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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: nborges@ieee.org
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
)(
??????????????
??????????????
????
??????
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
? ? ? ?? ?
? ?? ? ?? ??? ?? ? ?? ?? ??)122122()122122()122122()122122()11()11(2
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)(
?????????????????????????????????????
?????????????????????????????????????
????????????????????????????
??????????????????????????????
??????????????
??????????????
??????
???????
?????????
?????
???????
?????
ttjttjttjttjtjtj
ttjttjttjttjtjtj
tjtjtjtjtjtjtjtj
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
28
55As Telecomunicações para a Presente Década (4 de Abril 2001) – Nuno Borges de Carvalho
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MAAS, S., Nonlinear Microwave Circuits, Artech House, Inc., Norwood, MA, 1988.
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.
KRIKORIAN, N.: “Bridge Method for Measuring Amplitude Intermodulation Distortion”, RF Design, March 1995, pp.30-34.
SEIDEL, H.: “A Feedforward Experiment Applied to an L-4 Carrier System Amplifier”, IEEE Trans. on Communications, June 1971, COM-19, (3), pp.320-325.
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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Mischa Schwartz, “Information, Transmission, Modulation and Noise”, Mc-Graw Hill, 1990. Fugin Xiong, “Digital Modulation Techniques”, Artech House Publishers, 2000.Theodore S. Rappaport, “Wireless Communications – Principles & Practice”, Prentice Hall 1996.Seyed Hamidreza Jamali, Le-Ngoc Tho, “Coded-modulation Techniques for Fading Channels“, Kluwer Academic Press, 1994.
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