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The Effects of Non-linear Distortion in Radio Systems · 1 As Telecomunicações para a Presente D...

Date post: 03-Dec-2018
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29
1 1 As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho The Effects of Non-linear Distortion in Radio Systems Nuno Borges de Carvalho Departamento de Electrónica e Telecomunicações Universidade de Aveiro E-mail: [email protected] 2 As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho ? The radio transmission reception chain ? Transmission Blocks ? Reception Blocks ? The Non-linear Distortion and its effects on Modulated Signals ? The reasons of non-linear distortion ? Non-linear distortion sources Summary Summary
Transcript

1

1As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

The Effects of Non-linear Distortion in Radio Systems

Nuno Borges de Carvalho

Departamento de Electrónica e TelecomunicaçõesUniversidade de Aveiro

E-mail: [email protected]

2As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

? The radio transmission reception chain? Transmission Blocks

? Reception Blocks

? The Non-linear Distortion and its effects on Modulated Signals

? The reasons of non-linear distortion

? Non-linear distortion sources

SummarySummary

2

3As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

?Modulated signals characteristics? Commercially used modulation techniques

? GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying)

? QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)

? 8-PSK (8 Phase Shift Keying)

? QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

? The effects of non-linear distortion on modulated signals

? The Power Amplifier? Non-linear distortion figures of merit

? Non-linear distortion mechanisms

? Measuring non-linear distortion

SummarySummary

4As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

? How to minimize the non-linear distortion effects? Linearization techniques

? Frequency Hopping

?Bibliography

SummarySummary

3

5As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

The radio transmission/reception chain

6As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

The radio transmission reception chainThe radio transmission reception chain

ProcessamentoBanda Base Modulação UP-Conversion

BB IF RF

EncriptaçãoIntrodução de correctores de erro

AmplitudeFaseFrequência

Deslocação em frequência

0 1 0 1 0 1 0 1

Transmission

ProcessamentoBanda Base

DesmodulaçãoDownConversion

BBIFRF

EncriptaçãoIntrodução de correctores de erro

AmplitudeFaseFrequência

Deslocação em frequência

0 1 0 1 0 1 0 1

Reception

4

7As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

ProcessamentoBanda Base Modulação UP-Conversion

BB IF RF

EncriptaçãoIntrodução de correctores de erro

AmplitudeFaseFrequência

Deslocação em frequência

0 1 0 1 0 1 0 1

OL

PA

IN OUT

?2

GeradorRFM

apea

dor

The radio transmission reception chainThe radio transmission reception chain

8As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

ProcessamentoBanda Base

DesmodulaçãoDownConversion

BBIFRF

EncriptaçãoIntrodução de correctores de erro

AmplitudeFaseFrequência

Deslocação em frequência

0 1 0 1 0 1 0 1

OL

AMP

PI F

LNA

GAi(r)

RF IF

Pr Lcabo(r)

Linband(r) GLNA

Lconv(r)

L inband(r) GAMP

?2

GeradorRF

Des

map

eado

r

The radio transmission reception chainThe radio transmission reception chain

5

9As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

The Non-linear Distortion and its effects on Modulated Signals

10As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

The NonThe Non--linear Distortion and its effects on Modulated Signalslinear Distortion and its effects on Modulated Signals

The reasons of non-linear distortion

Sources of non-linear distortion

How to measure them?

6

11As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

GSM GSM 1800 UMTS

IMD due to Even Order

Distortion Real ProblemsDistortion Real ProblemsGSM900-GSM1800 and GSM-UMTS Interference

The reasons of non-linear distortion (Mobile Radio System)

The NonThe Non--linear Distortion and its effects on Modulated Signalslinear Distortion and its effects on Modulated Signals

12As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

GSM

Odd Order

Distortion Real ProblemsDistortion Real ProblemsIn-band GSM-GSM and UMTS-UMTS Interference

The reasons of non-linear distortion (Mobile Radio System)

The NonThe Non--linear Distortion and its effects on Modulated Signalslinear Distortion and its effects on Modulated Signals

7

13As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

DAC

DAC

090

Synt.osc? 0

DC DC ? 0 ? 0

The NonThe Non--linear Distortion and its effects on Modulated Signalslinear Distortion and its effects on Modulated Signals

14As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

ProcessamentoBanda Base

BB0 1 0 1 0 1 0 1

Modulação

IF

1 0 1 0 1

ProcessamentoBanda Base Desmodulação

B B IF

Não Linearidade

1 0 1 0 1 1 ? 1 ? 1

1 1 1 1 1 1 1 1

?

The reasons of non-linear distortion (ASK – Amplitude Shift Keying)

The NonThe Non--linear Distortion and its effects on Modulated Signalslinear Distortion and its effects on Modulated Signals

8

15As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

Linear y=kxx y

Non Linear y=kx+k2x2+..

x y

Output signal is proportional to its input

The NonThe Non--linear Distortion and its effects on Modulated Signalslinear Distortion and its effects on Modulated Signals

The reasons of non-linear distortion

Output signal is not proportional to its input

16As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

Non-linear distortion sources

• On every devices where its output it is not proportional to its input:

? Active Elements

? Passive Elements, when operated in its saturation zone

? Incorrect connections, for example bad connections

The NonThe Non--linear Distortion and its effects on Modulated Signalslinear Distortion and its effects on Modulated Signals

9

17As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

PA

Pin Pout

Typically the main non-linear distortion sources are attributed to amplifiers: power amplifiers at the transmission and low-noise amplifiers at the reception.And also to mixers that are inherently non-linear.

The NonThe Non--linear Distortion and its effects on Modulated Signalslinear Distortion and its effects on Modulated Signals

Non-linear distortion sources

18As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

Modulated signals characteristics

10

19As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

Commercially used modulation formats:

GSM – GMSK

EDGE – 8 - PSK

UMTS – QPSK

TV-Digital – QAM

Modulated signals characteristicsModulated signals characteristics

20As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

? 0

? 0

GMSK

QPSK

? 0

8-PSK

? 0

QAM

Modulated signals characteristicsModulated signals characteristics

11

21As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

Envelope constant modulation formats are more immune to the non-linear distortion, nevertheless they are less spectral efficient.

Modulated signals characteristicsModulated signals characteristics

22As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

How to evaluate a modulation format from the non-linear distortion point of view:

Peak to Average Ratio

Constellation Diagram

Error Vector Magnitude

Modulated signals characteristicsModulated signals characteristics

12

23As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

GMSK – Gaussian Minimum Shift Keying

? ? ? ? ? ?tfTtthtmtf

Ttthtmts c

bGaussQc

bGaussIi ???? 2sen

2sen)()(2cos

2cos)()( ???

????

?????

????

??

Modulated signals characteristicsModulated signals characteristics

24As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

4,3,2,1 0 2

)1(2cos2

)( ??????

??? ?

???? iTtitfTE

ts scs

sQPSK

QPSK – Quadrature Phase Shift Keying

Modulated signals characteristicsModulated signals characteristics

13

25As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

3? /8, 8-PSK – 8 Phase Shift Keying shifted 3? /8

8,7,6,5,4,3,2,1 0 83

4)1(2cos

2)( ????

??

??? ???? iTtitf

TE

ts scs

sQPSK ?

??

Modulated signals characteristicsModulated signals characteristics

26As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

QAM – Quadrature Amplitude Modulation

? ? ? ?tftpE

AE

tftpE

AE

ts cp

iip

cp

iip

i ???? 2sen)(2

sen2

2cos)(2

cos2

)( ???

????

???

??

????

??

Modulated signals characteristicsModulated signals characteristics

14

27As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

CDMA 2000 GSM

Modulated signals characteristicsModulated signals characteristics

28As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

Constellation diagram modifications

Non-linear effects on 16 QAM

Modulated signals characteristicsModulated signals characteristics

15

29As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

The Power Amplifier

30As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

How to measure the amplifier non-linear distortion?

1. Linear systems extension:Excite the system with a sinusoid (1 tone)

2. Excite the system with two tones

3. Excite the system with multi tone signals

4. Excite the system with continuous narrow band white Gaussian noise

The Power AmplifierThe Power Amplifier

16

31As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

Power Amplifier Figures of Merit• Gain• Maximum Output power, P1dB• Efficiency• IP3(distortion) PA

Pin Pout

y[v(t)]=a1v(t)+a2v(t)2+a3v(t)3

Linear model:

y[v(t)]=a1v(t)

Non-linear model:

The Power AmplifierThe Power Amplifier

32As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

Power Amplifier•1 tone Excitation

PA

Pin Pout

y[v(t)]=a1v(t)+a2v(t)2+a3v(t)3Non-linear model:

? ? ? ?? ?)11()11()11(3)11(33

13

)11(2)11(221

2)11()11(1

1

338

242

)(

??????????????

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????

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tjtjtjtj

tjtjtjtj

eeeeXa

eeXa

eeXa

ty

? ? ? ? ? ?? ?11111111 2

)( ??????? ?????? tjtj eeXtsenXtv

The Power AmplifierThe Power Amplifier

17

33As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

12

34

56

7

Pout (dBm)

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

Frequency (GHz)

Signal Generator

f=2.2GHzLPF ATEN. DUT Spectrum

Analyser

The Power AmplifierThe Power Amplifier

Power Amplifier•1 tone Excitation

34As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

PA

Pin Pout

12

34

56

7

Pout (dBm)

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

Frequency (GHz)

The Power AmplifierThe Power Amplifier

Power Amplifier•1 tone Excitation

18

35As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

PA

Pin Pout

12

34

56

7

Pout (dBm)

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

Frequency (GHz)

The Power AmplifierThe Power Amplifier

Power Amplifier•1 tone Excitation

36As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

PA

Pin Pout

12

34

56

7

Pout (dBm)

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

Frequency (GHz)

The Power AmplifierThe Power Amplifier

Power Amplifier•1 tone Excitation

19

37As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

PA

Pin Pout

AM/AM Characteristic AM/PM Characteristic

6

7

8

9

1 0

1 1

1 2

1 3

1 4

-50 -40 -30 -20 -10 0 1 0 2 0

Pin [dBm]

Gai

n [d

B]

1dB

The Power AmplifierThe Power Amplifier

Power Amplifier•1 tone Excitation

38As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

PA

Pin Pout

y[v(t)]=a1v(t)+a2v(t)2+a3v(t)3Non-linear model:

? ? ? ?

22

coscos)()22()22(

2

)11()11(

1

222111

?????????????? ??

??

?????????tjtjtjtj ee

Xee

X

tXtXtx

? ? ? ?? ?

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21

)212212()212212()212212()212212()22()22(2

2

1

)22()22()22(3)22(332

)11()11()11(3)11(331

3

)2121()2121()2121()2121(21

)22(2)22(222

)11(2)11(221

2

)22()22(2

)11()11(1

1

333366

333366

33338

224

2)(

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???????

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ttjttjttjttjtjtj

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ttjttjttjttj

tjtjtjtj

tjtjtjtj

eeeeeeXX

eeeeeeXX

eeeeXeeeeXk

eeeeXX

eeXeeXk

eeXeeXk

ty

The Power AmplifierThe Power Amplifier

Power Amplifier•2 tone Excitation

20

39As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

f0 2f0 3f0 4f0 5f0 6f0

f=2.19GHz LPF

ATEN. DUT Spectrum Analyser

f=2.21GHzLPF

?

Signal Generator 1

Signal Generator 2

The Power AmplifierThe Power Amplifier

Power Amplifier•2 tone Excitation

40As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

PA

Pin Pout

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

-60 -40 -20 0 2 0 40 6 0

f-2GHz (MHz)

dBm Nonlinear Distortion

OutputLinearSignals

Nonlinear Distortion

The Power AmplifierThe Power Amplifier

Power Amplifier•2 tone Excitation

21

41As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

PA

Pin Pout

-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10

Pin (dBm)

Pou

t (dB

m)

Pout (2w1-w2) Pout (w1)

1dB slope 3dB slope

IP3

IMR2

The Power AmplifierThe Power Amplifier

Power Amplifier•2 tone Excitation

42As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

PA

Pin Pout

IP3 – 3rd Order Intercept Point

P1dB – 1 dB Compression Point

IMD – Intermodulation Distortion

IMR – Intermodulation Ratio

Two tone figures of merit:

The Power AmplifierThe Power Amplifier

Power Amplifier•2 tone Excitation

22

43As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

PA

Pin Pout

? 0? 0

Spectral Regrowth

Power Amplifier•Multi-tone excitation•Gaussian Noise Excitation

The Power AmplifierThe Power Amplifier

44As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

? 0

? 0

ACPR – Adjacent Channel Power Ratio

LPF

ATEN. DUTAnalisador

de Espectros

Oscilador Local

(f GHz)

Filtro Passa Baixo para a Banda Base

X

Amplificador altamente linear

Modulador AM

Gerador de Ruído

The Power AmplifierThe Power Amplifier

23

45As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000Freq-2GHz [KHz]

Pout

[dB

m]

Measured NPR

Measured Output Power

NPR – Noise Power Ratio

The Power AmplifierThe Power Amplifier

46As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

CCPR – Co-channel Power Ratio

?

25dB

HPA

ATT

1-11dB(CAL)

DUT

VNG

The Power AmplifierThe Power Amplifier

24

47As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

CCPR – Co-channel Power Ratio

-120

-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000

Freq-2GHz [dBm]

Pout

[dB

m]

Measured CCPR

Measured Output Power

Residual signal

The Power AmplifierThe Power Amplifier

48As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

How to minimize the non-linear distortion effects

25

49As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

How to minimize the non-linear distortion effects?

How to minimize the nonHow to minimize the non--linear distortion effectslinear distortion effects

Amplifier Linearization? Pre distortion? Feed-back? Feed-Forward? ????

Frequency Hopping (mobile radio systems)

50As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

Amplifier Distortion (Pre Distortion)

How to minimize the nonHow to minimize the non--linear distortion effectslinear distortion effects

Pre-DistortionAmplifier

Pin

PA

Pout

26

51As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

Amplifier Distortion (Feed-Back)

How to minimize the nonHow to minimize the non--linear distortion effectslinear distortion effects

PA

PinPout

Auxiliary Amplifier

+

? ?A

tKdtKxtyKA

AKtdtAxK

ty

tytxtx Kty

ty tdtAxty rer

)()()(;

)()()(

)()()(;)(

)();()()(

???????

??

?????

52As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

Amplifier Distortion (Feed-Forward)

How to minimize the nonHow to minimize the non--linear distortion effectslinear distortion effects

PA

PinPout

-Aten(A)

+

AuxiliaryAmplifier(A)

27

53As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

Frequency Hopping

How to minimize the nonHow to minimize the non--linear distortion effectslinear distortion effects

Interfered ChannelInterferer Channel

Channel afterthe jump infrequency

Interfered channelAfter the jump infrequency

1 2

2’

54As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

Bibliography

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55As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

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CARVALHO, N. B., and PEDRO, J. C.: “Multi-Tone Intermodulation Distortion Performance of 3rd Order Microwave Circuits”. 1999 IEEE Intern. Microwave Theory and Tech. Symposium, pp.763-766, Anaheim, June 1999.

PEDRO, J. C., and CARVALHO, N. B.: “On the Use of Multi-Tone Techniques for Assessing RF Components’ Intermodulation Distortion”. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, December 1999, MTT-47, (12), pp.2393-2402.

PEDRO, J. C., and CARVALHO, N. B. Carvalho, “A Novel Set-up for Co -Channel Distortion Ratio Evaluation”, 2000 IEEE Intern. Microwave Theory and Tech. Symposium, pp. 1851-1854, Boston, June 2000.

PEDRO, J. C. and CARVALHO, N. B. Carvalho, “Sistema de Medida de Distorção Não Linear Co -Canal”, Portuguese Patent Pending, nº 102 521.

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PEDRO, J. C., and CARVALHO, N. B.: ”Evaluating Co-Channel Distortion ratio in Microwave Power Amplifiers”, IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, in press.

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29

57As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho

QuestionsQuestions

Questions?


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