Flexible transmitters handling multimode and multiband are inevitable for the evolution of the wireless communication system. Recent development in wireless communication devices has enabled the high-end voice-centric mobile phones to evolve into multimedia computers. Hence, compact radio architectures that are capable of operating in all radio systems are key elements when optimizing both development and manufacturing cost and performance of a multistandard wireless device. In this thesis, compact radio architectures, which have high linear, high efficiency, are studied. At first, a multiband and multimode RF amplitude modulator, which adopts the saturated amplifier for high efficiency, is studied. A multimode RF amplitude modulator and a digitally controlled variable attenuator are proposed and analyzed. With reference to a comprehensive analysis of nonlinear distortion, a current source modulated amplitude modulator was designed. Theoretical analysis indicates that the linear AM-to-AM and AM-to-PM transfer curve can be achieved by choosing the maximum amplitude region, $A_{max}$, which shows the minimum nonlinear coefficient, $a_1$, and reducing the LO leakage. Therefore, sufficient linearity can be achieved without the digital predistortion technique or a feedback loop. To improve the dynamic range and power consumption, a dual mode amplitude modulator is proposed. The passive mode operation of the VATT requires no dc power consumption. The proposed Π type attenuator yields good matching characteristics for the digitally controlled VATT. The wideband and digital controllability of the proposed VATT are more appropriate to the multi-mode RF transmitter than previously works. Multimode operations were tested with GSM, EDGE, and WCDMA signals.
For the more compact radio architecture, there are two main approaches. One is the integration with a CMOS Power Amplifier (PA) and the other is migration with the RF function into digital domain.
The digital intensive RF circuits or digital-to-RF modulator are hot issues in flexible SDR(Soft Defined Radio). The multimode and multiband operation in the analog and RF area is not familiar yet. However, digital radio provides many benefits including robustness to variations from component inaccuracies and aging. Moreover, a smaller circuit area from a higher integration level of Si CMOS technology and lower fabrication cost can be also allowed. To simulate the digital domain data flow with the analog domain signal flow, ADS co-simulation was used. For the direct digital-to-RF modulator, a direct digital to RF amplitude converter is proposed and designed.
Finally, CMOS PAs are studied and designed for high integration to the SoC. Recently, the CMOS PA, which can integrate in a single CMOS chip, is widely studied. Power amplifiers are categorized as either linear or nonlinear PA’s. The CMOS switching PA is one of possible solution to achieve high efficiency and high output power over watt-level. However, the switching PA requires the linearization techniques for the nonconstant envelope signals such as EDGE, WCDMA, and WLAN. By using the switching PA for phase modulation and the current source for amplitude modulation, high linearity and bandwidth for WCDMA standard can be achieved. Further, inputting the direct digital-to-amplitude signal to the current source, the digital PA can be available. Therefore, the DAC based CMOS switching PA can be one of the very compact transmitter architecture for future RF transmitter. However, the DAC based CMOS switching PA still has the difficulties to achieve the large dynamic range for the power level control. Therefore, the CMOS linear PA is required after the RF polar transmitter. The WCDMA CMOS linear PA is studied and designed in the further work.
최근 가장 널리 사용되는 RF transmitter(Tx.) 구조로는 Direct conversion RF Tx. 와 Polar RF Tx. 구조가 있다. 기저대역의 I/Q 신호를 AM/PM 신호로 변조 시킨 뒤 RF up-conversion을 시켜 무선 송신을 하는 Polar RF Tx. 는 AM/PM 신호의 bandwidth가 넓어지고 각 path사이의 delay mismatch에 민감하며 LO leakage문제가 있다는 단점이 있지만 Switching PA를 사용 할 수 있고 Multimode에 적합하다는 장점이 있다. Polar RF Tx.는 최근 두 가지 방향으로 연구가 이루어지고 있다. 하나는 Digital domain과 집적이 되는 Digital RF Tx.구조와 다른 하나는 CMOS Power Amplifier (PA)와 집적이 되는 CMOS Switching PA for Polar Tx. 가 있다.
Polar Tx. 을 위한 RF amplitude modulator를 구현함에 있어 중요 설계 사항으로는 첫째로 power level 조절과 signal modulation을 위한 큰 dynamic range, 둘째로 AM path를 위한 넓은 bandwidth, 세번째로 높은 효율 특성을 가져야 한다.
큰 dynamic range를 가짐에 있어 가장 큰 문제점인 LO leakage문제를 해결 하기 위해 본 논문에서는 두 가지 해결책을 제시 하였다. 하나는 power control range를 줄이는 문제점을 해결 하기 위해 RF amplitude modulator 뒷 단에 digitally controlled variable attenuator (VATT)를 달아 주어 파워 컨트롤과 함께 LO leakage또한 줄여 줄 수 있도록 하였다. 다른 하나는 RF amplitude modulator자체에서 low power 모드로 동작할 수 있게 mode컨트롤이 가능하게 하고 cascade 타입의 구조를 사용하여 큰 동작영역을 가질 수 있는 Polar Tx.의 analog path를 제시하였다.
WCDMA와 같은 high data rate를 가지는 신호의 AM신호를 모듈레이션 하기 위해서는 넓은 bandwidth를 가지는 amplitude modulation 방법이 필요하다. 이를 위해 current mode amplitude modulation 방법을 채택하였다.
고효율 특성을 가지기 위해서는 출력 RF 신호의 voltage가 high일 때 출력 RF 신호의 current가 zero가 되는 회로 특성을 이용 하여 기존의 class A, AB amplifier 들 보다 상대적으로 높은 효율 특성을 가질 수가 있었다.
Polar Tx. 연구를 위해 시뮬레이션 환경 구축과 시스템 측정 환경 구축을 하였다. 시뮬레이션 환경 구축은 analog/RF 영역과 digital영역을 동시에 co-simulation할 수 있도록 하였다. 시스템 측정 환경 구축은 WCDMA/EDGE/GSM과 같은 무선 통신 신호의 Digital Modem 신호를 ADS signal source로부터 data를 dumping 받아 Signal Generator와 Data Generator에 입력 시켜 측정 신호를 발생 시켰다.
Chapter 2에서는 아날로그 방식의 RF amplitude modulator와 digitally controlled VATT를 연구하였다. 제안된 회로는 고효율, 고선형, 큰 동작영역을 동시에 가질 수 가있었다. 그리고 Polar Tx.에서의 nonlinear distortion해석을 위해 새로운 model을 제시하였으며 system simulation을 통해 이론적 해석을 뒷받침 하였다. 다중 대역 polar Tx.를 위한 광대역 amplitude modulator를 설계하여 900MHz, 1.95GHz, 2.4GHz에서 동작할 수 있는 회로를 제안하고 설계하였다.
Chapter 3에서는 Digital RF Tx.를 위해Direct digital-to-RF amplitude modulation이 가능한 Digital to RF Amplitude Converter (DRAC)를 제안하고 설계하였다. DRAC는 기존의 DAC, LPF, VGA, RF modulator의 기능을 동시에 가져야 하므로 매우 큰 동작영역을 필요로 한다. 이를 해결하기 위해 앞 chapter 2에서와 마찬가지로 digitally controlled VATT를 사용하여 큰 동작영역을 얻을 수 있도록 하였다.
Chapter 3에서는 Direct Digital Synthesizer가 가능할 수 있는 Delta-Sigma Digitized Polar RF Tx.를 연구하였다. 고효율의 CMOS Switching PA의 source에 current source를 달아 주어 Switching PA를 linearization 시킬 수 있도록 하였다. AM 디지털 신호는 Delta-Sigma Modulator(DSM) 를 통해 1-bit bit stream으로 변조 된 뒤 RF Power up-conversion이 이루어진다. 이때 DSM신호가 가지는 quantization noise를 RF출력단에서 제거 시키기 위해 High-Q Band Pass Filter (BPF)를 사용하여야 한다.
본 논문에서는 다중 대역, 다중 모드 RF송신단을 위한 고효율, 고선형, 큰 동작영역을 가지는 Polar 변조기를 연구하였다.
