Design of a high efficiency wideband phase modulator for wireless systems

The research target is to demonstrate the feasibility of an efficient wideband phase modulator to be used in radio transmitters for high-data-rate 4G communication standards (such as WiMAX) in low-cost CMOS processes. The investigated architecture is based on a digital Phase Locked Loop (PLL) and a two-point injection scheme. At high bit rates, this modulator requires a controlled oscillator with wide tuning range and becomes critically sensitive to the gain and delay spread between the two injection paths, considerably degrading the achievable error-vector magnitude (EVM) and causing significant spectral regrowth. These issues are overcome thanks to an innovative topology of the digital PLL, the use of a single bit phase detector in place of a power hungry time to digital converter (TDC) and the implementation of an automatic background regulation of the gain and delay mismatches of the two injected paths. The test chip is designed and fully integrated in 65nm CMOS and the measurements achieve EVM lower than 36dB at 4GHz for both a 20Mb/s QPSK and 10Mb/s GMSK modulation and ACPR lower than -53dB for a GMSK signal.

La rivoluzione delle comunicazioni che ha caratterizzano l’ultimo decennio ha fatto si che il mondo industriale e il mondo accademico si focalizzassero nella realizzazione di sistemi wireless sempre piú performanti (ad alto bit rate) ed efficienti che fossero di piccole dimensioni e al contempo a basso costo. L’introduzione di schemi di modulazione sempre piú complessi volti a migliorare l’efficienza spettrale, e altresí la necessitá di una limitata dissipazione di potenza hanno imposto nuovi requisiti stringenti sul trasmettitore. Per soddisfare i suddetti requisiti sono state introdotte nuove tipologie di trasmettitori, come quello polare e outphasing, e nondimeno negli ultimi anni sono stati presentati i primi prototipi realizzati su singolo chip. Nella progettazione di un trasmettitore completo assume fondamentale importanza la realizzazione di un modulatore di fase che sia allo stesso tempo efficiente, a banda larga e con un’elevata risoluzione di fase. In particolare allo stato dell’arte non esistono architetture che presentino congiuntamente queste caratteristiche. L’obiettivo di questa tesi é pertanto la realizzazione di un modulatore di fase in grado di migliorare il compromesso tra le caratteristiche desiderate, nello specifico utilizzando un modulatore di fase che presenti allo stato dell’arte alta efficienza estendendo la banda e migliorando la risoluzione. Per raggiungere questo obiettivo si é deciso di usare in modo intensivo strutture digitali, dal momento che nelle tecnologie CMOS sub-micrometriche queste ultime si sono dimostrate piú performanti rispetto alle corrispondenti strutture analogiche. Il principale vantaggio delle architetture digitali é senza dubbio la possibilitá di realizzare, con l’utilizzo di semplici strutture che consumano poca potenza e sono facilmente ripetibili, filtri adattativi che consentano la calibrazione e la correzione degli errori causati dai parametri analogici. Bisogna inoltre precisare che tali filtri non peggiorano le prestazioni di potenza e di rumore. L’approccio digitale consente cosí di semplificare il design e di ridurre i tempi di progettazione del prodotto, dal momento che le strutture progettate potranno essere applicate anche ai futuri nodi tecnologici. Il lavoro svolto dimostra la fattibilitá di un innovativo modulatore di fase a banda larga, progettato in 65 nm CMOS, capace di produrre salti di fase con dinamica ±π e con 10 bits di risoluzione in un unico colpo di clock a 40MHz. L’EVM misurato alla frequenza di 3.6GHz risulta pari a −36dB sia con riferimento ad una modulazione GMSK a 10 Mb/s sia con riferimento ad una modulazione QPSK a 20Mb/s. Utilizzando una tensione di alimentazione di 1.2V, si é rilevato che la dissipazione di potenza é pari a solo 5mW. Dalle sopradette prestazioni si é ottenuto un consumo totale di energia per ogni bit trasmesso di soli 0.25nJ/bit. I risultati ottenuti dimostrano che l’uso intensivo di filtri adattatitivi consente la realizzazione di un modulatore di fase a banda larga ed efficiente e pertanto utilizzabile nelle architetture wireless dalle prestazioni piú aggressive.