Técnicas de calibración para conversores analógico-digital en sistemas de comunicaciones digitales de alta velocidad

Abstract

El constante incremento de velocidad de los sistemas de comunicaciones digi- tales hace necesario implementar circuitos conversores analógico-digitales (ADCs) con frecuencias de muestreo cada vez mayores. Actualmente la topología de ADCs por antonomasia en sistemas de comunicaciones de alta velocidad es la de ADCs de tiempo entrelazado (TI-ADCs). Esta permite alcanzar altas tasas de conver- sión mediante la activación secuencial de múltiples ADCs de baja velocidad y alta eficiencia energética. Sin embargo, las variabilidades estadísticas en los procesos de fabricación, en las condiciones ambientales y el envejecimiento de los componentes introducen desapareamientos entre los sub ADCs de un TI-ADC y entre los diferentes TI- ADCs de los receptores modernos. Estos efectos limitan la velocidad máxima de operación del sistema y reducen la eficiencia del enlace de comunicaciones. Esta situación se torna aún más apremiante en los sistemas de comunicaciones ópticos coherentes donde su elevada complejidad inherente impide la utilización de esque- mas de compensación de desapareamientos que en el pasado fueron exitosamente implementados para sistemas más sencillos. La presente Tesis propone una nueva técnica para la detección y ajuste en segundo plano de los desapareamientos internos de TI-ADCs en receptores pa- ra comunicaciones ópticas coherentes de doble polarización. La técnica también es capaz de corregir las diferencias entre los distintos TI-ADCs de un receptor de forma simultánea. Esta propuesta consiste en una modificación del algoritmo LMS, la cual incorpora backpropagation para estimar la contribución de cada componente del TI-ADC al error de salida del sistema. A partir de dicha esti- mación se realiza la corrección de los desapareamientos de todos los conversores empleando un ecualizador digital o ajustando circuitos re-configurables en el do- minio analógico. La viabilidad de la propuesta se evaluó por medio de simulaciones del sistema de comunicaciones óptico coherente de doble polarización y experimentalmente mediante una plataforma de pruebas y un chip TI-ADC, ambos diseñados y fabricados en el marco de esta Tesis. En el primer caso se formuló un modelo matemático del sistema de comunicaciones que reproduce los efectos no ideales en los canales del receptor y es compatible con la inyección de desapareamientos múltiples en los TI-ADCs. Por otra parte, en las mediciones experimentales se evidenció un mejora de 20 dB en la relación señal-ruido-y-distorsión (SNDR) y 25 dB en el rango dinámico libre de espurios (SFDR) del TI-ADC respecto a los escenarios pre y post-calibración/compensación.

The constant increase in the speed of digital communication systems demands analog-to-digital converters (ADCs) with increasingly higher sampling frequen- cies. Currently, the predominant topology for ADCs in high-speed communica- tion systems is Time-Interleaved ADCs (TI-ADCs). This scheme achieves high conversion rates by sequentially activating multiple low-speed energy-efficient ADCs. However, statistical variabilities in manufacturing processes, environmental conditions, and component aging introduce mismatches between the sub-ADCs of a TI-ADC, as well as among the different TI-ADCs present in modern recei- vers. These effects limit the maximum operating speed of the system and reduce the efficiency of the communication link. This situation becomes even more cri- tical in coherent optical communication systems where their inherent complexity prevents the use of mismatch compensation schemes that were successfully im- plemented for simpler systems in the past. This Thesis proposes a new technique for the real-time detection and correc- tion of impairments in TI-ADCs of coherent dual-polarization optical commu- nications receivers. The technique is also capable of simultaneously correcting mismatches between the different TI-ADCs of a receiver. This proposal consists of a modification of the Least Mean Squares (LMS) algorithm, which incorpo- rates backpropagation to estimate the contribution of each component in the TI-ADC to the system’s output error. Based on this estimation, the correction of mismatches in all converters is performed either using a digital equalizer, or by adjusting reconfigurable circuits in the analog domain. The feasibility of the proposal was evaluated through simulations of the cohe- rent dual-polarization optical communication system and experimentally using a test platform and a TI-ADC chip, both designed and manufactured in the context of this Thesis. In the first case, a mathematical model of the communi- cation system was formulated, which reproduces non-ideal effects in the receiver channels and is compatible with the injection of multiple mismatches into the TI-ADCs. On the other hand, the experimental measurements showed a 20 dB improvement in Signal-to-Noise and Distortion Ratio (SNDR) and a 25 dB im- provement in Spurious-Free Dynamic Range (SFDR) of the TI-ADCs, compared to the pre- and post-calibration/compensation scenarios.