Signal Shaping and Sampling-based Measurement Techniques for Improved Radio Frequency Systems

• Wireless communication systems are omnipresent in our day-to-day life, with high expectations regarding capacity, reliability and power efficiency. In order to satisfy the capacity and reliability expectations, today's wireless systems are adopting sophisticated modulation schemes, such as orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), which shape today's wireless signals with large bandwidths and high crest factors. On top of that, it is anticipated that different wireless systems/standards will co-exist and share the same radio frequency (RF) front-end in order to reduce the network implementation cost.   Such signals characteristics and systems coexistence put high requirements on the amplification stage which in best scenarios is considered weakly nonlinear. As a result, the power amplifier needs to be backed-off for linear operation. However, such power back-off reduces the operation's efficiency. Reducing the crest factor of the wireless signal and the possibility to linearize by means of digital pre-distortion the operation behavior of the power amplifier when operated near its maximum allowed continuous wave (CW) operating power range would lead to the optimal linearity and efficiency of operation.   In order to achieve a good linearization performance, accurate baseband behavioral models are needed which requires measuring time domain signals whose spectra spread largely due to the nonlinear operation of the power amplifier. Such spectrum spreading, denoted by spectral regrowth, puts high requirements on today's sampling-based measurement systems as a trade-of between the sampling rate and amplitude resolution exists in today's generation of analog-to-digital converters, in addition to a limitation in the available analog bandwidth. Overcoming such measurement challenges could lead to the design of expensive measurement systems which is not favorable.   In this thesis, the performance of RF transmitters is improved by combining the use of a smart crest factor reduction technique with an enhanced digital pre-distortion technique which allows operating the power amplifier near its CW 1-dB compression point, offering a significant increase in the efficiency of operation while satisfying the standard constraints on information error and spectral emission. Furthermore, the performance of RF measurement receivers is improved by reducing the requirements on the digital bandwidth by means of an evolved harmonic sampling technique, and by reducing the requirements on the analog bandwidth and design cost by means of a digital bandwidth interleaving technique and a signal separation technique based on an advanced sparse reconstruction methodology.

• Trådlösa kommunikationssystem förekommer överallt i vår vardag, med höga förväntningar på kapacitet, tillförlitlighet och energieffektivitet. För att uppfylla förväntningar på kapacitet och tillförlitlighet är dagens trådlösa system utrustade med avancerade modulationsmetoder, såsom Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), vilket medför att dagens trådlösa signaler har stora bandbredder och höga toppfaktorer. Därutöver planeras det för att olika trådlösa system/standarder kommer att samexistera och samutnyttja komponenter i gränssnittet mot radiosignaler, s.k. RF front-end, för att därigenom minska kostnader för nätverk. Egenskaperna hos dessa signaler och samexisterande system ställer höga krav på förstärkarsteg som i bästa fall kan anses svagt olinjära. Som ett resultat av detta behöver effektförstärkaren arbetspunkt flyttas för förstärkaren skall arbeta i det linjära området, men en sådan förflyttning minskar systemets verkningsgrad. Genom att reducera toppfaktorn på den trådlösa signalen samt att linjärisera förstärkarsteget genom digital förförvrängning, även kallad predistortion, hos effektförstärkaren när den drivs nära sin högsta tillåtna arbetspunkt för en kontinuerlig signal (CW) kan optimal linjäritet och effektiv drift erhållas. För att uppnå god linjäriseringsprestanda krävs noggranna modeller som beskriver beteende i basbandet. Att ta fram dessa modeller kräver tidsdomänmätningar av signaler vars spektra är bredbandiga, till stor del beroende på icke-linjär drift av effektförstärkaren. Bredbandiga spektra ställer höga krav på dagens samplande mätsystem i och med kompromissen mellan samplingsfrekvens och upplösning i amplitud finns i dagens generation av analog till digital omvandlare; dessutom finns en begränsning i tillgänglig analog bandbredd. Att lösa dessa utmanande mätproblem kan leda till utformning av dyra mätsystem vilket inte är önskvärt. I denna avhandling förbättras prestandan hos en radiosändare genom en kombination av smart toppfaktorreduktion och förbättrad digital predistortionsteknik som gör det möjligt att driva effektförstärkaren nära sin 1 dB kompressionspunkt, vilket erbjuder en betydande ökning av systemets verkningsgrad samtidigt som det uppfyller standarders krav avseende vektornoggrannhet och spektral spridning. Dessutom har prestandan på mätutrustningen för radiofrekvenser (RF) förbättras genom att minska kraven på digital bandbredd med hjälp av en nyutvecklad harmonisk samplingsteknik, och genom att minska kraven på den analoga bandbredden och konstruktionskostnad med hjälp av en teknik att intersekvensera signaler i den digitala frekvensdomänen samt med en signalseparationsteknik baserad på en avancerad rekonstruktionsmetod för glesa signaler.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Elektroteknik och elektronik -- Telekommunikation (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering -- Telecommunications (hsv//eng)

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)