB

m]

Predicted without vDD-to-ay NLSimulated with vDD-to-ay NL

Measurements

Fundamental

3rd IMD

5th IMD

IMD debida a la etapa de modulación y el ancho de banda finito de la vía AM

Para lograr los valores de relación portadora a IMD que imponen los standards modernos de comunicación, se necesita reducir la IMD debida a la etapa de modulación.

IMD debida a las no

linealidades Vdd-AM y Vdd-

PM


- La eficiencia del Tx es el producto de la eficiencia del amplificador de RF y el amplificador de envolvente.

- El amplificador de RF es una etapa en modo conmutado (clases D-1, E/E-1, F/F-1), implementada sobre una tecnología de alta tensión y bajas pérdidas (por ej. GaNHEMT).

Conector para modulación por drenador

CGH35015 GaN HEMT from Cree Inc.

RFin

RFout

º0524.49

00

28015.0 j

outd e

CfZ

-

- 00 32 fZfZ dd

Valores medidos:

Pout = 15 W, G = 16 dB, PAE = 71%



81.8 %16.8 dB30 WClase E a 795 MHz(CGH35030F)

71 %23 dB60 WClase E a 795 MHz(CGH35060F)

64 %12.5 dB22.5 WClase D-1 a 900 MHz(CGH35015F)

71 %16 dB15 WClase E a 900 MHz(CGH35015F)

PAEGananciaPot. salida Valores elevados de eficiencia posibles con amplificadores en modo conmutadoy dispositivos GaNHEMT

- El diseño del amplificador de envolvente es crítico: se requiere un conversor DC/DC de muy alta eficiencia (> 70%) en un ancho de banda de decenas de MHz.

- Se aprovecha la distribución espectral de potencia en la componente de amplitud (80% concentrada en las primeras centenas de kHz).

- El amplificador de envolvente es usualmente una etapa lineal asistida por una conmutada.

Solución comercial (Nujira Ltd, Cambridge, UK)


Driver

.

89600 VXI

Generadorvectorial de señal

E4438C

Amplif. de Envolvente

I vDD(t)

vDD(t)

vDD(t)

cos(ωct+ g(t))

g(t).

vDD(t))

cos( ct+ g(t))

g(t)g(t)disp.

Aten.

vDD(t)v (t)

cos( ct+ g(t))

φg(t)g(t).

)

cos( ct+ g ))

g(t)g(t)

φ

Driver

.

89600 VXI

Generadorvectorial de señal

E4438C

Amplif. de Envolvente

I vDD(t)

vDD(t)vDD(t)

vDD(t)

cos(ωct+ g(t))

g(t)g(t).

vDD(t))

cos( ct+ g(t))

g(t)g(t)disp.

Aten.

vDD(t)v (t)

cos( ct+ g(t))

φg(t)g(t).

)

cos( ct+ g ))

g(t)g(t)

φ


Sistema vectorial para la caracterización de Tx polares

899.4 899.6 899.8 900 900.2 900.4 900.6-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30EERPD

899.4 899.6 899.8 900 900.2 900.4 900.6-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

899.4 899.6 899.8 900 900.2 900.4 900.6-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30EERPD

P sal

ida

[dBm

]

Frec. [MHz]899.4 899.6 899.8 900 900.2 900.4 900.6

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

899.4 899.6 899.8 900 900.2 900.4 900.6-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30EERPD

899.4 899.6 899.8 900 900.2 900.4 900.6-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

899.4 899.6 899.8 900 900.2 900.4 900.6-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30EERPD

P sal

ida

[dBm

]

Frec. [MHz]

<PAE> = 68% Pout = 7.8 W

EDGE

I. Introducción.





VI. Conclusiones.

V. Extensión a las Agrupaciones RetrodirectivasV. Extensión a las Agrupaciones Retrodirectivas


AP Saturado en un Tx Polar

- La eficiencia se consigue bajo un régimen de operación fuertemente no lineal.

- Una señal PM de envolvente constante es amplificada, mientras la envolvente es restaurada mediante la modulación de la ganancia.

Mezcladores en Agrupaciones Conjugadoras de Fase

-La eficiencia de conversión se obtiene bajo una operación fuertemente no lineal con respecto al OL.

- Dicha señal puede ser modulada en fase.

LO

Int.

Resp.

PM

DAC


Car

tesi

an-to

-Pol

ar C

onve

rter

PMModulator

Tx -

Bas

e-B

and

DSP

Uni

t

PM(t)

AM(t)Supply

Modulator

ax(t)

ay(t)

y(t)

x(t) x(t)

Switching RF PA

DACay(t)

(t)

a(t)

La componente AM podría ser reinsertada mediante un mecanismo de modulación de la ganancia/pérdidas de conversión


• La señal incidente es demodulada, y usada para conformar la respuesta.

• Las variaciones de amplitud en la interrogación se eliminan antes de la conjugación de fase (eliminación de la envolvente).

• Las componentes de amplitud y fase se tratan de modo independiente hasta la recombinación en el conjugador.

• Se requieren funciones de predistorsión digital (LUTs) para corregir las no linealidades.

• Las demoras deben ser controladas para conseguir una retransmisión de alta fidelidad.

INT.

RESP.


GPIB

IVDD(t- I_R)τ

)(cos ____ PARIPARILOLO tPMtA INT.

RESP.

)(cos tttV RESPRESPRESP

)(cos tttV INTINTINT

Sistema de Caracterización Vectorial de Señal en Campo Lejano

974 976 978 980 982 984 986

-40

-30

-20

-10

0

freq. [MHz]

Nor

mal

ized

Out

put S

pect

ra [d

B]

-1 -0.5 0.50 1

-0.5

0

0.5

1

Q

-1

I

Response SignalDesired Signal


-60 -40 -20 0 20 40 60-25

-20

-15

-10

-5

0

Elevation [º]

Bis

tatic

Rad

iatio

n P

atte

rns

[dB

]

-20º -10º 0º 15º

Se verifica el comportamiento retrodirectivo, con una mínima distorsión residual en la señal retransmitida.

VI. ConclusionesVI. Conclusiones

Especial interés en la reducción de los costes energéticos, que tienden a elevarse con el uso de formatos de modulación espectralmente eficientes.

Existen arquitecturas emergentes (basadas en ideas viejas) que permitirían rebasar el actual límite en el compromiso linealidad-eficiencia. Dentro de ellas es destacable el Tx polar.

Posible extensión a otros sistemas inalámbricos de baja eficiencia.

Agradecimientos:

J. C. Pedro, Univ. Aveiro, por el material de sus presentacionessobre Transmisores Polares y la colaboración en estas temáticas.

L. Cabria, R. Marante y L. Rizo, por sus contribuciones a los trabajos realizados en el Grupo de RF y Microondas en el tema.

La financiación recibida a través de los Proyectos Coordinados TEC2005-07985-C03 y TEC2008-06684-C03.

MUCHAS GRACIAS POR LA ATENCIÓN [email protected]

VI. ConclusionesVI. Conclusiones

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