Contribución a la mejora de la eficiencia energética para transceptores inalámbricos reconfigurables

• Autores: José Ramón Pérez Cisneros
• Directores de la Tesis: Pedro Luis Carro Ceballos (dir. tes.), Jesús de Mingo (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2017
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Jose Angel García Garcia (presid.), Paloma García Dúcar (secret.), Gabriel Montoro López (voc.)
• Materias:
  • Matemáticas
    • Ciencia de los ordenadores
      • Informática
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• Resumen

  • Los sistemas de comunicaciones móviles e inalámbricos han experimentado en los últimos años un crecimiento exponencial convirtiéndose en elementos fundamentales de nuestra vida cotidiana.

    Esta creciente demanda de mayor calidad de servicio y mayores tasas de transmisión en las comunicaciones ha redundado en que los estándares a cumplir por los modernos sistemas de comunicaciones móviles e inalámbricos requieren de transmisores con una elevada capacidad. Estos han de ser capaces de operar a diferentes bandas y niveles de potencia, con formatos de modulación variantes, cumpliendo estrictos requisitos de linealidad y siendo eficientes desde el punto de vista energético. En la actualidad se intensifica el avance hacia el Software Defined Radio (SDR), un sistema donde los bloques implementados en hardware pueden ser reconfigurables en software. El SDR permitirá llegar al Cognitive Radio, paradigma de las comunicaciones donde tanto las redes como los nodos cambian los parámetros de transmisión/recepción para realizar su cometido de forma eficiente sin interferir con el resto de usuarios.

    Los recientes avances en técnicas de procesado de señal y el importante desarrollo asociado a los DSP´s y FPGA´s, junto con la aparición de nuevas tecnologías de dispositivos activos están permitiendo el desarrollo de diversas arquitecturas transmisoras cuyo objetivo es el de dar soporte al SDR. Son varios los grupos de investigación en los que se trabaja para avanzar hacia el SDR generando un sistema de transmisión eficiente desde el punto de vista energético (Green Radio) y versátil (multi-estándar) permitiendo ser reconfigurable en su máximo exponente, incluyendo el hardware.

    Los amplificadores de potencia (APs) son dispositivos altamente no lineales, indispensables en los sistemas de comunicaciones. Su alto consumo de energía los convierte en objeto de continua investigación con el objetivo de maximizar la eficiencia energética en su uso. Para operar con los diferentes estándares, los APs han de hacerlo, hasta la fecha, con niveles de potencia alejados de la zona de saturación para trabajar en régimen lineal, lo que se conoce como niveles de back-off. El precio a pagar es que la eficiencia disminuye.

    Además, los transmisores inalámbricos sufren el efecto o la influencia del entorno móvil, que van a cambiar las condiciones de trabajo de los mismos, y que puede modificar sustancialmente la impedancia de carga, tanto a entrada como a salida, contribuyendo también a reducir la eficiencia energética del sistema puesto que el diseño de los amplificadores de potencia se realiza habitualmente considerando cargas estáticas. El hecho de que las impedancias de entrada y/o salida puedan cambiar de valor y/o fluctuar, aspecto que ocurre con facilidad en entornos móviles asociado tanto a los portátiles como a las estaciones base ante variaciones en diferentes factores como la frecuencia o el punto de polarización, puede conducir a una reducción dramática de la eficiencia y, además, comprometer seriamente a la linealidad.

    Para solventar o mejorar los problemas enunciados surgió el concepto de las redes de adaptación reconfigurables. Son circuitos que buscan la transformación de impedancias ´optima que permita la transmisión de potencia entre la fuente y la carga con las menores perdidas posibles, pero permitiendo su reconfigurabilidad de modo que mediante algún mecanismo de control electrónico y automático las propiedades de adaptación de la red puedan cambiar permitiéndole adaptarse a las condiciones del sistema.

    El objetivo de esta tesis es investigar, diseñar y evaluar sistemas, tanto fijos como reconfigurables, basados en amplificadores de potencia RF utilizando novedosas técnicas de modelado así como el diseño de arquitecturas de potencia altamente eficientes y reconfigurables mediante el empleo de redes de adaptación de impedancias.

    Para ello se pretende realizar un amplio estudio de las técnicas de modelado de APs, de los amplificadores altamente eficientes doble-banda/banda-ancha, y de las redes de adaptación reconfigurables para la mejora de la eficiencia en arquitecturas de potencia reconfigurables. Se pretende asimismo realizar aportaciones a la s´ıntesis de los algoritmos de adaptación inteligente para mejorar la eficiencia en arquitecturas inalámbricas.

    El resultado esperado es un incremento de la eficiencia energética de la etapa transmisora lo que redundara´ en una reducción del consumo energético, en un evidente ahorro económico, y en una disminución del impacto medioambiental o huella ecológica de los transmisores.

    Si pensamos en dispositivos móviles y portátiles, la mejora en la eficiencia energética tiene el objetivo del ahorro en el consumo de las baterías aumentando su autonomía, aspecto especialmente importante desde la aparición de los terminales móviles de última generación y smartphones. Desde el punto de vista de las estaciones base, la mejora en la eficiencia energética supondrá un ahorro considerable en su coste económico.

    La tesis se focaliza en la teoría, el diseño y la implementación práctica de arquitecturas de potencia, priorizando su reconfigurabilidad y la eficiencia, de modo que puedan integrarse en etapas de transmisión para los estándares de comunicaciones inalámbricos.

    Se han presentado soluciones novedosas en las siguientes tareas: En el modelado comportacional de amplificadores de potencia.

    En el diseño de amplificadores de potencia de doble-banda con alta eficiencia.

    En la optimización de arquitecturas reconfigurables de potencia que emplean redes discretas, tanto a la entrada como a la salida de un transistor adecuadamente polarizado y estabilizado.

    En el diseño de etapas reconfigurables de potencia basadas en redes de adaptación continuas a su salida, cuyo ancho de banda de operación es reconfigurable, mientras mantiene una alta eficiencia de drenador.

    Finalmente, se ha propuesto un nuevo modo de operación continuo para la Clase-E con pendiente variable para APs que permite obtener una eficiencia igual al 100 % el cual puede ser utilizado tanto para el diseño de amplificadores de potencia de banda-ancha con 100 % de eficiencia con potencia de salida constante como para la implementación de transmisores de tipo outphasing.

    Las contribuciones más importantes de esta tesis doctoral son las siguientes: 1. La propuesta de un nuevo modelo comportacional para amplificadores de potencia de radio-frecuencia de banda-ancha, en el dominio tiempo-frecuencia, empleando tanto redes neuronales artificiales como análisis multi-resolución mediante la transformada Wavelet junto con redes neuronales. Es la primera vez que se emplea la técnica para la tarea del modelado comportacional de amplificadores de potencia de banda-ancha, donde los efectos de memoria comienzan a tener gran importancia, en el dominio tiempo-frecuencia. La potencialidad mostrada por el modelo propuesto provoca que sea una alternativa muy interesante a los clásicos modelos comportacionales basados en series de Volterra, tan ampliamente utilizados en la literatura.

    2. Propuesta y validación de una metodología para el diseño de amplificadores de potencia de doble-banda/banda-ancha basada en el análisis de las terminaciones reactivas a los distintos armónicos considerados que permite mantener una alta eficiencia. En uno de los diseños presentados para la validación de la metodología se ha propuesto una novedosa topología para la implementación de la red de salida de modo que tenga naturaleza de banda-ancha mientras mantiene una elevada eficiencia en la banda considerada. Además, se explotan los parásitos de los elementos discretos para el diseño de los dos APs doble-banda con alta eficiencia.

    3. Propuesta y validación de una metodología en 2-D basada en vector-quantization para la optimización de arquitecturas reconfigurables de potencia basadas en redes discretas tanto a la entrada como a la salida de un transistor debidamente polarizado e incondicionalmente estabilizado.

    4. Diseño de una arquitectura reconfigurable de potencia basada en un transistor operado en modo conmutado que permite la reconfigurabilidad en términos de ancho de banda mientras mantiene una alta eficiencia en la banda considerada. La reconfigurabilidad de la arquitectura en este caso es en términos de ancho de banda mientras la eficiencia se mantiene alta al ser operado el transistor en modo conmutado. Para su diseño se han tenido en cuenta las terminaciones tanto a la frecuencia del fundamental como del segundo armónico.

    5. Derivación de la forma analítica de las ecuaciones para el diseño de APs de un nuevo modo continuo basado en la Clase-E con pendiente variable. Evaluación del rendimiento de dicho novedoso modo de operación. Además, las ecuaciones han sido validadas en términos de las formas de onda.

    6. Aplicación de las ecuaciones de diseño del nuevo modo continuo para la Clase-E con pendiente variable para el diseño real de un AP de banda-ancha que, basado en el novedoso modo de operación, consigue una eficiencia teórica del 100 % con potencia de salida constante en la banda considerada.

    7. Estudio de la viabilidad del empleo de las ecuaciones de diseño para el modo continuo de la Clase-E con pendiente variable en un transmisor de tipo outphasing. Presentación de las trayectorias de impedancia a sintetizar para que el transistor opere en el modo continuo descrito ante modulación activa de la carga debido al efecto del transistor de la otra rama, cuando la terminación al segundo armónico es considerada reactiva y permanece fija.

    Para concluir, destacar que las soluciones presentadas en esta tesis doctoral facilitan la implementación de arquitecturas basadas en APs, principalmente reconfigurables, priorizando fundamentalmente el rendimiento en términos de la eficiencia de la etapa para que puedan integrarse en los modernos estándares de comunicaciones inalámbricos.

    La memoria principal está organizada en 5 Capítulos y Anexos.

    En el Capítulo 1 se ha realizado una breve introducción a la tesis doctoral. Se ha expuesto cual es la motivación que ha llevado a su realización. Partiendo de un análisis de los requisitos de las tecnologías inalámbricas en la actualidad, se focaliza dicho análisis en las demandas de los transmisores, dedicando especial atención a los amplificadores de potencia, describiendo su papel en los actuales sistemas de comunicaciones y realizando un análisis tanto de su comportamiento no ideal como de la problemática asociada al compromiso linealidad-eficiencia. Se determinan los objetivos y se remarcan las contribuciones más interesantes de la tesis. Se resumen las publicaciones, presentadas tanto en revista como en congresos nacionales e internacionales, las cuales avalan los trabajos y estudios desarrollados. Finalmente, se presenta la estructura de la tesis.

    El Capítulo 2 se dedica a las técnicas de modelado comportacional de amplificadores de potencia de radio-frecuencia en sistemas de transmisión de banda ancha. Se realiza una breve introducción al problema que se desea solucionar y a la metodología que se ha seguido para abordarlo. Se establece cual es la motivación, los objetivos y el alcance, y se especifica cómo ha sido el desarrollo.

    Se describen los efectos a modelar, se realiza una revisión del estado del arte de las técnicas de modelado de amplificadores de potencia de radio-frecuencia, haciendo especial hincapié en los modelos polinomiales basados en Series de Volterra presentando, además, las métricas empleadas para comparar los modelos. Se presta especial atención a las técnicas de modelado mediante redes neuronales artificiales, realizando una revisión del estado del arte y una descripción de la arquitectura de red empleada en la tesis.

    Posteriormente, se presenta un estudio comparativo de las prestaciones obtenidas mediante un modelo basado en las series de Volterra y otro modelo mediante redes neuronales artificiales. Se presentan los escenarios, mediante un simulador de circuitos empleando el balance armónico y mediante un banco de trabajo con señales empleadas en los actuales estándares de comunicaciones.

    Para finalizar se exploran las técnicas de modelado comportacional en el dominio tiempo-frecuencia. Para ello, se justifica el empleo del dominio tiempo-frecuencia para la tarea del modelado de APs. Se realiza una descripción del modelo MRWA-TDNN propuesto, desarrollándose posteriormente una metodología para el modelado MRWA-TDNN, concluyendo con su verificación experimental.

    El Capitulo 3 se dedica al diseño de amplificadores de potencia de doble-banda y/o de banda-ancha de alta eficiencia.

    Se presentan las distintas tecnologías existentes de transistores de potencia en la actualidad, tanto a nivel de transistor como de material semiconductor, elaborándose un estudio exhaustivo y comparativo para la selección del dispositivo activo de RF. Se realiza una revisión teórica de los modos de operación de los amplificadores de potencia, distinguiendo entre el modo transconductancia o modo lineal y el modo conmutado. Se realiza una revisión del estado del arte del diseño de APs doble-banda de alta eficiencia, prestando atención a los modos continuos de funcionamiento para APs.

    Posteriormente se establece una metodología para el diseño de amplificadores de potencia doble-banda en modo conmutado con alta eficiencia. Se finaliza con el diseño y la implementación de dos prototipos de amplificadores de potencia de doble-banda aplicando dicha metodología.

    Por una parte, se diseña un amplificador doble-banda en las bandas 1.8 GHz y 2.6 GHz. Se presenta la caracterización del prototipo implementado con una excitación de onda continua y con señales moduladas reales de los actuales sistemas de comunicaciones. Además, se realiza el modelado comportacional del amplificador diseñado mediante redes neuronales artificiales.

    Por otra parte, se diseña un amplificador doble-banda en las bandas 1.8 GHz y 2.14 GHz, donde se ha prestado especial atención al diseño de la red de salida, de naturaleza de banda ancha. Se presenta la caracterización del prototipo implementado con una excitación de onda continua. Este amplificador doble-banda podría ser fácilmente integrado en un transmisor altamente eficiente basado en el control dinámico de la polarización.

    El Capítulo 4 se dedica a las arquitecturas reconfigurables de potencia.

    Se presenta la importancia de dichas arquitecturas reconfigurables para dar soporte a los modernos y actuales estándares de comunicaciones dado que permiten solventar con elevada eficiencia y rapidez la problemática asociada a la asignación dinámica del espectro al tiempo que se obtiene una elevada eficiencia. Se presentan las tecnologías existentes para la realización de circuitos de radio-frecuencia reconfigurables, focalizándose en las redes de adaptación reconfigurables, prestando especial atención a su empleo en arquitecturas basadas en APs, distinguiendo en continuas, discretas e hibridas, en función del tipo de cobertura que proporcionan en la carta de Smith, o lo que es lo mismo, dependiendo de la naturaleza de las impedancias que son capaces de sintetizar (en función de si la transformación de impedancias que son capaces de realizar).

    Posteriormente se analiza una arquitectura genérica reconfigurable presentando las ventajas respecto a las arquitecturas fijas en términos de rendimiento tanto en pequeña señal, mejorando la ganancia de transducción y la adaptación, como en gran señal, mejorando la eficiencia de drenador.

    Por una parte, el capítulo se dedica a arquitecturas reconfigurables de potencia basadas en amplificadores de potencia operando en clases lineales. Se implementa, en simulación de un transmisor banda-ancha multi-estándar mediante red de adaptación reconfigurable a la salida la cual permite la mejora de tanto la eficiencia como la linealidad. Posteriormente, se analiza la integración en un transmisor LINC de dos APs operando en clases lineales que, además, emplean una red de adaptación reconfigurable a su salida para la mejora de la eficiencia, provocándose, dada la naturaleza de las arquitecturas de tipo LINC, y al aplicar un algoritmo de corrección del desbalance entre las ramas, la mejora de tanto la eficiencia como de la linealidad referido a un transmisor LINC que no emplease dichas redes de adaptación reconfigurables. A continuación se presenta una metodología de optimización en 2-D de una arquitectura que, basada en un transistor polarizado e incondicionalmente estabilizado, emplea redes de adaptación reconfigurables tanto a la entrada como a la salida. Debido a la variabilidad que existe en las impedancias de entrada y de salida ante cambios en factores como son la frecuencia o el punto de polarización del transistor. Mediante la evaluación del rendimiento, se demuestra que se obtienen mejoras tanto desde el punto de vista lineal, mejorándose la ganancia y la adaptación de la etapa, como desde el punto de vista de la eficiencia, mejorándose la eficiencia de drenador. Asimismo, se realiza un estudio de los tiempos de ejecución de la metodología de optimización 2-D propuesta, estableciendo una comparativa con otros métodos de optimización.

    Por otra parte, se dedica a arquitecturas de potencia reconfigurables basadas en amplificadores de potencia que operan en clases conmutadas. Se realiza, por tanto, un diseño específico para alta eficiencia para obtener un amplificador de potencia de banda-ancha de alta eficiencia que permita la reconfigurabilidad de la banda de frecuencia sobre la que la arquitectura diseñada es altamente eficiente. Se analizan distintas topologías circuitales para la red de salida evaluando las prestaciones en términos de eficiencia de drenador, concluyendo en la topología de la red de salida que será implementada. Finalmente, se evalúa el rendimiento del prototipo, una vez diseñada la red de entrada que ecualiza la potencia de entrada requerida.

    El Capítulo 5 realiza el desarrollo teórico del modo de operación continuo para amplificadores de potencia para la Clase-E con pendiente variable.

    Se introducen los modos de funcionamiento basados en la Clase-E óptimos y los existentes modos sub-óptimos. Se revisan las ecuaciones de diseño existentes para amplificadores de potencia basados en la Clase-E. Se presenta una descripción de la topología circuital genérica de un AP operando en modo conmutado y realiza la presentación de las hipótesis bajo las cuales se realiza posteriormente el análisis circuital de los modos de operación continuos de la Clase-E con pendiente variable, Se derivan las ecuaciones de diseño para el modo continuo de la Clase-E con pendiente variable, siendo este un modo de operación nunca anteriormente analizado con detalle en la literatura. Dichas ecuaciones son derivadas mediante relaciones básicas, realizando un análisis de Fourier y, finalmente, estableciendo condiciones para una operación de eficiencia igual al 100 %.

    Se evalúa el rendimiento del nuevo modo continuo de la Clase-E con pendiente variable, en términos de las formas de onda, del estrés al que es sometido el dispositivo, de la potencia de salida y del factor de utilización de potencia. Finalmente, se analiza la reducción de eficiencia debida a pérdidas óhmicas.

    Se verifica la solución analítica anteriormente derivada mediante un simulador de circuitos, realizando la comparativa a través de las formas de onda.

    Para finalizar, se analiza la posibilidad de operación banda-ancha.

    Por un lado, se trata del diseño de amplificadores de potencia de banda ancha basados en el modo continuo de funcionamiento propuesto, el cual proporciona una eficiencia igual al 100 %. Para ello, se detalla el proceso de diseño que tendría que tener lugar para obtener un amplificador de potencia con una eficiencia igual al 100 % en un ancho de banda determinado con potencia de salida constante.

    Y por otro lado, se evalúa la posible aplicación del modo continuo propuesto al diseño de transmisores de tipo outphasing, en los que tiene lugar la modulación activa de carga de cada uno de los amplificadores de potencia de las ramas del transmisor. Para ello, se analizan las trayectorias de impedancia que deberían conseguirse (por la combinación de los efectos del combinador y de los elementos de compensación) para proporcionar el modo de operación continuo de la Clase-E con pendiente variable suponiendo una terminación fija al segundo armónico para el amplificador de la rama estudiada e independiente de la modulación de carga que estuviese teniendo lugar.

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