Dissertations / Theses on the topic 'Radiosystemer'

GaAs MMIC are taking big space in the wireless communication in today’s world. The devices are to be characterized for higher frequencies. External passive waveprobes are used to characterize the devices. As the use and technology is increasing there will be more development on MMICs. It would be nice to have a passive waveprobe on the chip itself so as to minimize the losses created due to junctions.In this master’s thesis several wave probes designing techniques are described. The wave probes are designed and simulated. Wave probes are loop couplers with a sufficient directivity and very small insertion loss. The proposed wave probes or coupler are realized using TriQuint GaAS pHEMT MMIC process. Simulated data for different wave probes are compared and it is found that a loop coupler at the edge of the transmission line radiating electromagnetic is best suited. The electromagnetic radiation causes coupling or cross talk. Radiation at the discontinuities or edge is high and this advantage is used to design a coupler with a high directivity. In the design process size of the device is tried to be kept as small as possible so as to make the cost low. EM-simulation of passive MMIC have been carried out and compared with the experimental result to validate the use of foundry models with real life measurements.
The author was examined at Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU), Trondheim

Linear power amplication is important in radio communications to achieve high bitrates. Strong regulations of the frequency spectrum force manufacturers to use complex modulation schemes to increase the capacity. More linear ampliers can use more complex modulation schemes like the 64 Quadrature Amplitude Modulation (QAM). In addition will a linearized amplier allow for increased output power and better efficiency. Digital predistortion is one of the more successful methods of amplier linearization. By distorting a signal before it reaches the PA, the nonlinearities of the PA may repair the distorted signal instead of damaging it. A behavioral model is created using 16QAM modulated excitation signals. The PA model is based on empirical measurements. An open loop predistorter based on lookup tables corrects the I and Q channels in base band. The predistorter is created and simulated using AWR VSS. A predistorter with a fairly small look-up table of 1008 entries shows an average reduction of third order IM levels of 18,3 dB, and fth order IM levels of 9,3 dB. Even when using mismatched lookup tables, an average reduction of 10,3 dB for IM3 and 4,4 dB for IM5 is achieved.

I denne oppgaven er det blitt studert hvilket effektivitetsforbedringspotensial det ligger i å bruke envelope tracking-teknikken på en RF-forsterker med et amplitudevarierende inngangssignal. Denne teknikken går i grove trekk ut på å dynamisk forspenne RF-transistoren i forsterkeren i variasjon med inngangssignalet slik at effektiviteten blir best mulig, samtidig som forsterkerens linearitetsegenskaper bevares. En metode for å realisere denne teknikken er blitt presentert og består hovedsaklig av tre deler. Disse tre delene er en kobler, en envelopedetektor og en driverkrets. De to sistenevnte delkretsene har i denne oppgaven blitt analysert, designet og simulert. Deretter ble delkretsene produsert og funksjonaliteten ble målt. Den fysiske envelopedetektoren opererte ikke helt på ønsket måte. For de høyeste inngangseffektene detekterte den envelopen veldig godt, men for de aller laveste klarte den ikke å detektere noe som helst. Hvor godt den klarte å følge envelopen varierte også med envelopefrekvensen. Driveren ble realisert med en komponent som den egentlig ikke var tiltenkt på grunn av noen tekniske problemer. På grunn av båndbreddebegrensning i denne nye komponenten ble driveren undersøkt på lavere frekvens en planlagt, men på denne frekvensen opererte driveren på tilfredsstillende måte.

Bølgeprober og direksjonelle koblere er rene passive kretser. Dette betyr at de bruker passive komponenter, og dermed ikke har evne til å forsterke signaler. Eksempler på passive komponenter er lyspærer, lysdioder, motstander, motorer, batterier, spoler og kondensatorer. I tillegg kommer for eksempel brytere, vendere, koblingsklemmer, ledninger, transmisjonslinjer og viahull for sammenkobling av de ulike kretselementene avhengig av hva slags teknologi som benyttes. For bølgeproben og den direksjonelle kobleren er det bare viahull, transmisjonslinjer, spoler og kondensatorer som er aktuelle komponenter. Denne diplomoppgaven tar hovedsaklig for seg bølgeprober. Disse konstrueres i GaAs ved bruk av MMIC-teknologi. Ved å plassere en bølgeprobe i nærheten av en bølgeledene struktur(Som i denne oppgaven er en transmisjonslinje i metall to) vil det eletriske feltet(E-feltet) og magnetiske feltet(H-feltet) til den bølgeledene strukturen sette opp strømmer i bølgeproben. Direktivitet og effekt på utgangsportene er de viktigste faktorene for bølgeprobene. Direktivitet er differansen mellom de to utgangsportene. Oppgaven ser også på den direksjonelle kobleren som ble designet i prosjektoppgaven før jul. Denne benytter seg av samme teknologi og har en senterfrekvens på 5.8 GHz. Den direksjonelle kobleren har fire porter; èn inngangsport, èn isolert port og to utgangsporter. Signalet deles likt mellom de to utgangsportene, men det ene signalet er forskyvet $90^{circ}$ i forhold til det andre. For bølgeprobene er hovedfokuset å optimalisere de som allerede er produsert. Det er i alt åtte bølgeprober; en type som går inn i metall null og opp i metall èn(type1) og en type som går inn i metall èn og ned i metall null(type2). De har bredde på 10 um, 20 um, 50 um og 100 um. Optimaliseringen gir bølgeprobene mer gunstige signalverdier på utgangene. Spolene i den direksjonelle kobleren tas også for seg i denne oppgaven. Dette er for å se på kapasitiv kobling mellom spolesegmenter i en spole og på kobling mellom flere spoler. Resultatene brukes for beskrive hvordan spolene bør plasseres når det lages utlegg for blant annet en koblerkrets. Kondensatorene har ingen koblingseffekter som påvirker resten av kretsen, siden disse oppfører seg som idelle komponenter ved 5.8 GHz. De blir dermed ikke analysert. I instrumenteringsdelen blir det tatt for seg måling på laboratorium ved bruk av måleprobestasjon og VNA. Det blir også målt på de allerde produserte bølgeprobene for å kartlegge signalverdiene ved utgangene og for å sammenligne med de simulerte verdiene fra textit{Advanced Design System}(ADS). Det blir også målt på ulike spoler for å se på kapasitiv kobling i spoler og for å analysere kobling mellom spoler. Disse blir også sammenlignet med simulerte resultater fra ADS. Det viser seg at de målte og simulerte verdiene avviker litt fra hverandre. Dette kommer av unøyaktigheter i kalibreringen av måleprobene, og ulike parasittiske effekter knyttet til blant annet kanteffekter på paddene der måleprobene plasseres. De produserte bølgeprobene blir tatt for seg videre i metodedelen for optimalsering. Ved å justere posisjonen til bølgeproben i forhold til den bølgeledene strukturen finnes en posisjon som gir mest gunstige signalerverdier på utgangsportene til bølgeprobene. Det viser seg at det er best å plassere sløyfen til bølgeprobene nær kanten av den bølgeledene strukturen. Dette gjelder for alle de produserte bølgeprobene. Det viser seg også at type1-bølgeprobene jevnt over er de beste bølgeprobene. Disse legges derfor hovedvekt på videre i optimaliseringsprosessen. Resultatene fra simuleringene viser også at de smale bølgeprobene(10 um og 20 um) er de med best direktivitet, mens de brede bølgeprobene(50 um og 100 um) er de med mest gunstig effekt på utgangsportene. Det er ønskelig at effekten ligger opp mot -20dB på port tre på bølgeproben. Effekten på port fire bør være uendelig liten for å gi best mulig direktivitet. Videre er noen av bølgeprobene blitt optimalisert ved å forandre på sløyfebredden og ved å forkorte lederene, som forbinder bølgeprobens sløyfe med utgangsportene. Dette gir enda bedre resultat med tanke på direktivitet og effekt på utgangsportene for noen av bølgeprobene. De optimaliserte bølgeprobene er fullverdige for bruk i for eksempel ulike tilbakekoblingssystemer eller for å lage nøyaktige transistormodeller på en enkel måte.

Denne masteroppgaven tar for seg en totrinns Dohertyforsterker på 2.4 GHz. De to delforsterkerne er identiske klasse AB effektforsterkere, og «Auxillary»-forsterkerens påslag styres av et variabelt dempeledd. I tillegg til dempeleddet og delforsterkerne består systemet av en kobler, en envelopedetektor og en effektsplitter. Alle delkretsene er designet og produsert, og simuleringer og målinger på disse hver for seg er foretatt. Sammenkoblingen av alle delkretsene til det fullstendige systemet er ikke utført på grunn av tidsmangel og uforutsette komplikasjoner. Utfyllende teori for Dohertyforsterkeren og delkretsene den består av er presentert, samt en detaljert beskrivelse av design-, produksjon- og målemetode. Dempeleddet ble valgt til å ha -konfigurasjon, og utifra måleresulatene konkluderes det med at konfiguarasjonen muligens burde vært en annen. Det samme gjelder for envelopedetektoren som skal gi dempeleddet riktig styresignal; denne er trolig for enkel til å kunne benyttes i en god Dohertyforsterker.

This thesis investigates the obtainable performance improvements associated with different fading mitigation techniques using spatial antenna diversity applied to the IEEE 802.15.4 2.4 GHz PHY. The standard possesses modulation properties that inherently provide some multipath resistance. Further resistance is believed obtainable due to the bad and unpredictable fading environments found in typical areas of application. Potential performance increases were theoretically analyzed for different fading channel statistics when two antennas were available for reception. This analysis provided upper bounds for achievable performance improvements that were promising. Physical testing of selected fading mitigation techniques was performed with hardware from Texas Instruments and means developed by the student. Generally, the PHY has proven itself multipath resistant in the various fading environments tested. PER has been showed to mostly consist of undetected packets. As such, fading mitigation techniques using two receiver chains provide the greatest reduction in PER in a general case, since more packets are detected. PER is observed reduced by a test-dependant factor between 2 and 100 for such techniques. Techniques based on one RF-front end generally provides little performance improvement in dynamic environments, if any. Large spatial differences in received power were observed across distances on the order of a wavelength. A simple technique that switches receiver antenna when detecting an erroneously demodulated packet can exploit this property when RX and TX remain static and hence provide great reductions in PER. This fading mitigation technique is the least complex and power consuming among the ones analyzed and tested.

PREFACE This master’s thesis was written as the final step towards my master’s degree, and it thereby marks the ending of my time at NTNU. The master’s thesis was developed due to a proposal made by Texas Instruments, under the offered supervision of Oddgeir Fikstvedt. My supervisor at NTNU was Morten Olavsbråten. This report describes the design of a power amplifier in the 90nm CMOS technology. The power amplifier is designed to deliver 1W output power at 5.8GHz with a peak efficiency of 50%. Both the class-E and the inverse class-D amplifier are described and examined, but the final choice in amplifier design is the inverse class-D amplifier. Simulation results on a realistic inverse class-D amplifier model are presented as the final outcome. Trondheim, 2009-07-16 Nina Tofte Røislien ABSTRACT Recently CMOS has been introduced as a technology for RF-front end applications. This results in higher levels of integration, which saves fabrication cost and area. The power amplifier often contributes to the highest power consumption, and the efficiency becomes very important. This master’s thesis handles the design of a CMOS power amplifier at 5.8GHz. The design goals were an output power of 30dBm, a Power Added Efficiency of 50% and a gain of 25dB. The main challenge in the CMOS-technology is the low breakdown voltage. This leads to a higher current and a lower load resistance compared to traditionally used RF-technologies. This makes it harder to design a high efficiency amplifier because of more power loss in the parasitic, and a more complex matching network. Two different amplifiers were investigated, both of the switching type; the class-E amplifier and the inverse class-D amplifier (current mode). The class-E amplifier has been studied by others for this kind of use, and has an advantage because of the load network that is synthesized to give non-overlapping voltage and current, even if the device switching time is appreciable fractions of the ac cycle. One can also utilize the high output capacitance of the CMOS-transistor as part of the load network. The inverse class-D amplifier has an advantage of being differential which provides a higher voltage swing across the load, and thereby a higher load resistance and a lower current compared to the class-E. In contrast with conventional voltage-mode class-D amplifiers, the inverse class-D features “zero voltage switching” which eliminates the output capacitance discharge loss. This output capacitance is also utilized as part of the resonance filter in the load network. No previous work of others that uses the inverse class-D amplifier in a similar configuration (RF, CMOS) was discovered. It was found that the inverse class-D amplifier was the best suited for this application. The load resistance of the class-E amplifier became too low compared to the parasitic losses to achieve the design goals. The ground inductance was also totally destructive for the class-E waveforms because of the single-ended topology. Since the inverse class-D amplifier instantly showed much more promising behavior, no time was used trying to solve this problem. The resulting inverse class-D amplifier design has a peak efficiency of 51%, an output power of 30.04dBm. The gain is 25dB for an output power of 28dBm, but sadly it decreases below the design goal to 20.06dB at the point where Pout=30dBm and PAE=50%. ACKNOWLEDGEMENT I would like to give great thanks to Oddgeir Fikstvedt and Morten Olavsbråten for invaluable support during this time, and for making this thesis possible. I would also like to give great thanks Trond Ytterdal for his help with Cadence, and to Tore Barlindhaug for help with some fatal last minute Cadence problems.

Cognitive Radio is a technology where Software Defined Radio functionality is augmented in order to permit a radio system where its operations will be adjusted depending on the environment. This capability offers a variety of benefits, first of all to solve the problem of spectrum scarcity.This Master's thesis proposes a solution based on sensing interference and data queue back-pressure. For this purpose, a Matlab simulator has been done to simulate some scenarios and prove the theory in a practical way. The thesis has shown how sensors can be used to listen to the mutual interference between Primary System and a Secondary System. The results show how sensors are important for two such different systems to be working at the same time in the same frequency.

Future wireless communications are focused on develop new paradigms of spectrum reuse, i.e. cognitive radio, where radio frequencies can be taken into used if no other use is detected. In this way, these systems need mechanisms for interference control. In this work we study the use of a distributed system based on cognitive radio. Scheduling transmitters and data rate optimization algorithms have been implemented in order to balance the secondary user transmissions and maximize the data rate transmission. Radio sensors are used to monitor the interference levels generated by the different transmitters. The system model has been implemented in MATLAB and analyzes its behaviour through several simulations.

De senere årene har vist en stadig økende interesse for transistorer basert på GalliumNitrid, spesielt i design av effektforsterkere for trådløse applikasjoner. Denne rapportenbeskriver to klasse B forsterkerdesign for 2GHz basert på en 10W GaN-HEMT fra Cree. I tillegg presenteres relevant forsterkerteori, samt detaljerte beskrivelser av design-, konstruksjons- og måleprosessene.Det første forsterkerdesignet ble gjort ved bruk av en storsignalmodell fra Cree i Advanced Design System. Måleresultater viser god samsvar med simuleringsresultater for de to realiserte forsterkerne fra dette designet. Typiske avvik gjør seg likevel gjeldende, og denne oppgaven forsøker å kartlegge ulike faktorer i design-, konstruksjon- og måleprosessene som har betydelig innvirkning på de endelige resultatene.For å oppnå større korrelasjon, oppfordres det blant annet til å benytte alternative metoder ved produksjon av kretskort, verifisere nøyaktigheten til de passive komponentmodellene og kompensere for spenningsfall under effektmålinger. I 1dB-kompresjonoppnår en av de konstruerte forsterkerne fra dette designet en utgangseffekt på 39.8dBm, en forsterkning på 12.5dB, samt en effektivitet (PAE) på 55.2%.Det andre forsterkerdesignet ble gjort ved bruk av et moderne load-pull-oppsett, som gjør det mulig å utføre målinger på transistorterminalene i tidsdomenet. Tilpasningsnettverk på inn- og utgang ble dermed designet basert på måleresultater. Den realiserte forsterkeren fra disse målingene oppnår en noe lavere forsterkning, 9.7dB i 1dB-kompresjon, men med en høyere utgangseffekt på 41.2dBm og en noe bedre PAE på 56.7%. Med måleutstyret er det også gjort et studie av bølgeformene til strøm og spenning på drain som viser at denne forsterkeren er en harmonisk tunet klasse B forsterker.Rapporten viser med utgangspunkt i måleresultatene til den realiserte forsterkeren fra målingene at load-pull-oppsettet fremstår som et svært attraktivt alternativ til å benytte transistormodeller i Advanced Design System. Særlig dersom integrasjonen av måleutstyret i det eksisterende load-pull-oppsettet kan bedres og ved bruk av spenningsfallkompensering.

Effektforsterkere er kritiske komponenter i dagens trådløse kommunikasjonssystemer, og må derfor tilfredsstille mange krav. De siste årene har metoder for å øke effektiviteten til forsterkere, samt design rundt gallium nitrid-transistorer (GaN), fått mye oppmerksomhet. Som følge av dette har det i denne oppgaven blitt sett nærmere på prinsippene bak klasse F og invers klasse F effektforsterkere. Videre har to effektforsterkere, med senterfrekvens ved 2 GHz, blitt designet og realisert rundt en 6 W GaN-transistor fra Cree ved hjelp av simulert load-pull.Designet av forsterkerne ble gjort i Advanced Design System, her ble det brukt en storsignalmodell for transistoren, levert av Cree. Load-pull-simuleringer ble utført for å finne optimale laster for transistoren, og forsterkernes utgangsmatchenettverk ble designet på bakgrunn av disse lastene. Forsterkerne ble realisert på bakgrunn av designene og små- og storsignalmålinger, og målinger med modulert signal ble utført på de realiserte forsterkerne. Målingene viste at det var relativt god korrelasjon mellom disse og simuleringsresultatene. Småsignalmålingene viste at begge forsterkerne hadde lavere S$_{11}$ enn -12 dB over en båndbredde på 0,8 GHz, og at den ene forsterkeren hadde relativt god forsterkning over det samme båndet. Måleresultatene viser at forsterkerne har henholdsvis 8,40 dB og 9,58 dB forsterking, 39,93 dBm og 39,23 dBm utgangseffekt og 58,90 % og 57,76 % power added efficiency ved 1 dB kompresjon. På det meste hadde forsterkerne henholdsvis 40,56 dBm og 40,43 dBm utgangseffekt, dette tilsvarer over 11 W. Videre viste målingene med modulert signal at forsterkerne hadde mindre enn 0,5$^circ$ fasekompresjon for 16 QAM-signaler med 11 dBm gjennomsnittseffekt.Resultatene oppnådd i denne oppgaven viser at forsterkerdesign basert på GaN-teknologi har potensial til å oppnå god effektivitet, samt høy utgangseffekt og/eller stor båndbredde. Resultatene viser også at det er mulig å oppnå gode forsterkerdesign basert på en god storsignalmodell og simulert load-pull.

DSRC er et system for enveis eller toveis trådløs kommunikasjon med kort til medium rekkevidde,som blant annet brukes til å automatisere innkreving av bompenger i de største byene i Norge.Systemet benytter en interrogator og en DSRC-brikke populært kalt bompengebrikke. DSRCbrikkenmodulerer inn en unik identifikasjon på signalet den får fra interrogatoren, som foreksempel kan brukes til å identifisere brukeren som passerer igjennom en bompengering.NORBIT er et firma lokalisert i Trondheim som utvikler og produserer DSRC-produkter, blandtannet til det norske AutoPASS-systemet. NORBIT produserer et stort antall DSRC-brikkerhvert år, derfor er det viktig å ta hensynet til produksjonenskostnader. DSRC-brikkene kangjøres rimeligere ved bruk av andre substrat og ved å integrere komponenter som en del avgeometrien til antennen. Aluminiumsoksid er et substrat på markedet som er rimeligere, har godegenskaper for høye frekvenser, og kan fungere like godt som det substratet som brukes i dagensproduksjon. Dette substratet har høyere dielektrisitetskonstant, som fører til at antennen ogtilhørende matenettverk må redesignes.Studiet har da omhandlet hvordan antennen til DSRC-brikken kan designes med aluminiumsoksidsubstrat og fortsatt fungere like godt som antennen til dagens DSRC-brikke. I simuleringene gikkbruken av aluminiumsoksid gikk på bekostning antenneforsterkningen, men det viste seg imidlertidmulig å kompensere for denne nedgangen ved å eksitere andre og litt utradisjonelle TM-moder iantennen. Dagens DSRC-brikker bruker ortogonale spalter for å oppnå sirkulær polarisasjon, mendet viste seg også mulig i simuleringene å bruke geometrien til selve antenneelementet for å oppnådet samme.Det ble utarbeidet to forslag til antennedesign, desverre viste det seg at det var stor forskjell mellomsimulering og målinger på fysiske antenner. Testantennene tilfredsstillte ikke kravene tilundertrykkelse av krysspolarisasjon og konversjons forsterkning til en DSRC-brikke. Det er ganskevanlig at det må flere revisjoner til for å få et optimalt antennedesign. Derfor er det også forslåttvidereføring og forbedringer av antennedesignet.

This thesis has been conducted at the Swedish Defense Materiel Administration (FMV) on the department of mobile command center with supervised by ÅF. FMV Mobile Command centers main task is to integrate communication systems into Swedish Armed Forces (FM) vehicle systems. FMV has conducted a new radio system that will be integrated in FM. In communications systems various interfaces as mounting interface and connections interface frequent occurs. A mounting interface is an interface were the radio is mounted into a mounting frame or matching, connection interface is the cables and contacts or interfaces similar. During the procurement of the new radio system no requirements were written in the specification that it should fit in the existing mounting interface called mounting frame 42/48. Nor did the connection interfaces stated requirements in detail. The problem formulation of this thesis reads; How is it possible for FMV to work with integration of the new communications system in FM vehicles to create the best conditions, inside the boundaries that is given for this thesis? To get an understanding how integration can be better in FMV, questions were formulated from FMV, which are underlying the further work. A good foundation for the analysis are made from the feasibility on how a specification is written in FM, which laws that would have an effect for public authority and which methods and manuals that is available to aid. Interviews are then conducted with staff from FMV and with co-workers on the concept plant in Enköping, a lot of the tryouts of the new communication systems are done. Four different mounting system concepts on how the integrations can be done are evaluated and analyzed to get to a standing point. The conclusion from the analyze of the mounting frame concepts is that an updated version of the existing mounting frame could be the best. With the addition that the new acquired mounting frame also should have the potential to mount older radio systems. A mounting frame adjusts for the new radio system at the same time as the older fits. In this conclusion recommendations are presented on what FMV could work on to achieve better conditions for the integrations of communications systems. Conclusions that the start of a project is the most important factor, for the whole project to be made. The importance of the knowledge of a change late in a project is much more expensive than early in a project and the project participants have easier to get a clear picture if it is a good startup of a project. To find a common connection interface for the radio systems was not seen as a solution. Instead it is proposed to work with standards where it is possible and detail specifications where it is needed. ISRN UTH-

To be able to evaluate different radio waveforms in a laboratory environment FOI in Linköping has developed an experimental system for radio communication called Rasmus. The system consists of a transmitter, a channel emulator and a receiver. The transmitter modulates a digital signal to a desired analogue waveform. The channel emulator is used to simulate a real radio channel. The channel emulator distorts the signal by splitting it up in several propagation paths. Each path has its own statistical distribution, delay and so on. The receiver digitises the signal and saves it in a memory. Analysis of the signal is performed in non-real time. The system has some limitations concerning signal bandwidths and channel models.

This Master Thesis deals with the problem of scaling the radio channel (with respect to noise, Doppler shift and fading) in order to examine signals that have properties outside the normal operation of the Rasmus system.

The radio channel studied is a Rayleigh fading channel with two independent propagation paths. A differentially modulated QPSK signal is used as input to the channel. The signal is filtered through root-raised-cosine filter in the transmitter and receiver to reduce the effect of inter-symbol interference.

Theoretical calculations result in a method, that describe which parameters that should be scaled and how they should be scaled. Simulations are carried out in order to verify the method.