CORDIC-Based Multi-Gb / s数码异相高效毫米波发射机调制器

文摘

本文介绍了一种高速数字异相CORDIC-based调制器。定点Matlab开发的异相调制器模型来评估系统的性能,定义了电路设计参数。设计信号量化误差等问题,延迟失配和相位的解决,使硬件实现。完整的异相调制器在40纳米CMOS全定制设计,可以集成在一个毫米波异相发射机来增强系统平均效率。测试了10.56 Gb / s 64 - qam,这项工作达到3.2%的维生素和满足IEEE 802.11广告光谱面具的要求。

1。介绍

线性化和效率增强技术总是专注在设计功率放大器(PAs) (1]。图1显示了一个典型的线性PA的特点。巴勒斯坦权力机构只有达到峰值power-added效率(它的饱和输出功率(附近))。然而,由于高peak-to-average功率比(地表铺面),巴勒斯坦权力机构已经相当低的平均输出功率()和平均power-added效率()。注意,PDF代表复杂调制信号的概率密度函数。在毫米波频段(mm-Wave)晶体管运作等问题变得更加严重的很大一部分 (2]。因此,关键的挑战mm-Wave multi-Gb / s发射机(TX)是穷人平均效率当传输复杂调制信号(如64 - qam)。

异相PA实现线性放大使用高效的非线性不是[3,4),有可能缓解线性/效率的权衡问题。异相如图的概念2矢量图的异相向量(即,和)和混合信号(例如,)。信号组件分隔符(SCS)是用来生成和基于(5]。的大小取决于异相角 。因此,异相PA可以同时实现高线性度和效率高。工作(6)首次提出了完全集成的异相发射机在mm-Wave前端。这表明即使在mm-Wave异相TX能够执行线性放大使用开关或饱和功率放大器(PAs),实现近两倍的平均效率(6比传统的 TX。因此,有必要开发一个高速异相调制器,以促进一个完全集成的异相TX (7,8]。工作(9)提出了一种异相TX 2.4 - ghz WLAN delay-based相位调制器。然而,它可能需要推迟解决0.1 ps阶段解决2°60 GHz,操作时不可避免的高功率消耗。工作(10)提出了一种数字异相调制器基于分段线性泛函近似,但其速度将是有限的,如果高阶调制(如64 - qam)应用由于内存大小的增加系统中查找表(附近地区)。

在本文中,我们报告一个完全定制的设计在40纳米CMOS数字异相调制器。坐标旋转数字计算机(CORDIC) [11)是用来实现笛卡尔和极坐标系之间的转换,和不同的三角函数。信号量化误差等问题,延迟失配和相位的解决,便于硬件实现。拟议的异相64 - qam调制器实现模拟10.56 Gb / s的error-vector-magnitude(维生素)的3.2%,满足IEEE 802.11广告光谱面具60 GHz通信的要求。部分2描述了系统架构的异相发射机部分3提议的细节CORDIC-based异相调制器。电路级实现和仿真结果提出了异相调制器的部分4中给出的结论部分5。

2。异相发射机系统架构

数据3和4显示系统架构和相量图的异相发射机 , 振幅和相位调制信号分别和异相角吗= 。的CORDIC-based异相调制器的任务是生成四个multi-GHz数字基带信号 , , ,和 。他们转换为模拟同行 , , ,和通过高速数模转换器(dac),并通过正交up-converted构建所需的异相信号调节器和输入的两个开关不是。可以实现线性放大在TX输出矢量加法两异相信号。

看到的是异相TX需要4 dac, 4重建过滤器,2 调节器,传统的两倍 TX。然而,这些模拟基带电路的线性要求放松由于低peak-to-average-power比(地表铺面)异相基带信号(6]。考虑到直流电源DAC的线性比例指数,提出了异相系统没有模拟基带电路的直流功率损失。此外,现有技术60 GHz异相TX前端16-QAM信号,而传统的平均效率达到15% TX只有7%。对于一个典型的60 GHz PA 100 mW的平均输出功率传输16-QAM,异相分别tx消耗0.67和1.43 W。根据不同的数据速率,提出了异相调制器的直流电源不同30至150兆瓦,这使异相TX巨大的效率收益。这样的好处将更加明显64 - qam由于增加了地表铺面。

3所示。CORDIC-Based异相调制器

CORDIC是一个快速和有效的算法来计算常见数学函数(11),因为它只需要加”、“减”,和“转变”操作。充分利用这个工作实现高速异相调制器。图5显示了系统图。的矢量模式CORDIC (CORDIC-V)是用于转换输入 极坐标形式的信号 虽然CORDIC的旋转模式(CORDIC-R)变换相位信号 四个异相基带信号。最关键的异相调制器是实现的一部分函数。双CORDIC迭代(11,12利用]计算工作 ,这也是简单的电路来实现。

异相调制器的定点模型在Matlab开发评估性能和定义了电路设计参数。在仿真中,异相TX前端(见图3)被认为是理想的。对硬件的实现,有必要确定CORDIC的迭代的数量(即。,CORDIC pipelined stages) and truncate the signals to balance the accuracy, speed, latency, and power consumption. Simulations indicate that CORDIC iterations have relatively minor impact on the system performance and eight iterations are sufficient to perform the coordinate conversions and to compute 。每个信号的量化大大降低维生素和导致频谱再生。关于所需的位数异相调制器,是限制因素双CORDIC块,但合理设置所有CORDIC模块相同的字长,而不牺牲速度。测试10.56 Gb / s 64 - qam信号(地表铺面= 7.6 dB, root-raised余弦滤波器碾轧系数为0.35),图6显示了模拟维生素和adjacent-channel-leakage比率(ACLR)。这是观察到的比特数等于10时,维生素和ACLR平2%和60−dBc,分别。留下足够的保证金,可以为其他实现nonidealities预算。简化输入接口,减少DAC决议,输入 信号和四个异相信号(例如, , , ,和分别在7号和8号)截位。模拟预测性能退化是微不足道的。

4所示。电路实现和仿真结果

基于系统设计和仿真,所有的积木CORDIC-based异相调制器电路水平迁移。在40纳米CMOS设计实现。图7显示了顶级异相调制器的原理。在实践中,CORDIC-V CORDIC-R才正常工作阶段的输入 信号之间 和 ,所以输入 信号首先被转化为第一象限。这是可行的三角函数的对称特征。由此产生的信号问题可以很容易地解决使用标志信号和恢复“±”标志 , , ,和在异相调制器的输出。模拟预测, 可能会比 。为了解决这个的问题,我们减去的阶段 (即。,the block in the red dashed box) and set , 。设置为1。在本设计中,当输入信号很小(例如, ),和近似的线性函数,给出了吗 和 ,这是比CORDIC-R更加有效。延迟匹配块,所有的寄存器是用来平衡路径的延迟信号。

可以看出,加法器和减法器是最关键块CORDIC以及完整的异相调制器(见图7),这决定了速度和功耗。在这部作品中,完整的加法器实现了双通过晶体管逻辑(DPL) [13]这档节目的特点就是相对速度快而镜子加法器和互补通过晶体管逻辑(CPL)加法器14),同时达到完整的信号swing即使在较低的电源电压,如图8。在DPL加法器的设计,电路的速度更加关注。的最佳选择晶体管尺寸加法器的关键路径的延迟最小化。此外,carry-select拓扑(14)应用于减少关键路径的延时的10位加法器的地方块分为3-bit 3-bit, 4比特。的10位DPL-based加法器功能模拟关键路径延迟在40纳米CMOS 180 ps。这意味着最大的时钟频率为5.6 GHz可以应用。

在这部作品中,完整的异相调制器是完全定制设计在40纳米CMOS使用节奏大师为了确保高速度和低功率。图9显示了异相调制器的静态响应。可以看出,调制器可以线性输出振幅峰值。艺术大师的仿真结果与理论和Matlab结果有很好的一致性。动态响应,异相调制器第一模拟的结果然后喂异相前端(即。Matlab模型)来进一步评估系统性能。完整的系统测试与10.56 Gb / s 64 - qam(即。1.76 GHz信号带宽)。图10显示了模拟64 - qam星座的维生素与3.2%的输出光谱符合IEEE 802.11广告光谱面具要求60 GHz。相应的电力消耗112兆瓦的电源电压0.9 V,好竞争与10为相同的数据率。

5。结论

据报道,高速数字异相调制器使完全集成高效的异相TX mm-Wave应用程序。CORDIC算法实现坐标转换和利用函数。信号量化误差等问题,延迟失配和相位的解决,便于硬件实现。完全定制设计在40纳米CMOS,拟议的异相调制器实现10.56 Gb / s 64 - qam调制与3.2%的维生素和符合IEEE 802.11广告光谱面具的要求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作在一定程度上是由中国国家自然科学基金(没有。61674035),江苏省自然科学基金(没有。BK20160690),中央大学基础研究基金。

引用

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