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Título: Frequency-translating delta-sigma modulation for bandpass analog-to-digital conversion of high- frequency signals
Autores: Chopp, Philip
Fecha: 2012
Publicador: McGill University - MCGILL
Fuente:
Tipo: Electronic Thesis or Dissertation
Tema: Engineering - Electronics and Electrical
Descripción: A traditional heterodyne receiver downconverts its input signal to one or more intermediate frequencies (IFs) before digitizing it at baseband. In a digital-IF receiver, the input signal is digitized directly at an IF using a bandpass analog-to-digital converter (ADC). Accordingly, the digital-IF receiver replaces the image-reject mixers and baseband filters of a heterodyne receiver with accurate and effcient digital functions, and therefore provides greater potential for reconfigurability. In order to maximize the advantages of a digital-IF receiver, a common design objective is to position the bandpass ADC as close as possible to the antenna, and to operate on the input signal at a high IF.A bandpass ADC is effciently implemented using a delta-sigma modulator, which can provide high-resolution A/D (analog-to-digital) conversion over a relatively narrow band around an IF. In order to operate on high-IF signals, conventional bandpass delta-sigma modulators require high-frequency filters and high sampling rates, which can result in high sensitivity to circuit non-idealities and high power consumption. These disadvantages are addressed by the frequency-translating delta-sigma modulator, which uses downconversion mixing inside its delta-sigma loop to process high-IF signals using low sampling rates and primarily low-frequency filters.This thesis investigates frequency-translating delta-sigma modulators for direct A/D conversion of high-IF signals. It first analyses the system architecture and performance limitations of an existing type of frequency-translating delta-sigma modulator that is based on image-reject mixing. This analysis is supported by an initial study on the effect of timing errors in a conventional delta-sigma modulator. The thesis then introduces a novel frequency-translating delta-sigma modulator that is based on single-path mixing. The advantages of the presented single-path architecture are demonstrated using an experimental delta-sigma modulator.The experimental delta-sigma modulator is designed to digitize a 4 MHz input-signal band that is centred at an IF of 225 MHz. It uses a local oscillation signal with a frequency of 200 MHz to downconvert this input-signal band to an IF of 25 MHz inside its delta-sigma loop, and samples at 100 MHz. The experimental prototype was fabricated in a standard 65 nm CMOS process. It achieves a peak SNDR of 55 dB and a dynamic range of 57.5 dB, while consuming 13 mW from a 1-V power supply. It has a full-scale range of 700 mVp-p.
Un recepteur heterodyne traditionnel transpose un signal en entree vers une ou plusieurs frequences intermediaires (FI) avant de le numeriser a la bande de base. Dans un recepteur numerique FI, le signal en entree est numerise directement a la frequence FI a l'aide d'un convertisseur analogique-numerique passe-bande. Par consequent, le recepteur numerique FI remplace les melangeurs de rejection d'image et les filtres a bande de base d'un recepteur heterodyne traditionnel par des fonctions numeriques precises et efficaces. De ce fait, le recepteur numerique FI offre plus de possibilites de reconfiguration. Afin de maximiser les avantages d'un recepteur numerique FI, un objectif de conception frequent consiste a placer le convertisseur analogique-numerique passe-bande aussi pres que possible de l'antenne et de numeriser le signal en entree a une frequence FI elevee.Un convertisseur analogique-numerique passe-bande peut etre realise efficacement en utilisant un modulateur delta-sigma. En effet, ce dernier procure une conversion A/N (analogique-numerique) a haute resolution sur une bande relativement restreinte centree autour d'une frequence FI. Afin de fonctionner sur des signaux a frequences FI elevees, les modulateurs delta-sigma passe-bande classiques requierent des filtres hautes-frequences et des frequences d'echantillonnage elevees, ce qui peut les rendre tres sensibles aux non-idealites du circuit et mener a une consommation electrique importante. Il est possible de remedier a ces inconvenients en utilisant un modulateur delta-sigma a transposition de frequence. En effet, ce dernier utilise des melangeurs dans sa boucle delta-sigma pour traiter des signaux a frequence FI elevee a des frequences d'echantillonnage faibles avec principalement des filtres basses-frequences.Cette these etudie l'utilisation de modulateurs delta-sigma a transposition de frequence pour une conversion A/N directe de signaux a frequence FI elevee. Elle analyse d'abord l'architecture et les limitations de performance d'un modulateur delta-sigma a transposition de frequence base sur un melangeur de rejection d'image. Cette analyse est appuyee par une etude initiale effectuee sur l'effet d'erreurs d'horloge sur un modulateur delta-sigma classique. Cette these introduit ensuite un nouveau modulateur delta-sigma a transposition de frequence base sur un melangeur de mono-trajet. Les avantages de cette architecture sont demontres a l'aide d'un prototype de modulateur delta-sigma.Le prototype de modulateur delta-sigma est concu afin de numeriser une bande de signaux en entree de 4 MHz centree autour d'une FI de 225 MHz. Il utilise un signal a oscillation locale d'une frequence de 200 MHz pour transposer cette bande de signaux en entree vers 25 MHz a l'interieur de sa boucle delta-sigma et effectue l'echantillonnage a 100 MHz. Ce prototype a ete realise en utilisant un procede CMOS standard de 65 nm. Il a un SNDR de 55 dB et une gamme dynamique de 57.5 dB tout en consommant 13 mW pour une alimentation de 1-V. Sa plage d'amplitude maximale est de 700 mVp-p.
Idioma: en