Analysis and experimental characterization of nonlinear circuits applied to wireless communications systems

• Autores: M. J. Madero Ayora
• Directores de la Tesis: Carlos Crespo-Cadenas (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2008
• Idioma: español
• Número de páginas: 265
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  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen

  • Durante los últimos años hemos sido testigos de la consolidación de las tecnologías inalámbricas y móviles, en lo que ha venido a llamarse la �sociedad de la información�. La enorme presencia de las redes inalámbricas ha sido posible gracias a destacados logros en el campo del hardware. En el área de las comunicaciones móviles, por ejemplo, el establecimiento de la Tercera Generación de sistemas celulares y la inminente llegada de los sistemas de Cuarta Generación han impulsado el estudio de nuevas técnicas para dar respuesta a la demanda de mayores tasas de transferencia de información, número de usuarios y movilidad. Cuando se desean mayores tasas de transferencia es necesario emplear formatos de modulación más complejos, normalmente con cada vez mayores anchos de banda [1]. El aumento en el número de usuarios hace necesario minimizar la distorsión introducida por los circuitos inalámbricos para evitar interferencias de las señales de unos usuarios con las de otros en el espectro limitado que les ha sido asignado [2]. Por último, la búsqueda de movilidad exige sistemas altamente integrados en los que son prioritarios un bajo consumo y coste [3].

    De entre los más de un millón de transistores que contienen los dispositivos inalámbricos de bolsillo hoy en día, sólo una pequeña fracción opera en el rango de RF y el resto realiza procesado de baja frecuencia de la señal de banda base, puesto que la mayor parte de los sistemas actuales están basados en procesadores digitales de señal (DSPs) [4], [5], [6]. Sin embargo, la sección de RF analógica sigue siendo el cuello de botella del transceptor completo [7]. De entre los bloques básicos que se incluyen en un enlace típico transmisor-receptor para comunicaciones inalámbricas destacan los amplificadores ymezcladores, que pueden dar lugar a importantes efectos no lineales. La operación no lineal no es fácil de describir analíticamente, por lo que obtener diseños optimizados es complejo. Entre los efectos de la distorsión no lineal, es necesario tener en cuenta la distorsión de intermodulación y el recrecimiento espectral, puesto que estos efectos no se pueden eliminar mediante filtrado y producen interferencia de canal adyacente [8].

    El diseño asistido por ordenador (CAD) juega un papel primordial como parte del proceso de síntesis de circuitos no lineales, cuya principal motivación es desarrollar productos competitivos en elmenor tiempo posible [9]. Puesto que no existen nimétodos ni modelos universales para los circuitos no lineales, cada modelo y cada técnica de simulación resultarán adecuados sólo para aplicaciones específicas [10]. Sin embargo, dos de las herramientas más extendidas para el análisis de sistemas no lineales son el Balance Armónico [11], [12] y la representaciónmediante series de Volterra [13], [14], [15], [16]. El Balance Armónico es una técnica iterativa para analizar el régimen permanente con especial aplicación en el caso general de circuitos no lineales. Debido a las limitaciones prácticas que presentan los desarrollos en series de Volterra para circuitos fuertemente no lineales o de gran tamaño, el Balance Armónico es el método preferido en esos casos. Puede verse como una extensión del análisis fasorial para el caso no lineal y se ha convertido en una herramienta madura en el caso de entradas senoidales que incluyen todas las herramientas CAD comerciales más importantes. Presenta excelentes propiedades de convergencia cuando se combina con los algoritmos de Newton-Raphson para la resolución de los sistemas de ecuaciones no lineales a los que se da lugar. La principal restricción para las técnicas clásicas de Balance Armónico es que el tipo de excitaciones que pueden manejar de forma eficiente se limita a señales periódicas y cuasi-periódicas con un número limitado de componentes frecuenciales.

    Una figura de mérito que se ha venido empleando en el diseño de circuitos para los sistemas de comunicaciones inalámbricas actuales es la relación de potencia en el canal adyacente (ACPR). Sin embargo, la evaluación precisa de esta cantidad, y otras características relacionadas, en amplificadores y mezcladores excitados por señales moduladas digitalmente resulta una tarea con una complejidad computacional elevada que hace ineficientes las técnicas clásicas de Balance Armónico. Por ello, se han propuesto métodos de envolvente [17], [18], [19] o algoritmos de Balance Armónico orientados a modulación [20], que tratan específicamente este problema y permiten el análisis eficiente de circuitos con un gran número de líneas espectrales. A pesar de esto, sigue siendo necesario disponer de métodos alternativos que consigan una mayor reducción del tiempo de computación.

    Por otro lado, la representación en series de Volterra se ha empleado para describir una amplia variedad de fenómenos no lineales. Normalmente se acepta que la aplicación de las series de Volterra se limita al estudio de sistemas débilmente no lineales y bajas distorsiones. Sin embargo, las series de Volterra permiten obtener expresiones cerradas que describen el comportamiento del sistema, frente a otras técnicas basadas en algoritmos de iteración numérica. Este tipo de información resulta de gran interés para llegar a comprender los mecanismos que producen los efectos de memoria [21].

    Normalmente, los requisitos mencionados para los circuitos inalámbricos están contrapuestos. Por ejemplo, para un amplificador de potencia en el transmisor o receptor, la eficiencia suele disminuir a medida que se va ganando linealidad en el circuito y, por tanto, disminuye la distorsión. La solución de compromiso consiste en aplicar técnicas especiales para linealizar las características del amplificador sin degradar la eficiencia [22], [23]. Sin embargo, un incremento en el ancho de banda suele conducir a esquemas de linealización ineficaces debido al comportamiento dependiente del ancho de banda o efectos de memoria que presentan los amplificadores de potencia [24], [25].

    Un asunto a tener en cuenta finalmente es que la mayor parte de los modelos para dispositivos no lineales se obtienen a partir de medidas. En este trabajo se revisan Los procedimientos para la caracterización no lineal y sus figuras de mérito asociadas, dado el importante papel que juegan. Puesto que los dispositivos no lineales no cumplen con el principio de superposición, su respuesta presentará características diferentes en función de cuál sea la excitación empleada [26]. Por eso, se consideran principalmente tres tipos de entradas: un único tono, dos tonos y señales moduladas de espectro continuo. De entre ellas, las medidas de intermodulación de dos tonos ocupan una posición destacada y comprender sus particularidades centra la atención de muchos investigadores [27], [28], [29]. Por un lado, se puede emplear una prueba de dos tonos con separación variable entre los tonos para la caracterización experimental de los efectos de memoria, siendo aconsejables medidas tanto de la magnitud como de la fase de los productos de intermodulación. Por otro lado, partiendo de una prueba de dos tonos es posible predecir el comportamiento de las componentes de distorsión para señales multitono [30] y para modulaciones más complejas [31] La presente Tesis pretende dar una visión amplia y detallada sobre el análisis de circuitos no lineales para comunicaciones inalámbricas. Partiendo de una revisión del estado del arte de los métodos de análisis no lineal, los enfoques estudiados incluyen la aplicación del algoritmo de Newton Simplificado a la solución de circuitos débilmente no lineales [32]. La aplicación de este método constituye una herramienta novedosa adecuada para el análisis de circuitos que contengan tanto amplificadores como mezcladores [33]. Como ventaja adicional del método de Newton Simplificado, se demuestra que permite la obtención de expresiones teóricas paramodelar la dependencia con la frecuencia de banda base de la distorsión de intermodulación en amplificadores con memoria [34], de forma análoga a la representación mediante series de Volterra. La contribución final que se presentará consiste en un modelo basado en impedancias para amplificadores con transistores FET o amplificadores comerciales, propuesto para tener en cuenta los efectos de memoria en la intermodulación sin importar cuál sea su naturaleza [35].

    El objetivo principal de esta Tesis consiste en contribuir al estudio y desarrollo de nuevas técnicas de análisis para sistemas no lineales aplicados a comunicaciones inalámbricas. Este objetivo general se puede dividir en los siguientes:

    � Desarrollo de una herramienta de análisis para circuitos débilmente no lineales bajo señales de comunicaciones moduladas digitalmente de banda estrecha.

    � Estudio de la dependencia del ancho de banda o efectos de memoria de la distorsión de intermodulación.

    � Caracterización experimental de la distorsión no lineal y los efectos de memoria en amplificadores de potencia de RF.