Progetto di PAs SWITCHING-MODE per applicazioni lineari alla telefonia cellulare 3G

INTRODUZIONE 
 II
 Tuttavia, i problemi tecnici assai rilevanti che pone questo nuovo sistema così 
sofisticato saranno felicemente risolti come per il passato fu per il GSM. 
Se le aspettative saranno comunque confermate al massimo livello, 
l'introduzione dell'UMTS cambierà profondamente il nostro modo di vivere, attraverso 
le nuove modalità di comunicazione che offrirà. 
Esauritasi l’evoluzione della seconda generazione dei sistemi cellulari, si è reso 
più graduale il passaggio verso la terza generazione (UMTS) passando per una 
generazione intermedia denominata 2.5 G basata sull’EDGE (Enhanced Data Rates for 
Global Evolution), una tecnologia a cavallo tra l’alta velocità di trasmissione dati  
dell’UMTS e l’utilizzo delle infrastrutture delle reti del GSM, opportunamente adattate. 
 
 
 
GENERAZIONE 
 
TIPO 
 
DESCRIZIONE 
 
1 
 
Analogico 
basata sulla voce, standard multipli (NMT, 
TACS,...) 
 
2 
 
Digitale 
basata sulla voce, standard multipli (GSM, 
CDMA, TDMA) 
 
2.5 
 
Data rate più 
elevato 
nuovi servizi ad alta velocità per abituarci alla 
transizione tra la seconda e la terza generazione; 
includono GPRS ed EDGE 
 
3 
 
Multimedia 
basata su voce e dati, standard singolo con 
diverse modalità 
 
Tabella I: Passaggi verso la terza generazione 
 
INTRODUZIONE 
 III
Tuttavia, la necessità di dover ottenere una trasmissione dati sempre più spinta, 
in modo da garantire servizi ulteriori rispetto a quelli attuali, tra cui: 
 
• comunicazione interpersonale (audio e videotelefonia); 
• servizi di messaggistica estesi (come video-voice mail, chat e sviluppo 
degli sms); 
• diffusione dell’informazione (web browsing, servizi al cittadino, 
teleformazione, distribuzione musica di qualità hi-fi ecc.); 
• applicazioni di localizzazione evoluta (navigazione personale, supporto 
alla guida); 
• servizi affari; 
• servizi di massa (commercio elettronico); 
 
determina l’evoluzione dei terminali, sia nell’architettura digitale per il filtraggio, la 
codifica e la decodifica, nonché del front-end, ed in particolare dell’amplificatore di 
potenza per i motivi che saranno sviluppati in questo lavoro di tesi. 
 
 
Fig. 1: Passi evolutivi previsti per aumentare la velocità dei dati 
INTRODUZIONE 
 IV
 Nei capitoli seguenti verranno fatti alcuni cenni sulle 2.5 e 3 generazione di 
sistemi cellulari, un’analisi degli effetti non lineari legati agli amplificatori di potenza 
ed ai metodi di linearizzazione per ovviare a ciò, un approfondimento sugli 
amplificatori switched-mode e la presentazione di un amplificatore in classe E 
realizzato in laboratorio.  
 1
CAPITOLO 1 
ANALISI DI SISTEMA E CARATTERIZZAZIONE DEI PAs 
 
 
1.1 EDGE 
 
Enhanced Data rate for Global Evolution sistem (EDGE) è un evoluzione del 
Global System for Mobile Communications (GSM) per ottenere l’aumento di velocità di 
trasmissione dati attraverso l’introduzione della modulazione 8PSK. 
Futuri  aggiornamenti sulle specifiche EDGE, permetteranno l’accesso a tutta la 
rete IP e, quindi, alle comunicazioni multimediali, includendo la telefonia che sarà 
gestita con un’interfaccia a commutazione di pacchetto per l’accesso al cuore della rete 
UMTS. 
Dato l’alto costo dello spettro e la sua carenza, gli operatori intendono 
continuare l’evoluzione della rete verso un aumento della capacità e della qualità [1]. 
Con l’introduzione del GPRS nello standard GSM, è stato reso possibile 
l’utilizzo di pacchetti di dati. HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Service) ha 
permesso l’uso di alcuni time slot per ciascun utente, imponendo più alte velocità di dati 
per i sistemi a commutazione di circuito. Ora che questi due servizi sono disponibili,  
EDGE permetterà di trasferire molti dati in ciascun time slot. Infatti, la modulazione 
8PSK permette di associare tre bit a ciascun simbolo trasmesso, quindi 8 possibili 
combinazioni di bit per simbolo, triplicando il bit rate (812.5 kbps) ma con lo stesso 
symbol rate dello standard GSM. 
 
Fig. 1.1:Codifica 8PSK 
CAPITOLO 1 _ ANALISI DI SISTEMA E CARATTERIZZAZIONE DEI PAs  
 2
Tuttavia, ciò richiede un segnale di qualità elevata, problematica non 
indifferente per le applicazioni wireless, poiché essa varia spesso in maniera brusca 
specialmente se l’utente si muove  e tanto quanto è più lontano dalla stazione base. Per 
ovviare a questo problema, EDGE ha nove schemi differenti di codifica a ciascuno dei 
quali è associato un diverso bit rate per time slot; la scelta di uno di essi è dinamica e 
dipende dal rapporto C/I (Channel to Interference), che indica quanto è forte il segnale 
ricevuto rispetto agli altri segnali interferenti che non portano informazione. Quando la 
qualità del segnale peggiora, EDGE commuta su uno schema di codifica più robusto ma 
a più basso bit rate [2]. 
 
 
SCHEMA DI 
CODIFICA 
 
BIT RATE PER 
TIME SLOT (kbps) 
MSC – 9 59.2 
MSC – 8 54.4 
MSC – 7 44.8 
MSC – 6 29.6 
MSC – 5 22.4 
MSC – 4 16.8 
MSC – 3 14.8 
MSC – 2 11.2 
MSC – 1 8.4 
 
Tabella II: Schemi di codifica per l’EDGE. 
 
CAPITOLO 1 _ ANALISI DI SISTEMA E CARATTERIZZAZIONE DEI PAs  
 3
1.1.1. MODULAZIONE 8PSK 
 
Nelle specifiche EGDE, il segnale modulante è definito come un segnale 
complesso 8PSK: 
∑
+=−=
n
n
tjQtInTtpstx )()()(ˆ)(        (1.1) 
 
In (1.1) p(t) rappresenta la funzione di pulse shaping definita in [3 ] e derivata da 
0.3-GMSK usato in GSM; i coefficienti in (1.1) rappresentano una sequenza di impulsi 
di Dirac complessi eccitanti un filtro di trasmissione, le cui ampiezze devono tener 
conto sia del simbolo specifico trasmesso sia del Cumulative Phase Shifting (CPS). 
L’impulso di Dirac complesso può essere rappresentato dalla seguente 
espressione analitica: 
 
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
++
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+=
8
3
8
2
sin
8
3
8
2
cos
ˆ
nl
j
nl
s
nn
n
ππππ
      (2.1) 
in cui i termini l
n 
= 0,1 … 7 forniscono la corretta mappatura di ogni simbolo. 
 
 
TRIPLETTA DI BITS 
MODULANTI 
 
l
n
 
111 0 
011 1
010 2 
000 3
001 4 
101 5
100 6 
110 7
Tabella III: Mappatura tra i bits modulanti e il parametro l. 
CAPITOLO 1 _ ANALISI DI SISTEMA E CARATTERIZZAZIONE DEI PAs  
 4
Inoltre, si può notare che i simboli sono tutti ruotati con continuità di un angolo 
pari a 
8
3π
 prima del filtraggio. Tale rotazione è utile per poter contenere la dinamica 
dell’amplificatore di potenza poiché, in tal modo, l’inviluppo variabile presenterà una 
zona intorno all’origine  non accessibile. Da simulazioni effettuate in [4], si evince che 
la dinamica richiesta all’amplificatore (lineare) è di 17 dB. 
 
 
 
Fig. 2.1: Inviluppo complesso 3π/8 8PSK 
 
1.2 UMTS 
 
Il sistema UMTS nasce per porsi come elemento di convergenza tra il mondo 
delle telecomunicazioni e le altre tecnologie dell'informazione, attraverso la saldatura 
tra i due grandi successi degli ultimi anni, la telefonia mobile ed Internet. Il sistema sarà 
universale, ma non unico, tanto è vero che si prevedono due alternative tecniche, l'una 
denominata W-CDMA, l'altra TD-CDMA. Ambedue le soluzioni prevedono che i canali 
di comunicazione non siano principalmente ottenuti delimitando bande di frequenza 
(FDMA= Frequency Division Multiple Access) o intervalli di tempo (TDMA= Time 
Division Multiple Access), ma sfruttando le proprietà di particolari codici (Code 
Division Multiple Access). Nella prima alternativa si usa la discriminazione in 
CAPITOLO 1 _ ANALISI DI SISTEMA E CARATTERIZZAZIONE DEI PAs  
 5
frequenza (FDD= Frequency Division Duplex) per separare i canali della tratta mobile-
base da quelli base-mobile, mentre nel secondo caso la stessa banda è utilizzata 
alternativamente dai due corrispondenti (TDD= Time Division Duplex). L'adozione dei 
due standard permette di destinare le diverse porzioni di spettro radioelettrico rese 
disponibili a quel sistema che ha la miglior potenzialità di utilizzo. A questo proposito 
va ricordato che la terza generazione di questi sistemi è denominata a livello mondiale 
IMT-2000, e che le conferenze mondiali di assegnazione dello spettro (WRC=World 
Radio Conference), di emanazione ITU (International Telecommunication Union) 
hanno recentemente assegnato come risorsa di base (core bands) ai sistemi in oggetto le 
bande. In ambito ITU, nel corso della WRC-97, la risoluzione 212 ha designato per i 
sistemi IMT-2000, le bande 1885-2025 MHz e 2110-2200 MHz; di esse le sotto bande 
1980-2010 MHz e 2170-2200 MHz sono indicate per la componente satellitare del 
sistema. Va notato che nella allocazione si possono individuare delle porzioni di spettro 
cosiddette simmetriche, ovvero atte ad un bilanciamento delle due tratte, ed altre 
asimmetriche. 
In Europa, le bande riservate all'UMTS sono:  
 
• 1920-1980 / 2110-2170 MHz di spettro simmetrico (totale 2x60 MHz) 
• 1900-1920 / 2010-2025 MHz di spettro asimmetrico (totale 35 MHz) 
 
Lo spettro simmetrico è quello adatto per essere utilizzato in modalità FDD, 
quello asimmetrico in modalità TDD: in entrambi i casi la tecnica di accesso 
fondamentale rimane basata sul CDMA. La modalità TDD è particolarmente 
interessante per servizi di tipo asimmetrico, come il recupero di dati da Internet, in cui si 
suppone che l'utente occupi il canale per poco tempo al momento della richiesta di 
informazione e che invece ben più pesante sia l'impegno del canale quando 
l'informazione viene inviata dalla rete verso il terminale mobile. 
CAPITOLO 1 _ ANALISI DI SISTEMA E CARATTERIZZAZIONE DEI PAs  
 6
Malgrado l'interesse attuale degli operatori sia principalmente per lo spettro 
simmetrico (essenzialmente per continuità con lo standard GSM e per la scarsità di 
proposte sul TDD da parte dei costruttori), è ragionevole che ciascun operatore 
necessiterà di entrambe le tipologie di spettro per fornire un pacchetto di servizi 
completo, secondo le esigenze dell'utente. Lo spettro simmetrico è necessario per servizi 
ad elevato grado di mobilità. Può essere utilizzato per coperture globali sull'intero 
territorio nazionale, per servizi a bassa mobilità in aree suburbane e per servizi anche 
sbilanciati in aree rurali. Lo spettro asimmetrico verrà presumibilmente utilizzato per lo 
più per servizi a bassa mobilità, principalmente nelle aree urbane e in condizioni di 
traffico sbilanciato tra le due vie: in questo senso il TDD può essere visto come 
completamento dell'FDD, ove necessario. 
La tecnica di accesso multiplo del nuovo sistema è denominata a Divisione di 
Codice perché la distinzione tra le comunicazioni dei diversi utenti viene effettuata, 
all'interno di una banda di 5 MHz, utilizzando le proprietà di alcune particolari sequenze 
o forme d'onda, i codici del sistema. Ciò impone sofisticate tecniche di sincronismo e di 
controllo delle potenze irradiate, ma offre come contropartita una capacità maggiore 
rispetto ai precedenti sistemi e una maggior flessibilità di utilizzo. La rete di accesso 
cellulare dell'UMTS (UTRAN= UMTS Terrestrial Radio Access Network) ha dunque 
delle modalità di distribuzione del segnale sul territorio da servire molto diverse rispetto 
al sistema GSM. Sarà possibile usare potenze inferiori a parità di distanze da percorrere 
e sarà necessario controllarle in modo più accurato perché altrimenti si ridurrebbe la 
capacità di trasmissione. 
CAPITOLO 1 _ ANALISI DI SISTEMA E CARATTERIZZAZIONE DEI PAs  
 7
 
 GSM (2 G) EDGE (2.5 G) UMTS (3 G) 
Metodo di 
accesso 
multiplo 
TDMA 
577µs pulse 
TDMA 
577µs pulse 
CDMA 
(Massimo fattore di 
spreading = 256) 
Frequenza 
in uplink: 
mobile → 
 base 
(MHz) 
876 – 915; 
DCS 1800,  
1710 – 1785; 
PCS 1900, 
1850 - 1910 
824 – 849, 
876 – 915, 
1710 – 1785, 
1850 - 1910 
 
1850 – 1910, 
1920 – 1980 
Frequenza 
in downlink: 
base → 
mobile 
 (MHz) 
921 – 960; 
DCS 1800,  
1805 – 1880; 
PCS 1900,  
1930 - 1990 
869 – 894, 
921 – 960, 
1805 – 1880, 
1930 - 1990 
 
1930 – 1990, 
2110 – 2170 
Separazione 
di canale 
 
200 KHz 
 
200 KHz 
 
4.2 – 5 MHz 
Modulazione GMSK Offset 8PSK QPSK 
Bit rate 
totale 
 
270.8 kbps 
 
812.5 kbps 
 
3.84 Mchips/s 
 
Tab IV: Caratteristiche tecniche riassuntive: confronto tra 2, 2.5 e 3 G. 
  
CAPITOLO 1 _ ANALISI DI SISTEMA E CARATTERIZZAZIONE DEI PAs  
 8
1.3 CARATTERIZZAZIONE DEI PAs 
  
Il PA (Power Amplifier) che deve fornire l’energia all’antenna per trasmettere 
l’informazione opportunamente elaborata, deve presentare requisiti di linearità e ed 
efficienza, quest’ultima fondamentale per applicazioni di tipo portatile. Le potenze per 
il terminale mobile si aggirano sui 0.1 – 0.6 W [5]. 
La linearità richiesta è legata alla necessità di avere una dinamica del PA di 17 
dB, legata esclusivamente all’inviluppo variabile che, nel caso dell’EDGE, non 
trasporta informazione, affidata alla fase, ma è il prezzo da pagare per ottenere una 
considerevole compressione della larghezza di banda del segnale [6]. Tuttavia, per 
ottenere una durata di funzionamento del terminale mobile che sia accettabile, si cerca 
di privilegiare l’efficienza, ricorrendo a PAs fortemente non lineari ma molto efficienti, 
ovviando alla non linearità con svariate soluzioni architetturali che ne linearizzano il 
comportamento. 
 
1.3.1 NON LINEARITA’ 
 
 Il PA è sostanzialmente ed intrinsecamente non lineare, poiché si ha 
trasferimento di potenza da una sorgente in continua ad un carico che riceve potenza in 
alternata, anche se dal punto di vista della relazione ingresso - uscita dell’amplificatore, 
è richiesto un comportamento lineare. Per testare la (non) linearità, si utilizza un segnale 
bitonale [7] e si valuta la presenza di altre frequenze nel segnale d’uscita. Sia v
s
(t) il 
segnale test: 
 
v
s
(t) = V
1
cos(ω
1
t) + V
2
cos(ω
2
t)             (3.1) 
 
Ipotizzando una non linearità V/I del tipo : 
 
i(t) = i
1
(t) +  i
2
(t) +  i
3
(t) + … = a
1 
v + a
2
 v
2
 + i
3 
v
3
 + …        (4.1) 
 
CAPITOLO 1 _ ANALISI DI SISTEMA E CARATTERIZZAZIONE DEI PAs  
 9
sostituendo (3.1) in (4.1),  e sfruttando alcune proprietà trigonometriche, si possono 
individuare il termine lineare, quadratico, cubico: 
 
)cos()cos()()(
22111111
tVatVatvati
s
ωω +==  
 
() (){ ++++== tVtVVVatvati
s 1
2
21
2
1
2
2
2
12
2
22
2cos2cos
2
1
)()( ωω  
()( )( )[]}ttVV
212121
coscos2 ωωωω −+++         (5.1) 
{ () ()++== tVVatvati
ts 2
3
21
3
13
3
33
3cos3cos
4
1
)()( ωω  
()( )( )[]+−+++ ttVV
21212
2
1
2cos2cos3 ωωωω  
()( )( ) +−+++ ttVV
12121
2
2
2cos2cos3 ωωωω  
()( )( ) +−+++ ttVV
1212
2
21
2cos2cos3 ωωωω  
( ) ( ) ( ) ( )}tVVVtVVV
22
2
1
3
21
2
21
3
1
cos23cos23 ωω ++++        (6.1) 
 
 Se la non linearità è di tipo quadratico (5.1), si ha la generazione di termini in 
continua, di frequenza doppia e componenti somma e differenza; in generale si 
generano pulsazioni: 
 
21,
ωωω nm
nm
+=   con m,n = ...-3,-2,-1,0,1,2,3…   
 
 Tale fenomeno non lineare è detto generazione di frequenza. La relazione che 
intercorre tra grado k del polinomio e ordine r delle pulsazioni è espressa da 
 
r = |m| + |n| ≤  k 
 
CAPITOLO 1 _ ANALISI DI SISTEMA E CARATTERIZZAZIONE DEI PAs  
 10
in cui ogni termine di grado k in i(t) genera pulsazioni con ordine r≤  k. Ovviamente, k 
aumenta con la non linearità. Inoltre, una non linearità di grado k pari, genera pulsazioni 
di ordine r pari e viceversa. 
 Si ha autopolarizzazione, quando la non linearità quadratica genera un termine 
a pulsazione nulla, come in (5.1); ciò determina lo spostamento del punto di lavoro. 
 Si ha compressione di guadagno o conversione AM/AM quando, applicando 
solo un ingresso sinusoidale (V
2
 = 0), per effetto della non linearità l’ampiezza del 
segnale d’uscita è una funzione dell’ampiezza del segnale d’ingresso; si parla di 
compressione di guadagno poiché aumentando V
1
, oltre un dato valore, il guadagno 
tende a diminuire e l’ampiezza del termine in uscita crescerà meno rapidamente 
dell’ingresso (AM/AM). 
 
 () ()()tVItVaVati
1111
3
1311
coscos
4
3
)( ωω =
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+=  
 
Questo effetto viene quantificato facendo riferimento al punto di compressione ad 1 
dB P
1dB
, osservando la caratteristica Pout / Pin in dB: 
 
 
 
Fig. 3.1: Caratteristica Pout / Pin e punto di compressione a 1 dB. 
CAPITOLO 1 _ ANALISI DI SISTEMA E CARATTERIZZAZIONE DEI PAs  
 11
 Il punto di compressione ad 1 dB indica il valore della potenza d’ingresso per il 
quale la potenza di uscita reale è inferiore di 1 dB rispetto al caso ideale; quindi 
rappresenta la massima potenza applicabile in ingresso in condizioni di linearità.  
 Si ha conversione AM/PM quando, in un sistema non lineare eccitato da un 
singolo tono, sono presenti anche effetti di memoria che determinano un ritardo di fase: 
 
()
ϑ
ω
j
etVaVati
1
3
1311
cos
4
3
)(
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+=  
 
e, quindi, una variazione d’ampiezza del singolo tono ∆A produce una variazione  ∆P di 
fase. Questo fenomeno è molto importante nel caso di modulazione d’angolo, perché si 
potrebbe deteriorare l’informazione trasportata [8]. 
 
 
 
Fig. 4.1: Conversione AM/PM.