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Evaluación de los nuevos mecanismos de adaptación basados en redes reconfigurables para la mejora de la eficiencia en sistemas de comunicaciones móviles

Sánchez Pérez, César
Mingo Sanz, Jesús de (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2012

Resumen: En los sistemas de comunicaciones móviles actuales y futuros se está apostando por un proceso de investigación asociado a la obtención de sustanciales mejoras en el uso eficiente de la potencia de los transmisores, en especial a aquellos utilizados en los sistemas portátiles, donde el uso eficiente en el consumo de la batería es fundamental. Los sistemas de primera y segunda generación empleaban modulaciones de envolvente constante (con poca eficiencia espectral), que permitían operar los amplificadores de potencia (PA) en zona de saturación manteniendo buenos valores de eficiencia sin degradar calidad de la señal. Sin embargo, los nuevos sistemas de comunicaciones 3G, 4G, emplean esquemas de modulación más eficientes para proporcionar las tasas de datos y calidad de servicio demandadas. Estas modulaciones, como por ejemplo OFDM, están basadas en señales de envolvente no constante, que no pueden ser amplificadas eficientemente utilizando las arquitecturas clásicas, y por lo tanto requieren grandes back-offs para mantener unos niveles de linealidad en la señal de salida aceptables. A todo esto hay que sumarle el incremento en los anchos de banda de las señales, así como la posibilidad de funcionar en distintas bandas frecuenciales y usando distintos tipos de señales, lo que añade complejidad adicional al diseño de los front-ends de RF. Otro de los factores que afectará a la eficiencia energética en transmisores inalámbricos es el efecto de variación de la impedancia de carga. El diseño de los PAs se realiza habitualmente considerando una carga fija de 50 ohmios. Sin embargo, en determinadas situaciones esta impedancia puede cambiar de valor y fluctuar como consecuencia de la interacción de la antena con el usuario y su entorno, lo que puede conducir a una reducción dramática de la eficiencia del PA. Además de la eficiencia, la linealidad puede verse también seriamente comprometida ante dichas variaciones de la carga. Para solventar, o de alguna manera mejorar estos problemas, hace ya unos cuantos años surgió el concepto de las redes de adaptación reconfigurables. Estos circuitos buscan la transformación de impedancias óptima que permita una transmisión de potencia, con las menores pérdidas posibles, entre la fuente y la carga, pero añadiendo la propiedad de la reconfigurabilidad, esto es, que mediante algún mecanismo de control electrónico y automático, las propiedades de adaptación de la red pueden cambiar, permitiéndole adaptarse a las condiciones del sistema. El objetivo final del uso de las redes de adaptación reconfigurables en sistemas de transmisión y/o recepción es la mejora de la eficiencia. En los últimos años se ha estudiado y verificado su utilidad en diversos contextos que van desde la mejora de la eficiencia en algunas arquitecturas de transmisión, la capacidad para mejorar condiciones de desadaptación en entornos variables, o la contribución a la reducción de componentes y mejora de la eficiencia en sistemas multi-modo y/o multi-banda. En esta tesis doctoral se van a tratar varios aspectos relacionados con el diseño, caracterización y aplicaciones de este tipo de dispositivos. En un principio, se partirá de una revisión del estado del arte en cuanto a tecnologías de radio frecuencia y redes de adaptación reconfigurables. Inicialmente se presentan las tecnologías más habituales para conseguir reconfigurabilidad en circuitos de RF, esencialmente, diodos PIN, varactores, transistores y MEMS (Micro-Electro-Mechanical System), analizando sus características fundamentales, ventajas, problemas y últimos desarrollos en el mercado. Posteriormente se presenta una revisión del estado del arte centrado en las redes de adaptación reconfigurables en diferentes tecnologías. El estudio y análisis de las figuras de mérito y medida de prestaciones para redes de adaptación reconfigurables constituirá una importante parte en la presente tesis. Utilizando un prototipo de referencia se presentan distintas métricas, discutiendo su viabilidad para medir de manera precisa las prestaciones de este tipo de redes. Una vez definidas las métricas, se presentan diversos diseños y prototipos en diferentes tecnologías, para después presentar un mecanismo de optimización y automatización para redes controladas digitalmente. Por último se estudian diversas aplicaciones de este tipo de redes en sistemas de transmisión y recepción de sistemas móviles. En cuanto a recepción, se presenta un estudio para mejorar la eficiencia general de sistemas basados en el estándar DVB-H. Utilizando redes de adaptación reconfigurables se verificará la mejora en la ganancia realizada en estos sistemas, además de contribuir a la mejora de la relación señal a ruido a la salida del amplificador de bajo ruido. En cuanto a los sistemas de transmisión se presentan diversos mecanismos para mejorar la eficiencia bajo condiciones de carga variable. Se propondrán varias soluciones tanto con el uso de combinadores resistivos como de combinadores no aislados en arquitecturas LINC. Para estos últimos, se presentará un mecanismo basado en un combinador Chireix ajustable que permitirá compensar hasta cierto punto las variaciones en la impedancia de carga. Posteriormente se presentará un sistema de modulación dinámica de carga usando redes de adaptación reconfigurables, y su aplicación para condiciones de carga variable. Finalmente se estudiará el uso de redes de adaptación reconfigurables para la mejora de la sensibilidad en la aplicación de técnicas de predistorsión digital.