New implementation of 5G millimeter-wave receivers based on multi-port technology for wireless communications.

Dashti Ardakani, Mansoor (2022). New implementation of 5G millimeter-wave receivers based on multi-port technology for wireless communications. Thèse. Québec, Doctorat en télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 129 p.

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Résumé

Le spectre de fréquences à ondes millimétriques (30-300 GHz) est une technologie prometteuse pour les communications mobiles émergentes de cinquième génération (5G), car il peut offrir des taux de transmission de l'ordre de plusieurs gigabits par seconde et prendre en charge un plus grand nombre d'utilisateurs, en raison de la large bande passante. L'utilisation commerciale de la 5G approche pour répondre aux demandes croissantes d'accès mobile à faible latence, à haute capacité et omniprésent, qui jouera un rôle clé dans la connexion et l'activation des services. L'attention principale dans cette thèse est attirée sur le développement de nouvelles architectures frontales qui peuvent unifier plusieurs émetteurs-récepteurs avec différentes fonctions et/ou spécifications système. Cette voie de recherche est prise dans ce travail pour réduire la taille, le coût et la complexité dans le développement des schémas d'émetteur-récepteur. En raison des caractéristiques intéressantes des architectures interférométriques multi-ports, elles sont sélectionnées par rapport aux architectures conventionnelles pour un développement ultérieur. Généralement, les architectures multi-ports souffrent d'une sensibilité relativement faible et d'une plage dynamique limitée, mais elles l'emportent en termes de bande passante facilement réalisable, de coût, de simplicité, de consommation d'énergie extrêmement faible, de reconfigurabilité et de pluralité de ports disponibles. En effet, ces caractéristiques ont inspiré la capacité des techniques multi-ports en tant qu'architecture prometteuse pour les futurs systèmes sans fil intégrés, en particulier autour des bandes de fréquences à ondes millimétriques. Cette thèse porte sur la conception de récepteurs frontaux à faible consommation d'énergie afin de démontrer les performances de la technologie multi-port pour les systèmes sans fil avancés à haut débit. L'objectif est d'améliorer les caractéristiques opérationnelles des liaisons sans fil à des fréquences d'ondes millimétriques à l'aide d'architectures multi-ports. Pour cette raison, des circuits d'interféromètre multi-port à ondes millimétriques, une carte d'amplificateur de bande de base et des modules multiplicateurs de fréquence sont conçus, mis en œuvre et mesurés. De plus, la réalisation et l'analyse des démodulateurs multi-ports à ondes millimétriques mis en œuvre sont présentées dans cette thèse. La performance de la conception dans la transmission de données sans fil à haut débit en temps réel est fortement prouvée en utilisant différents signaux modulés. Les résultats valides de démodulation à haut débit de données obtenus sur une bande passante ultra-élevée confirment que ces récepteurs interférométriques multi-ports sont une proposition intéressante pour les émetteurs-récepteurs homodynes ou hétérodynes conçus pour les systèmes de communication sans fil à courte portée à haut débit, tels que le futur sans fil 5G petite liaison cellulaire. À l'aide de simulateurs pleine onde tels que ADS (logiciel Advanced Design Systems de Keysight Technologies) pour les structures planaires et HFSS (High Frequency Structure Simulator d'Ansoft Corporation) pour les structures 3D, les circuits et modules à ondes millimétriques proposés sont conçus et validés. Les performances des récepteurs proposés sont caractérisées en termes de taux d'erreur sur les bits (BER) et d'amplitude du vecteur d'erreur (EVM) pour divers signaux démodulés M-PSK/M-QAM. En outre, l'application de l'interféromètre multi-port mis en œuvre pour une estimation précise du décalage de fréquence porteuse (CFO) et du décalage Doppler dans les systèmes sans fil en bande V est introduite. Les résultats finaux de la simulation, qui incluent diverses configurations de modulation à des débits de symboles méga ou giga, sont étayés par des mesures en laboratoire.

Millimeter-wave (mm-wave) frequency spectrum (30-300 GHz) is a promising technology for emerging fifth generation (5G) mobile communications, since it can offer transmission rates in the order of multi-gigabits per second and support a greater number of users, due to the large bandwidth. The commercial use of 5G is approaching to support increasing demands for low latency, high capacity and ubiquitous mobile access, which will play a key role in connecting and enabling services. The main attention in this thesis is drawn to developing new front-end architectures that can unify multiple transceivers with different functions and/or system specifications. This research path is taken in this work to reduce size, cost and complexity in the development of transceiver schemes. Due to the interesting features of the multi-port interferometric-based architectures, it is selected against conventional architectures for further development. Generally, the multi-port architectures suffer from relatively poor sensitivity and limited dynamic range, but they outweigh in terms of easily achievable bandwidth, cost, simplicity, extremely low-power consumption, reconfigurability and the plurality of available ports. Indeed, these features have inspired the capability of multi-port techniques as a promising architecture for future integrated wireless systems, especially around mm-wave frequency bands. This thesis focuses on the design of low-power-consumption front-end receivers to demonstrate the performance of multi-port technology for advanced high-data-rate wireless systems. The focus is to improve the operational characteristics of the wireless links at mm-wave frequencies using multi-port architectures. For this reason, mm-wave multi-port interferometer circuits, baseband amplifier board, and frequency multiplier modules are designed, implemented and measured. Also, the realization and analysis of the implemented mm-wave multi-port demodulators are presented in this thesis. The performance of the design in real-time high-data-rate wireless data transmission is strongly proved using different modulated signals. The valid high data-rate demodulation results achieved over an ultra-high-bandwidth confirm that these multi-port interferometer receivers are an attractive proposition for homodyne or heterodyne transceivers designed for high-speed short-range wireless communication systems, such as future 5G wireless small cell backhaul. Using full-wave simulators such as ADS (Advanced Design Systems software from Keysight Technologies) for planar structures and HFSS (High Frequency Structure Simulator from Ansoft Corporation) for 3D structures, the proposed mm-wave circuits and modules are designed and validated. The performance of the proposed receivers is characterized in terms of the bit error rate (BER) and error vector magnitude (EVM) for various M-PSK/M-QAM demodulated signals. Furthermore, the application of the implemented multi-port interferometer for precise estimation of carrier frequency offset (CFO) and Doppler shift in V-band wireless systems is introduced. The final simulation results, which include various modulation configurations at Mega or Giga symbol rates are supported by laboratory measurements.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Tatu, Serioja Ovidiu
Mots-clés libres:	demodulator; interferometer; millimeter-wave; multi-port technology; six-port; telecommunications; wireless transceiver
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	30 mars 2023 19:06
Dernière modification:	04 avr. 2023 13:08
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13240

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