title: Performance evaluation of an E-band transceiver front-end considering nonidealities
Creators: name: Dilek, Seyyid Muhammed
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::621 Angewandte Physik
subject: E-band
subject: nonidealities
subject: EVM
subject: phase noise
subject: system-level simulation

description: This dissertation is concerned with the challenge regarding the characterization of nonidealities in broadband millimeter-wave (mmW) transmitter (TX) and receiver (RX) front-ends. Nonidealities are unwanted obstacles to reaching the theoretical channel capacity limit. A tremendous rise in the demand for wireless communication applications, not only for backhaul and short-distance communication but also for aeronautics and satellite communications, is expected, including higher data rates than present-day speeds. To address this demand for these applications, a data link requires pushing the carrier frequency to the mmW region, allowing for wider bandwidth utilization. Increasing the modulation bandwidth from hundreds of megahertz to several gigahertz and beyond is a straightforward means of achieving higher data rates and the ability to reach more end-users through multi-carrier (MC) modulation techniques. However, this increase in bandwidth also presents challenges in accurately estimating and evaluating the performance of the front-ends in relation to nonidealities. The degradation of performance due to non-idealities in a broadband TX-RX is a major concern; in fact, it makes this problem motivational to work on. High spectral efficiency can be achieved by increasing the modulation order; however, this increase leads a significant decrease in the tolerable error vector magnitude (EVM) level. Due to the stringent requirements for high spectral efficiency, performance estimations play a key role in the design process. To estimate the performance of a TX-RX front-end, analytical closed-form solutions have been proposed in the literature. These solutions are not sufficient without a comprehensive knowledge of the mmW front-ends and their nonidealities. Front-ends exhibit various nonidealities, and it is essential to analyze each one individually in an error-free TX-RX to determine its impact on performance. Nonidealities in a front-end are bandwidth- and frequency-dependent, deterministic, and stochastic in nature. The characterization processes need to be carried out meticulously through theoretical studies, followed by system-level (SL) simulations, and measurements. In the literature, two well-known SL simulation approaches, namely the bottom-up and top-down approaches, are used for estimating the performance of front-ends and characterizing their nonidealities. These approaches are typically applied below the Ka-band, utilizing modulation bandwidths of less than a hundred megahertz. However, these approaches are barely implemented for broadband mmW front-ends. This dissertation effectively utilizes the above two well-known approaches and proposes a novel approach, the composite domain approach. Each of them is rigorously implemented to comprehensively characterize the nonidealities in mmW front-ends. These studies not only advance the understanding of the nonidealities of the mmWave front-end but also offer valuable insights, precise measurements, and systematic methodologies. The first approach, the bottom-up approach, adopted in this thesis with regard to E-band frequencies serves as a crucial link, bridging the gap between the circuit-level and the SL design processes. Its main contribution lies in the modeling of bandwidth-dependent linear nonidealities. Integrating theoretical analysis, SL simulation, and experimental back-to-back measurements forms a comprehensive and cohesive framework. The agreement between simulation and measurement results validates the effectiveness of the study, affirming its significance in enhancing the understanding of bandwidth-dependent linear nonidealities in mmWave front-ends. The second approach, the top-down approach is applied within this thesis. It makes an important contribution by reporting the correlation between two measurement techniques of the coherent and noncoherent local oscillator (LO) configurations with a comprehensive SL discretization process. Notably, this study reports the correlation, demonstrating a maximum difference of merely 0.7 dB EVM in the measurement results between these configurations. Additionally, the study achieves a mean delta EVM value of less than 0.78 dB, aligning the modulation bandwidth-dependent simulation and measured EVM results. Employing SL modeling and simulation enhances the interpretation of constellation diagrams and EVM measurement results. This systematic study introduces a comprehensive performance evaluation methodology, a first in the literature, considering critical parameters such as recording time, evaluation period, and averaging. The third approach, the composite domain approach, introduces an essential methodology with a comprehensive nonideality decomposition procedure. This approach is developed within this thesis. This method provides critical insight into circuit behavior within a TX-RX system. In particular, it is the first time in the literature that transfer function impairments and IQ channel leakage in E-band front-ends are accurately estimated and decomposed. Furthermore, it successfully maps measurement quantities of TX-RX systems to SL simulation, validating its effectiveness and marking a significant step toward understanding nonidealities' limiting factors. The SL co-simulation environment consists of digital signal processing (DSP) models by Ptolemy, RF/analog front-end models, and vector signal analysis (VSA) software. In the SL simulation, deterministic and stochastic nonidealities are characterized to support the discretization process based on the front-end architecture. These include magnitude and phase errors, DC offset, IQ imbalance, amplifier memoryless non-linearity, and additive noise. Additionally, LO phase noise is examined, and this comprehensive analysis is conducted alongside analytic expressions to provide a robust assessment of the nonidealities. The SL simulation also explores the joint effects of IQ imbalance, carrier phase/frequency offset, amplifier memoryless non-linearity, and LO leakage with the introduction of additive noise sources. The bandwidth- and frequency-dependent performance evaluation studies are carried out for short- and long-range data transmission using single-carrier higher-order modulation and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). The experimental short-range wireless data transmission using the OFDM technique at the allocated 5 GHz bandwidth of the E-band with a state-of-the-art data rate of 15.625 Gbps is accomplished with a noncoherent LO configuration. Data generation and evaluation for the demonstration of an E-band plane-to-ground data transmission at 5, 9, and 12 km distance are also performed, resulting in a speed of 9.6 Gbps. Real-time full-duplex data transmission is performed with the E-band TX-RX front-ends, achieving a data rate of 7.5 Gbps with a back-to-back noncoherent LO configuration. Performance evaluation studies are conducted in terms of the dynamic range of the bit error rate (BER) to identify the upper- and lower-threshold regions and the residual BER region. DSP units capable of multi-gigabit data rates and simultaneous transmitting and receiving of the data are used in this performance evaluation study. A detailed performance evaluation study is carried out at uplink and downlink E-band frequencies using the diplexer waveguide modules. The characterization of nonidealities is accomplished through their decomposition and is supported by SL simulation.
description: Diese Dissertation befasst sich mit der Herausforderung der Charakterisierung von Nichtidealitäten in Breitband-Millimeterwellen-(mmW)-Sender-(TX) und Empfänger-(RX)-Front-Ends. Nichtidealitäten sind unerwünschte Hindernisse für das Erreichen der theoretischen Kanalkapazitätsgrenze. Es wird ein enormer Anstieg der Nachfrage nach drahtlosen Kommunikationsanwendungen erwartet, nicht nur für Backhaul- und Kurzstreckenkommunikation, sondern auch für Luftfahrt und Satellitenkommunikation, einschließlich höherer Datenraten als die heutigen Geschwindigkeiten. Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, erfordert eine Datenverbindung die Verschiebung der Trägerfrequenz in den mmW-Bereich, um eine höhere Bandbreitennutzung zu ermöglichen. Die Erhöhung der Modulationsbandbreite von einigen hundert Megahertz auf mehrere Gigahertz und darüber hinaus ist ein einfaches Mittel zur Erzielung höherer Datenraten und zur Möglichkeit, mehr Endbenutzer über Mehrträger-(MC)-Modulationstechniken zu erreichen. Diese Erhöhung der Bandbreite stellt jedoch auch Herausforderungen bei der genauen Abschätzung und Bewertung der Leistung der Front-Ends in Bezug auf Nichtidealitäten dar. Die Verschlechterung der Leistung aufgrund von Nichtidealitäten in einem Breitband-TX-RX ist ein wichtiges Thema. Die Untersuchung und die Beurteilung von Werkzeugen zu ihrer Verbesserung stellen die Motivation zu dieser Arbeit dar. Eine hohe spektrale Effizienz kann durch eine Erhöhung der Modulationsordnung erreicht werden; dieses führt jedoch zu einer signifikanten Verringerung des tolerierbaren Fehlvektormaßes (EVM). Aufgrund der strengen Anforderungen an hohe spektrale Effizienz spielen Leistungseinschätzungen eine entscheidende Rolle im Designprozess. Zur Abschätzung der Leistung eines TX-RX-Front-Ends wurden in der Literatur analytische geschlossene Lösungen vorgeschlagen. Diese Lösungen sind jedoch nicht ausreichend ohne ein umfassendes Wissen über die mmW-Front-Ends und ihrer Nichtidealitäten, die bandbreiten- und frequenzabhängig, deterministischer und stochastischer Natur sein können. Es ist unerlässlich, jede davon einzeln in einem fehlerfreien TX-RX zu analysieren, um ihre Auswirkungen auf die Leistung festzustellen. Die Charakterisierungsprozesse müssen sorgfältig anhand theoretischer Studien, gefolgt von systemweiten (SL) Simulationen und Messungen durchgeführt werden. In der Literatur werden zwei bekannte SL-Simulationsansätze verwendet, nämlich der Bottom-up- und der Top-down-Ansatz, um die Leistung von Front-Ends zu beurteilen und ihre Nichtidealitäten zu charakterisieren. Diese Ansätze werden typischerweise unterhalb des Ka-Bands angewendet und nutzen Modulationsbandbreiten von weniger als hundert Megahertz. Allerdings werden diese Ansätze kaum für Breitband-mmW-Front-Ends implementiert. Diese Dissertation nutzt effektiv die beiden oben genannten und bewährten Ansätze und schlägt eine zusätzliche Methode vor, den Composite-Domain-Ansatz. Alle drei werden sorgfältig umgesetzt, um die Nichtidealitäten in mmW-Front-Ends umfassend zu charakterisieren. Diese Studien tragen nicht nur zur Erweiterung des Verständnisses der Nichtidealitäten des mmWave-Front-Ends bei, sondern bieten auch wertvolle Erkenntnisse, präzise Messungen und systematische Methoden. Der erste Ansatz, der Bottom-up-Ansatz, der in dieser Dissertation im Zusammenhang mit E-Band-Frequenzen verwendet wird, dient als entscheidende Verbindung, die die Lücke zwischen den Schaltungslevel- und den SL-Designprozessen schließt. Sein Hauptbeitrag liegt in der Modellierung bandbreitenabhängiger linearer Nichtidealitäten. Ein umfassender und in sich schlüssiger Überblick wird durch die Integration von theoretischer Analyse, SL-Simulation und experimentellen Back-to-Back-Messungen erzielt. Die Übereinstimmung zwischen Simulation und Messergebnissen bestätigt die Wirksamkeit der getroffenen Annahmen und bekräftigen ihre Bedeutung für das bessere Verständnis bandbreitenabhängiger linearer Nichtidealitäten in mmWave-Front-Ends. Der zweite Ansatz, der Top-Down-Ansatz, wird in dieser Dissertation angewendet. Er leistet einen wichtigen Beitrag, da er die Korrelation zwischen zwei Messverfahren der kohärenten und nicht-kohärenten Lokaloszillator (LO)-Konfigurationen im Rahmen eines umfassenden SL-Diskretisierungsprozesses beschreibt. Besonders erwähnenswert ist, dass diese Studie die Korrelation aufzeigt und dabei eine maximale Abweichung von lediglich 0,7 dB EVM in den Messergebnissen zwischen diesen Konfigurationen zeigt. Darüber hinaus erreicht die Studie einen durchschnittlichen Delta-EVM-Wert von weniger als 0,78 dB und gleicht damit die modulationsbandbreitenabhängigen Simulationsergebnisse und die gemessenen EVM-Ergebnisse an. Die Anwendung von SL-Modellierung und -Simulation verbessert die Interpretation von Konstellationsdiagrammen und EVM-Messergebnissen. Diese systematische Studie stellt eine umfassende Leistungsbewertungsmethodik vor, die erstmalig in der Literatur vorkommt und wichtige Parameter wie Aufzeichnungszeit, Auswertungszeitraum und Mittelung berücksichtigt. Der dritte Ansatz, der Composite-Domain-Ansatz, führt eine wesentliche Methodik mit einem umfassenden Verfahren zur Zerlegung von Nichtidealitäten ein. Dieser Ansatz wird in dieser Dissertation entwickelt. Diese Methode bietet entscheidende Einblicke in das Schaltungsverhalten innerhalb eines TX-RX-Systems. Insbesondere ist es das erste Mal in der Literatur, dass Übertragungsfunktionsbeeinträchtigungen und IQ-Kanalübersprechen in E-Band-Frontends genau geschätzt und zerlegt werden. Darüber hinaus werden Messgrößen von TX-RX-Systemen erfolgreich auf SL-Simulation abgebildet, was die Wirksamkeit bestätigt und einen bedeutenden Schritt zur Erkenntnis der Begrenzungsfaktoren von Nichtidealitäten darstellt. Die SL-Simulationsumgebung besteht aus digitalen Signalverarbeitungsmodellen (DSP) von Ptolemy, RF-/Analog-Frontend-Modellen und Vektor-Signalanalyse (VSA)-Software. In der SL-Simulation werden deterministische und stochastische Nichtidealitäten charakterisiert, um den Diskretisierungsprozess, basierend auf der Frontend-Architektur, zu unterstützen. Dazu gehören Fehler in Amplitude und Phase, Gleichspannungsversatz, IQ-Ungleichgewicht, nichtlineares Gedächtnis von Verstärkern und additive Rauschkomponenten. Zusätzlich wird das Phasenrauschverhalten des Lokaloszillators (LO) untersucht und diese umfassende Analyse mit analytischen Ausdrücken optimiert, um eine robuste Bewertung von Nichtidealitäten zu ermöglichen. In der SL-Simulation werden die kombinierten Effekte von IQ-Ungleichgewicht, Trägerphasen-/frequenzversatz, flüchtiger Nichtlinearitäten von Verstärkern und LO-Leckage mit der Einführung von additiven Rauschquellen erforscht. Die Leistungsbewertungsstudien, die von der Bandbreite und der Frequenz abhängen, werden für die Übertragung von Daten über kurze und lange Entfernungen unter Verwendung von Ein-Träger-Hochmodulation und Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) durchgeführt. Die experimentelle drahtlose Datenübertragung über kurze Entfernungen unter Verwendung der OFDM-Technik bei der zugewiesenen Bandbreite von 5 GHz im E-Band mit einer hochmodernen Datenrate von 15,625 Gbps wird mit einer nichtkohärenten LO Konfiguration durchgeführt. Die Datenzeugung und -bewertung für die Demonstration einer E-Band-Datenübertragung vom Flugzeug zu Boden in Entfernungen von fünf, neun und zwölf Kilometern werden ebenfalls durchgeführt und führen zu einer Datenübertragungsgeschwindigkeit von 9,6 Gbps. Die Echtzeit-Voll-Duplex-Datenübertragung wird mit E-Band TX-RX-Front-Ends durchgeführt und erreicht eine Datenrate von 7,5 Gbps mit einer nichtkohärenten Back-to-back LO-Konfiguration. Untersuchungen zur Leistungsbeurteilung werden hinsichtlich des dynamischen Bereichs der Bitfehlerrate (BER) durchgeführt, um die oberen und unteren Schwellenbereiche sowie den Rest-BER-Bereich zu identifizieren. In dieser Studie werden DSP Einheiten verwendet, die Multi-Gigabit-Datenraten unterstützen und das gleichzeitige Senden und Empfangen von Daten zu ermöglichen. Eine ausführliche Leistungsbeurteilungsstudie wird bei Aufwärts- und Abwärtslink-E-Band-Frequenzen unter Verwendung der Diplexer-Hohlleitermodule durchgeführt. Die Charakterisierung von Nichtidealitäten erfolgt durch deren Zerlegung und wird durch SL-Simulation unterstützt.