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.
I. IntroducciónI. Introducción
¿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.
I. IntroducciónI. Introducción
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.
I. IntroducciónI. Introducción
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)
I. IntroducciónI. Introducción
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.
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.
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
II. Compromiso entre linealidad y eficienciaII. Compromiso entre linealidad y eficiencia
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
II. Compromiso entre linealidad y eficienciaII. Compromiso entre linealidad y eficiencia
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.
II. Compromiso entre linealidad y eficienciaII. Compromiso entre linealidad y eficiencia
Pin Pout
Pdc
Pdis
Amp
PowerSupply
SignalSource
DissipativeEnvironment
SignalLoad
disoutindc PPPP Ley de Conservación de la Energía:
Relaciones de potencia en los circuitos activos
II. Compromiso entre linealidad y eficienciaII. Compromiso entre linealidad y eficiencia
1in
disdcin
outP
PPP
PG
disoutindc PPPP
Por lo tanto
Pin Pout
Pdc
Pdis
Amp
PowerSupply
SignalSource
DissipativeEnvironment
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.
Relaciones de potencia en los circuitos activos
Esto puede lograrse:1 – Manteniendo una Pdc constante y disminuyendo Pdis (Clase A).2 – Incrementando Pdc con Pin, pero también incrementando Pdis (Clase B).
II. Compromiso entre linealidad y eficienciaII. Compromiso entre linealidad y eficiencia
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
DissipativeEnvironment
SignalLoad
Relaciones de potencia en los circuitos activos
II. Compromiso entre linealidad y eficienciaII. Compromiso entre linealidad y eficiencia
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.
III. Soluciones para conseguir alta eficiencia y linealidad
III. Soluciones para conseguir alta eficiencia y linealidad
Pin(t) Pout(t)
Pdc(t)
Amp
AMModulator
SignalSource
DissipativeEnvironment
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)
III. Soluciones para conseguir alta eficiencia y linealidad
III. Soluciones para conseguir alta eficiencia y linealidad
1. A-ET – Seguimiento Analógico de la Envolvente
Pin(t)
Amp
Class S AMModulator
SignalSource
SignalLoad
PowerSupply
Pdc(t)
LPF
vout(t)vin(t)
III. Soluciones para conseguir alta eficiencia y linealidad
III. Soluciones para conseguir alta eficiencia y linealidad
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
III. Soluciones para conseguir alta eficiencia y linealidad
III. Soluciones para conseguir alta eficiencia y linealidad
3. D-ET – Seguimiento Digital de la Envolvente
Pin(t)
Amp
Class S AMModulator
SignalSource
SignalLoad
PowerSupply
Pdc(t) BPF
vout(t)vin(t)
III. Soluciones para conseguir alta eficiencia y linealidad
III. Soluciones para conseguir alta eficiencia y linealidad
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)
III. Soluciones para conseguir alta eficiencia y linealidad
III. Soluciones para conseguir alta eficiencia y linealidad
5. D-PA – Amplificador de Potencia de RF Digital
vin(t) vout(t)AmpClass S RF
ModulatorSignalSource
SignalLoad
PowerSupply
PdcBPF
III. Soluciones para conseguir alta eficiencia y linealidad
III. Soluciones para conseguir alta eficiencia y linealidad
IV. Transmisor polarIV. Transmisor polar
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.
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.
IV. Transmisor polarIV. Transmisor polar
IV. Transmisor polarIV. Transmisor polar
DAC
DAC
RF CarrierOscillator
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
IV. Transmisor polarIV. Transmisor polar
IV. Transmisor polarIV. Transmisor polar
DAC
DAC
RF CarrierOscillator
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
IV. Transmisor polarIV. Transmisor polar
- 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%
IV. Transmisor polarIV. Transmisor polar
IV. Transmisor polarIV. Transmisor polar
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)
IV. Transmisor polarIV. Transmisor polar
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
IV. Transmisor polarIV. Transmisor polar
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.
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.
V. Extensión a las Agrupaciones RetrodirectivasV. Extensión a las Agrupaciones Retrodirectivas
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
RF CarrierOscillator
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
V. Extensión a las Agrupaciones RetrodirectivasV. Extensión a las Agrupaciones Retrodirectivas
• 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.
V. Extensión a las Agrupaciones RetrodirectivasV. Extensión a las Agrupaciones Retrodirectivas
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
V. Extensión a las Agrupaciones RetrodirectivasV. Extensión a las Agrupaciones Retrodirectivas
-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
Top Related