Digital-centric multi-standard transmitters for advanced wireless communication standards

Aghaie, Soheil; Heinen, Stefan; Van Waasen, Stefan

doi:10.18154/RWTH-2025-05203

Digital-centric multi-standard transmitters for advanced wireless communication standards

Aghaie, Soheil^RWTH*

2024 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M. Sc. Soheil Aghaie

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Heinen, Stefan (Thesis advisor)^RWTH* ; Van Waasen, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-07-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-05203
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1012835/files/1012835.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Integrierte Analogschaltungen (616110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
DCMT (frei) ; RF (frei) ; RFDAC (frei) ; WLAN (frei) ; digital-centric transmitters (frei) ; multi-level LINC (frei) ; multi-standard (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die steigende Anzahl drahtloser Geräte und die Nachfrage nach höheren Datenraten in modernen Kommunikationssystemen haben zu einer Verknappung des Spektrums geführt, die leistungseffizienter und hochlineare Sender erfordert. Moderne Standards für die drahtlose Kommunikation fordern eine strenge Kontrolle der Außer-Kanal- und Außer-Band-Emissionen, die Verwendung verbesserter Modulationsverfahren mit dichteren Konstellationspunkten und den Betrieb in mm-Wellen-Frequenzen, um größere Datenbandbreiten zu erreichen. Außerdem besteht aufgrund der größeren Flexibilität und Konfigurierbarkeit digitaler Schaltungen, die von der höheren Geschwindigkeit und der geringeren Fläche der CMOS-Herunterskalierung profitieren, der Wunsch, die Funktionen eines Senders so weit wie möglich in den digitalen Bereich zu verlagern. Digital-Centric Multi-standard Transmitters (DCMTs) bieten eine vielversprechende Lösung für Software-Defined Radio (SDR), da sie durch digitale Signalverarbeitung mehr Flexibilität und Rekonfigurierbarkeit bieten. Diese Dissertation untersucht den Entwurf und die Implementierung zweier neuartiger DCMT-Architekturen, die die wichtigsten Herausforderungen im Bereich des Systemdesigns und der analogen Implementierung angehen, um eine angemessene Leistung zu erzielen. Dafür wurden bestimmte Techniken und Lösungen entwickelt, um die Schwächen der vorgeschlagenen Architekturen zu verbessern. Es wurden Prototypen entwickelt, um die vorgeschlagenen Architekturen zu bestätigen und ihr Potenzial für moderne Kommunikationstechnologien zu demonstrieren. Die erste Architektur stellt einen digital-centric I/Q-Sender mit einem Tastverhältnis von 25% vor, der in einer 65-nm-CMOS-Technologie entwickelt und produziert wurde und für eine Anzahl von Zielstandards, wie IEEE 802.11ac im 2,4-GHz-Band, geeignet ist. Das Konzept und der Systemaufbau sind im Detail erläutert. Dann sind Schaltungsdesign und Implementierung vorgestellt. Abschließend sind Messergebnisse bereitgestellt, um die Machbarkeit und die potenzielle Leistung des Systems zu belegen. Trotz einiger Probleme mit der Nonlinearität im DPA-Frontend erfüllt der Sender erfolgreich die WLAN-Anforderungen und zeigt gleichzeitig die Wirksamkeit eines LO-Tastverhältnisses von 25 % bei der Verbesserung der Leistungseffizienz auf. Die zweite Architektur fokussiert auf einen Multi-Level-LINC-Sender (ML-LINC) mit I/Q RF-DAC Frontenden, der in einer 28-nm-CMOS-Technologie implementiert ist. Ein ML-LINC-Sender bietet eine hohe Linearität und eine relativ gute Leistungseffizienz im Vergleich zu einfachen LINC-Sendern. Deswegen ist er ein guter Kandidat für Modulationsverfahren mit einer größeren Anzahl von Konstellationspunkten. Diese Arbeit fokussiert sich auf 160-MHz-Kanäle im 5-GHz-Band von IEEE 802.11ac, wobei eine hohe Linearität und Leistungsfähigkeit durch innovative Outphasing-Technologien hervorgehoben werden. Eine große Herausforderung besteht darin, Outphasing-Vektoren aus dem Sender-Frontend in I/Q-Form zu erhalten, ohne dass die Genauigkeit des Sendesignals aufgrund der Bandbreitenerweiterung durch kartesische/polare Konvertierungen verloren geht. Das Design enthält eine RF-DAC-Struktur mit I/Q-Unitcell-Sharing und optimierter Phasen- und Amplitudengenerierung. Simulationen bestätigen seine Fähigkeit, eine gute Signalqualität auch bei Einschränkungen des Frontends aufrechtzuerhalten. In dieser Arbeit werden Systemaspekte und Schaltungsimplementierungen sowie die Validierung der vorgeschlagenen Sender nach der Herstellung des Siliziums vorgestellt. Damit die Spezifikationen der Zielkommunikationsstandards erfüllt werden, werden systematische Anforderungen an die Sender abgeleitet. Mithilfe von Simulationen und Messergebnissen werden die vorgeschlagenen Entwürfe validiert und die wichtigsten Bereiche, die einer Verbesserung bedürfen, aufgezeigt, einschließlich der Linearität des Frontends und der Systemeffizienz. Die Schwachstellen werden angesprochen und mögliche Lösungen diskutiert. Die Ergebnisse ebnen den Weg für fortschrittlichere Software-Defined Radio (SDR)-Lösungen, die sich mit minimalen Hardware-Änderungen an sich entwickelnde drahtlose Standards anpassen können.

The rapid growth in the number of wireless-connected devices and the demand for higher data rates in modern communication systems have led to increasing spectrum scarcity and more complex modulation schemes, which necessitates more power-efficient and highly-linear transmitters. Advanced wireless communication standards demand strict out-of-channel and out-of-band emission control, use of enhanced modulation schemes with denser constellation points, and operation in mm-wave frequencies to achieve larger data bandwidths. Furthermore, with more flexibility and reconfigurability of digital circuits, which benefit higher-speed and smaller area of CMOS down-scaling, there is a desire to move functionalities of a transmitter as much as possible into the digital domain. Digital-Centric Multi-standard Transmitters (DCMTs) emerge as a promising solution for Software-Defined Radio (SDR), offering enhanced flexibility and reconfigurability through digital signal processing. This dissertation investigates the design and implementation of two novel DCMT architectures that address the key challenges in system design aspects and analog implementation in order to achieve a decent performance. Therefore, certain techniques and solutions have been established to improve weaknesses of the proposed architectures. Proof-of-concept prototypes are developed to validate the proposed architectures, demonstrating their potential for modern communication standards. The first architecture introduces an I/Q digital-centric transmitter with a 25% duty-cycle which is developed and fabricated in a 65-nm CMOS technology to operate for a number of target standards such as IEEE 802.11ac at its 2.4 GHz band. The concept and its system design are explained in details. Then, circuit design and implementation are presented. And at the end, Measurement results are provided to prove its feasibility and potential performance. Despite some nonlinearity challenges in the DPA frontend, the transmitter successfully meets the WLAN requirements while indicating the effectiveness of a 25% LO duty cycle in enhancing power efficiency. The second architecture focuses on a Multi-Level LINC (ML-LINC) transmitter with I/Q RF-DAC frontends, implemented in a 28-nm CMOS technology. An ML-LINC transmitter provides a high linearity and a relatively good power efficiency compared to simple LINC transmitters. As a result, it can be a good candidate for modulation schemes with larger number of constellation points. The transmitter of this work targets 160-MHz channels in the 5-GHz band of IEEE 802.11ac, emphasizing high linearity and power efficiency through innovative outphasing techniques. A major challenge is achieving outphasing vectors out of the transmitter frontend in I/Q form without losing accuracy of the transmit signal as a result of bandwidth expansion due to Cartesian/Polar conversions. The design incorporates an I/Q unitcell-sharing RF-DAC structure with optimized phase and amplitude generation. Simulations confirm its ability to maintain signal integrity even under frontend imperfections. In a nutshell, this work presents system aspects and circuit implementations as well as post-silicon validation of the proposed transmitters. Systematic requirements of the transmitters to meet specifications of target communication standards are derived. Simulations and measurement results validate the proposed designs, highlighting key areas for improvement, including frontend linearity and system efficiency. The weaknesses are addressed and solutions are discussed. The findings pave the way for more advanced Software-Defined Radio (SDR) solutions that can adapt to evolving wireless standards with minimal hardware modifications.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)