Nonlinear distortion studies in wideband analog-to-digital converters

Abstract

This thesis discusses nonlinearities of analog-to-digital converters (ADCs) and their mitigation using digital signal processing (DSP). Particularly wideband radio receivers are considered here including, e.g., the emerging cognitive radio applications. In this kind of receivers, a single ADC converts a mixture of signals at different frequency bands to digital domain simultaneously. Different signals may have considerably different power levels and hence the overall dynamic range can be very large (even 50–60 dB). Therefore, even the smallest ADC nonlinearities can produce considerable amount of nonlinear distortion, which may cause a strong signal to block significantly weaker signal bands.

One concrete source of nonlinear distortion is waveform clipping due to improper signal conditioning in the input of an ADC. In the thesis, a mathematical model for this phenomenon is derived through Fourier analysis and is then used as a basis for an adaptive interference cancellation (AIC) method. This is a general method for reducing nonlinear distortion and besides clipping it can be used, e.g., to compensate integral nonlinearity (INL) originating from unintentional deviations of the quantization levels. Additionally, an interpolation method is proposed in this thesis to restore clipped waveforms and hence reduce nonlinear distortion.

Through several computer simulations and corresponding laboratory radio signal measurements, the performance of the proposed post-processing methods is illustrated. It can be seen from the results that the methods are able to reduce nonlinear distortion from a weak signal band in a considerable manner when there are strong blocking signals in the neighboring channels. According to the results, the AIC method would be a highly recommendable post-processing technique for modern radio receivers due to its general ability to reduce nonlinear distortion regardless of its source. /Kir10

Tässä työssä käsitellään analogia-digitaalimuuntimien (AD-muuntimien) epälineaarisuuksia ja niiden lieventämistä digitaalisen signaalinkäsittelyn (DSP) avulla. Tätä on tarkasteltu erityisesti laajakaistaisten radiovastaanottimien näkökulmasta, joka käsittää mm. tulevat kognitiiviseen radioon liittyvät sovellukset. Tällaisissa vastaanottimissa yksittäinen AD-muunnin muuntaa samanaikaisesti useita eri taajuuskaistoilla olevia signaaleita digitaaliseen muotoon, jolloin yhteenlaskettu dynaaminen alue voi olla hyvin suuri (jopa 50–60 dB). Tämän takia AD-muuntimen pienimmätkin epälineaarisuudet voivat aiheuttaa huomattavasti epälineaarista vääristymää, minkä vuoksi voimakas signaali saattaa häiriöllään peittää muilla taajuuskaistoilla olevia selkeästi heikompia signaaleja.

Eräs konkreettinen epälineaarisen vääristymän aiheuttaja on aaltomuodon leikkaantuminen AD-muuntimen sisäänmenossa jännitealueen ylittymisen vuoksi. Tässä työssä johdetaan matemaattinen malli kyseiselle ilmiölle Fourier-analyysin avulla ja käytetään sitä lähtökohtana adaptiiviselle häiriönpoistomenetelmälle (AIC-menetelmä). Se on yleisluonteinen menetelmä epälineaarisen vääristymän vähentämiseksi, ja leikkaantumisen lisäksi sitä voidaan käyttää esimerkiksi kompensoimaan integraalista epälineaarisuutta (INL), joka on peräisin kvantisointitasojen tahattomista poikkeamista. Lisäksi tässä työssä esitellään interpolointimenetelmä leikkaantuneen aaltomuodon ehostamiseen siten, että epälineaarinen häiriö vähenee.

Esiteltyjen jälkikäsittelymenetelmien suorituskykyä analysoidaan ja havainnollistetaan useilla tietokonesimulaatiolla sekä niitä vastaavilla radiosignaalien laboratoriomittauksilla. Tuloksista voidaan nähdä, että nämä menetelmät kykenevät poistamaan huomattavasti epälineaarista vääristymää heikolta signaalikaistalta silloin, kun naapurikaistoilla on voimakkaita häiriösignaaleja. Tulosten perusteella AIC-menetelmä olisi erittäin suositeltava jälkikäsittelytekniikka moderneihin radiovastaanottimiin, koska se pystyy yleisesti vähentämään epälineaarista vääristymää riippumatta häiriön alkuperästä.