digital signal processing and digital-to-analog converters for wide-band transmitters

252 Pages·2006·4.91 MB·English

HelsinkiUniversityofTechnology,ElectronicCircuitDesignLaboratory
Espoo2006 Report43
DIGITALSIGNALPROCESSINGAND DIGITAL-TO-ANALOG
CONVERTERSFOR WIDE-BAND TRANSMITTERS
MarkoKosunen
DissertationforthedegreeofDoctorofScienceinTechnologytobepresentedwithduepermis-
sionoftheDepartmentofElectricalandCommunicationsEngineeringfor publicexamination
anddebateinAuditoriumS4atHelsinkiUniversityofTechnology(Espoo,Finland)onthe10th
ofNovember,2006,at12noon.
HelsinkiUniversityofTechnology
DepartmentofElectricalandCommunicationsEngineering
ElectronicCircuitDesignLaboratory
Teknillinenkorkeakoulu
Sähkö-jatietoliikennetekniikanosasto
Piiritekniikanlaboratorio
Distribution:
HelsinkiUniversityofTechnology
DepartmentofElectricalandCommunicationsEngineering
ElectronicCircuitDesignLaboratory
P.O.Box3000
FIN-02015HUT
Finland
Tel. [phone]
Fax: [phone]
ISBN-10951-22-8409-X
ISBN-10951-22-8410-3(PDF)
ISBN-13978-951-22-8409-2
ISBN-13978-951-22-8410-8(PDF)
ISSN1455-8440
OtamediaOy
Espoo2006
Abstract
In this thesis, the implementation methods of digital signal processing and digital-
to-analog converters for wide-band transmitters are researched. With digital signal
processing, the problems of analog signal processing, such as sensitivity to interfer-
enceandnonidealitiesofthesemiconductorprocesses,canbeavoided. Also,thepro-
grammabilitycanbeimplementeddigitallymoreeasilythanbymeansofanalogsignal
processing.
During the past few years, wireless communications has evolved from analog to
digital, and signal bandwidths have increased, enabling faster and faster data trans-
mission. Theevolutionofsemiconductorprocesses, decreasinglinewidthandsupply
voltages,hasdecreasedthesizeoftheelectronicsandpowerdissipation,enablingthe
integrationoflargerandlargersystemsonsinglesiliconchips.
Thereislittleoverallbenefitindecreasinglinewidthstomeettheneedsofanalog
design, sinceitmakesthedesignprocessmoredifficultasthedevicesizescannotbe
scaledaccordingtominimumlinewidthandbecauseofthedecreasingsupplyvoltage.
Ontheotherhand,thechallengesofdigitalsignalprocessingarerelatedtotheefficient
realization of signal processing algorithms in such a way that the required area and
powerdissipationdoesnotincreaseextensively.
In this book, the problems related to digital filters, upconversion algorithms and
digital-to-analog converters used in digital transmitters are researched. Research re-
sultsareappliedtotheimplementationofatransmitterforathird-generationWCDMA
base-station.
Inaddition,thetheoryoffactorsaffectingthelinearityandperformanceofdigital-
toanalogconvertersisresearched,andadigitalcalibrationalgorithmforenhancement
ofthestaticlinearityhasbeenpresented.Thealgorithmhasbeenimplementedtogether
witha16-bitconverter;itsfunctionalityhasbeendemonstratedwithmeasurements.
Keywords:Directdigitalsynthesizer,Digitaltransmitter,modulator,
CORDIC,digital-to-analogconverter,calibration.

Tiivistelmä
Tässä väitöskirjassa on tutkittu digitaalisen signaalinkäsittelyn toteuttamista ja digi-
taalisestaanalogiseksi-muuntimialaajakaistaisiinlähettimiin. Digitaalisellasignaalin-
käsittelyllävoidaanvälttäämoniaanalogiseensignaalinkäsittelyynliittyviäongelmia,
kutenhäiriöherkkyyttäjapuolijohdeprosessienepäideaalisuuksienvaikutuksia. Myös
ohjelmoitavuusonhelpommintoteutettavissadigitaalisestikuinanalogisensignaalin-
käsittelynkeinoin.
Viime vuosina on langattomien tietoliikennejärjestelmien kehitys kulkenut anal-
ogisesta digitaaliseen, ja käytettävät signaalikaistanleveydet ovat kasvaneet mahdol-
listaen yhä nopeamman tiedonsiirron. Puolijohdeprosessien kehitys, kapeneva min-
imiviivanleveys ja pienemmät käyttöjännitteet, on pienentänyt elektroniikan kokoa ja
tehonkulutustamahdollistaenyhäsuurempienkokonaisuuksienintegroimisenyhdelle
piisirulle. Viivanleveyksien pieneneminen ei kuitenkaan suoraan hyödytä analogia-
suunnittelua, jossa piirielementtien kokoa ei välttämättä voida pienentää viivanlevey-
den pienentyessä, ja jossa madaltuva käyttöjännite ennemminkin hankaloittaa kuin
helpottaasuunnittelua. Siksiyhäsuurempiosasignaalinkäsittelystäpyritääntekemään
digitaalisesti. Digitaalisen signaalinkäsittelyn ongelmat puolestaan liittyvät algorit-
mien tehokkaaseen toteuttamiseen siten, että piirien pinta-ala ja tehonkulutus eivät
kasvaliiansuuriksi.
Tässäkirjassaontutkittudigitaalisessalähettimessätarvittaviendigitaalistensuo-
dattimien, ylössekoitusalgoritmien ja digitaalisesta analogiseksi-muuntimien toteut-
tamiseen liittyviä ongelmia. Tutkimustuloksia on sovellettu kolmannen sukupolven
WCDMA-tukiasemalähettimentoteutuksessa.
Lisäksiontutkittudigitaalisestaanalogiseksi-muuntimienlineaarisuuteenjasuori-
tuskykyyn vaikuttavien seikkojen teoriaa, ja esitetty digitaalinen kalibrointialgoritmi
muuntimenstaattisensuorituskyvynparantamiseksi.Algoritmiontoteutettu16-bittisen
muuntimenyhteydessäjaseonosoitettutoimivaksimittauksin.
Avainsanat: Suoradigitaalinensyntetisaattori,digitaalinenlähetin,modulaattori,
CORDIC,digitaalisestaanalogiseksi-muunnin,kalibrointi.

Preface
TheresearchforthisthesiswascarriedoutattheElectronicCircuitDesignLaboratory
(ECDL)ofHelsinkiUniversityofTechnologyduringtheyears1998-2005. Thework
presentedinthisbookhasbeencarriedoutinresearchprojectsfundedbyNokiaNet-
works,NokiaResearchCenterandFinnishNationalTechnologyAgency. Ialsothank
theNokiaFoundation,theFinnishSocietyofElectronicsEngineers,andtheFounda-
tionofTechnologyfortheirfinancialsupport.
I express my gratitude to Professor Kari Halonen for his guidance and support,
and for the opportunity to carry out this research in such an inspiring and relaxed
environment as the Electronic Circuit Design Laboratory. My warmest thanks go to
Dr. JoukoVankka,mysupervisor,forhisguidanceandnewideasduringtheyearswe
workedtogether.IwouldalsoliketoexpressmygratitudetoJussiPirkkalaniemiforhis
contributiontotheresearchpresentedinthisbook.IalsowarmlythankProfessorsJiren
YuanandTrondYtterdalforreviewingthisthesis,andfortheirvaluablecommentsand
suggestions.
I gratefully acknowledge all my colleagues with whom I have been honored to
work throughout the years. Special thanks go to Mikko Waltari, Jonne Lindeberg,
VäinöHakkarainenandJacekFlackfortheveryinterestingconversationswehaddur-
ingtheyearsthroughwhichwesharedoutroom.Inadditiontothosementionedabove,
IwouldliketoexpressmysincerestgratitudetoRamiAhola, AskoKananen,Jaakko
Ketola,KimmoKoli,LauriKoskinen,SaskaLindfors,MikaLänsirinne,EsaTiiliharju,
AriPaasio,JussiPirkkalaniemiandHelenaYllöfortheirprofessionalassistance,and,
mostofall,fortheiractiveparticipationinournot-so-professionalrecreationalactivi-
ties,includingourgood-doingat4a.m.,theendlessplanningoftripstothemuseumof
formerpresident Kekkonen, and listening to my never-ending environmental preach-
ing. SpecialthanksalsotoMarjaandOuti.
IwouldliketothankmyformerteachersVarpuRönnholm,KaarinaKoskinen,and
Eino Sandelin for guidance they have given me, and, express my warmest thanks to
all my friends, with whom I have shared many great moments throughout the years.
vi
Pikkutomi, Tumppi, Attila, Kimmo and the other ”Boys of Puotila”, Natski, Jomi,
Oippa,Pamppu,Kartsaetal.,thanksforthefun,andforkeepingmerelativelysane.
Iwouldalsoliketothankmyin-lawsfortheirsupport,beer,greatcooking,beauti-
fuldaughter,andgreatsenseofhumor.
Iwouldliketothankmymotherandfatherfortheirlove,teachings, andsupport.
ThanksalsotomysisterMarjoandmynephewAntti.
Therestofthispagewasreservedforthepraiseofmyintelligentandgood-looking
wife,andmybeautifulandlovingdaughters. Beinganengineer,notapoet,mywrit-
ingsseemtoturnouttobeeitherdimwittedornaive. ThereforeIchosetobeshortand
compact. Katri,Auri,andIra,Icouldnotloveyoumore. Thanksforyourexistence.
Puotila,Helsinki,September2006
MarkoKosunen
Contents
Abstract i
Tiivistelmä iii
Preface v
Contents vii
Symbolsandabbreviations xi
1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Organizationofthethesisandresearchcontribution . . . . . . . . . . 2
2 Directsequencespread-spectrumquadratureamplitudemodulation 5
2.1 PrincipleofQAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Spreading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Pulseshapingfiltering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Performancemetrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 Transmitterstructures 13
3.1 Directconversiontransmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Two-steptransmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3 Phasemodulatingsynthesizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.4 Constantenvelopetransmittersforpoweramplifierlinearization . . . 16
3.4.1 Envelopeeliminationandrestoration. . . . . . . . . . . . . . 17
3.4.2 LINCtransmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.5 DigitalQAMtransmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4 Resource-efficientdigitalfilterdesign 21
4.1 Filterdesignalgorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
viii
4.1.1 Pulseshapingfilterdesignalgorithm . . . . . . . . . . . . . . 22
4.1.2 Half-bandfiltersforinterpolation . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.2 Mapping the floating point filter coefficients to canonic signed digit
format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.3 EfficientFIRfilterstructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.3.1 PolyphaseFIRfiltersinsamplingrateconverters . . . . . . . 28
4.3.2 EfficientrealizationsofFIRfilters . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3.2.1 Directformstructure . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3.2.2 Transposeddirectformstructure . . . . . . . . . . 34
4.3.2.3 Pipelining/interleavingtechnique . . . . . . . . . . 35
4.3.2.4 Reductionofthesignbitload . . . . . . . . . . . . 35
4.3.2.5 Wordlengtheffectsandscaling . . . . . . . . . . . 36
5 Methodsfordirectdigitalfrequencysynthesisandmodulation 39
5.1 Directdigitalfrequencysynthesizersusingthelook-uptablemethod. . 39
5.2 CORDIC vector rotation algorithm based frequency synthesizer and
modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.3 Surveyofdigitalfrequencysynthesizers . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.4 Otherdigitalmodulationmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.4.1 Modulationtoquarterofthesamplingrate. . . . . . . . . . . 47
5.4.2 FrequencysynthesiswithnonlinearD/Aconverter . . . . . . 47
6 Current-steeringdigital-to-analogconverterdesign 49
6.1 GeneraldescriptionofthecurrentsteeringD/Aconverter . . . . . . . 50
6.2 Performancemetrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.2.1 Staticlinearity: Gainerror,DNLandINL . . . . . . . . . . . 53
6.2.2 Linearityandnoise: SNR,SFDR,THD,SINADandENOB . 55
6.2.3 Timedomainperformance: Settlingandglitches . . . . . . . 56
6.3 Modelsandrelationsoftransistormismatchandstaticlinearity . . . . 57
6.3.1 Currentsourcemismatchandyield. . . . . . . . . . . . . . . 57
6.3.2 Statisticalmodelofthestaticlinearity . . . . . . . . . . . . . 59
6.3.3 INLyieldmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.3.4 RegressionmodelfortheINLandDNLyields . . . . . . . . 75
6.4 Calibrationtechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.5 Effectsofoutputimpedancevariation . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.5.1 Distortionduetolowfrequencyimpedancevariation . . . . . 90
6.5.2 Frequencydependencyoftheoutputimpedance . . . . . . . . 93
6.6 Fromdiscrete-tocontinuous-timedomain . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.7 Samplingjitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109