Soporte de redes activas para un servicio integrado de multipunto fiable con control de congestión

Las limitaciones de las tecnologías de red actuales, identificadas en la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzados para la Defensa (DARPA) durante 1995, han originado recientemente una propuesta de modelo de red denominado Redes Activas. En este modelo, los nodos proporcionan un entorno de ejecución sobre el que se ejecuta el código asociado a cada paquete. El objetivo es disponer de una tecnología de red que permita que nuevos servicios de red sean desarrollados e instalados rápidamente sin modificar los nodos de la red. Un servicio de red que se puede beneficiar de esta tecnología es la transmisión de datos en multipunto con diferentes grados fiabilidad. Las propuestas actuales de servicios de multipunto fiable proporcionan una solución específica para cada clase de aplicaciones, y los protocolos existentes extremo a extremo sufren de limitaciones técnicas relacionadas con una fiabilidad limitada, y con la ausencia de mecanismos de control de congestión efectivos. Esta tesis realiza propuestas originales conducentes a solucionar parte de las limitaciones actuales en el ámbito de Redes Activas y multipunto fiable con control de congestión. En primer lugar, se especificará un servicio genérico de multipunto fiable que, basándose en los requisitos de una serie de aplicaciones consideradas relevantes, proporcione diferentes clases de sesiones y grados de fiabilidad. Partiendo de la definición del servicio genérico especificado, se diseñará un protocolo de comunicaciones sobre la tecnología de Redes Activas que proporcione dicho servicio. El protocolo diseñado estará dotado de un mecanismo de control de congestión para que la fuente ajuste dinámicamente el tráfico inyectado a las condiciones de carga de la red. En esta tesis se pretende también profundizar en el estudio y análisis de la tecnología de Redes Activas, experimentando con dicha tecnología para proporcionar una realimentación a sus diseñadores. Dicha experimentación se realizará en tres ámbitos: el de los servicios y protocolos que puede soportar, el del modelo y arquitectura de las Redes Activas y el de las plataformas de ejecución disponibles. Como aportación adicional de este trabajo, se validarán los objetivos anteriores mediante una implementación piloto de las entidades de protocolo y de su interfaz de servicio sobre uno de los entornos de ejecución disponibles. Abstract The limitations of current networking technologies identified in the Defense Advance Research Projects Agency (DARPA) along 1995 have led to a recent proposal of a new network model called Active Networks. In this model, the nodes provide an execution environment over which the code used to process each packet is executed. The objective is a network technology that allows the fast design and deployment of new network services without requiring the modification of the network nodes. One network service that could benefit from this technology is the transmission of multicast data with different types of loss tolerance. The current proposals for reliable multicast services provide specific solutions for each application class, and existing end-to-end protocols suffer from technical drawbacks related to limited reliability and lack of an effective congestion control mechanism. This thesis contains original proposals that aim to solve part of the current drawbacks in the scope of Active Networks and reliable multicast with congestion control. Firstly, a generic reliable multicast network service will be specified. This service will be designed from the requirements of a relevant set of applications, and will provide different session classes and different types of reliability. Then, a network protocol based on Active Network technology will be designed such that it provides the specified network service. This protocol will incorporate a congestion control mechanism capable of performing an automatic adjustment of the traffic injected by the source to the available network capacity. This thesis will also contribute to a deeper study and analysis of Active Network technology, by experimenting with the technology in order to provide feedback to its designers. This experimentation will be done attending to three different scopes: support of Active Network for services and protocols, Active Network model and architecture, and currently available Active Network execution environments. As an additional contribution of this work, the previous objectives will be validated through a prototype implementation of the protocol entities and the service interface based on one of the current execution environments.

Inter-Packet Symbol Approach To Reed-Solomon FEC Codes For RTP-Multimedia Stream Protection

This paper presents an alternative Forward Error Correction scheme, based on Reed-Solomon codes, with the aim of protecting the transmission of RTP-multimedia streams: the inter-packet symbol approach. This scheme is based on an alternative bit structure that allocates each symbol of the Reed-Solomon code in several RTP-media packets. This characteristic permits to exploit better the recovery capability of Reed-Solomon codes against bursty packet losses. The performance of our approach has been studied in terms of encoding/decoding time versus recovery capability, and compared with other proposed schemes in the literature. The theoretical analysis has shown that our approach allows the use of a lower size of the Galois Fields compared to other solutions. This lower size results in a decrease of the required encoding/decoding time while keeping a comparable recovery capability. Finally, experimental results have been carried out to assess the performance of our approach compared to other schemes in a simulated environment, where models for wireless and wireline channels have been considered.

Subjective Evaluation of Transmission Errors in IPTV and 3DTV

The increase of multimedia services delivered over packet-based networks has entailed greater quality expectations of the end-users. This has led to an intensive research on techniques for evaluating the quality of experience perceived by the viewers of audiovisual content, considering the different degradations that it could suffer along the broadcasting system. In this paper, a comprehensive study of the impact of transmission errors affecting video and audio in IPTV is presented. With this aim, subjective assessment tests were carried out proposing a novel methodology trying to keep as close as possible home environment viewing conditions. Also 3DTV content in side-by-side format has been used in the experiments to compare the impact of the degradations. The results provide a better understanding of the effects of transmission errors, and show that the QoE related to the first approach of 3DTV is acceptable, but the visual discomfort that it causes should be reduced.

Subjective assessment of the impact of transmission errors in 3DTV compared to HDTV

Recently, broadcasted 3D video content has reached households with the first generation of 3DTV. However, few studies have been done to analyze the Quality of Experience (QoE) perceived by the end-users in this scenario. This paper studies the impact of trans- mission errors in 3DTV, considering that the video is delivered in side-by-side format over a conventional packet-based network. For this purpose, a novel evaluation methodology based on standard sin- gle stimulus methods and with the aim of keeping as close as pos- sible the home environment viewing conditions has been proposed. The effects of packet losses in monoscopic and stereoscopic videos are compared from the results of subjective assessment tests. Other aspects were also measured concerning 3D content as naturalness, sense of presence and visual fatigue. The results show that although the final perceived QoE is acceptable, some errors cause important binocular rivalry, and therefore, substantial visual discomfort.

Quality of Service (QoS) in MPLS networks

Telecommunications networks have been always expanding and thanks to it, new services have appeared. The old mechanisms for carrying packets have become obsolete due to the new service requirements, which have begun working in real time. Real time traffic requires strict service guarantees. When this traffic is sent through the network, enough resources must be given in order to avoid delays and information losses. When browsing through the Internet and requesting web pages, data must be sent from a server to the user. If during the transmission there is any packet drop, the packet is sent again. For the end user, it does not matter if the webpage loads in one or two seconds more. But if the user is maintaining a conversation with a VoIP program, such as Skype, one or two seconds of delay in the conversation may be catastrophic, and none of them can understand the other. In order to provide support for this new services, the networks have to evolve. For this purpose MPLS and QoS were developed. MPLS is a packet carrying mechanism used in high performance telecommunication networks which directs and carries data using pre-established paths. Now, packets are forwarded on the basis of labels, making this process faster than routing the packets with the IP addresses. MPLS also supports Traffic Engineering (TE). This refers to the process of selecting the best paths for data traffic in order to balance the traffic load between the different links. In a network with multiple paths, routing algorithms calculate the shortest one, and most of the times all traffic is directed through it, causing overload and packet drops, without distributing the packets in the other paths that the network offers and do not have any traffic. But this is not enough in order to provide the real time traffic the guarantees it needs. In fact, those mechanisms improve the network, but they do not make changes in how the traffic is treated. That is why Quality of Service (QoS) was developed. Quality of service is the ability to provide different priority to different applications, users, or data flows, or to guarantee a certain level of performance to a data flow. Traffic is distributed into different classes and each of them is treated differently, according to its Service Level Agreement (SLA). Traffic with the highest priority will have the preference over lower classes, but this does not mean it will monopolize all the resources. In order to achieve this goal, a set policies are defined to control and alter how the traffic flows. Possibilities are endless, and it depends in how the network must be structured. By using those mechanisms it is possible to provide the necessary guarantees to the real-time traffic, distributing it between categories inside the network and offering the best service for both real time data and non real time data. Las Redes de Telecomunicaciones siempre han estado en expansión y han propiciado la aparición de nuevos servicios. Los viejos mecanismos para transportar paquetes se han quedado obsoletos debido a las exigencias de los nuevos servicios, que han comenzado a operar en tiempo real. El tráfico en tiempo real requiere de unas estrictas garantías de servicio. Cuando este tráfico se envía a través de la red, necesita disponer de suficientes recursos para evitar retrasos y pérdidas de información. Cuando se navega por la red y se solicitan páginas web, los datos viajan desde un servidor hasta el usuario. Si durante la transmisión se pierde algún paquete, éste se vuelve a mandar de nuevo. Para el usuario final, no importa si la página tarda uno o dos segundos más en cargar. Ahora bien, si el usuario está manteniendo una conversación usando algún programa de VoIP (como por ejemplo Skype) uno o dos segundos de retardo en la conversación podrían ser catastróficos, y ninguno de los interlocutores sería capaz de entender al otro. Para poder dar soporte a estos nuevos servicios, las redes deben evolucionar. Para este propósito se han concebido MPLS y QoS MPLS es un mecanismo de transporte de paquetes que se usa en redes de telecomunicaciones de alto rendimiento que dirige y transporta los datos de acuerdo a caminos preestablecidos. Ahora los paquetes se encaminan en función de unas etiquetas, lo cual hace que sea mucho más rápido que encaminar los paquetes usando las direcciones IP. MPLS también soporta Ingeniería de Tráfico (TE). Consiste en seleccionar los mejores caminos para el tráfico de datos con el objetivo de balancear la carga entre los diferentes enlaces. En una red con múltiples caminos, los algoritmos de enrutamiento actuales calculan el camino más corto, y muchas veces el tráfico se dirige sólo por éste, saturando el canal, mientras que otras rutas se quedan completamente desocupadas. Ahora bien, esto no es suficiente para ofrecer al tráfico en tiempo real las garantías que necesita. De hecho, estos mecanismos mejoran la red, pero no realizan cambios a la hora de tratar el tráfico. Por esto es por lo que se ha desarrollado el concepto de Calidad de Servicio (QoS). La calidad de servicio es la capacidad para ofrecer diferentes prioridades a las diferentes aplicaciones, usuarios o flujos de datos, y para garantizar un cierto nivel de rendimiento en un flujo de datos. El tráfico se distribuye en diferentes clases y cada una de ellas se trata de forma diferente, de acuerdo a las especificaciones que se indiquen en su Contrato de Tráfico (SLA). EL tráfico con mayor prioridad tendrá preferencia sobre el resto, pero esto no significa que acapare la totalidad de los recursos. Para poder alcanzar estos objetivos se definen una serie de políticas para controlar y alterar el comportamiento del tráfico. Las posibilidades son inmensas dependiendo de cómo se quiera estructurar la red. Usando estos mecanismos se pueden proporcionar las garantías necesarias al tráfico en tiempo real, distribuyéndolo en categorías dentro de la red y ofreciendo el mejor servicio posible tanto a los datos en tiempo real como a los que no lo son.

Transmission of digital chaotic and information-bearing signals in optical communication systems

A new proposal to have secure communications in a system is reported. The basis is the use of a synchronized digital chaotic systems, sending the information signal added to an initial chaos. The received signal is analyzed by another chaos generator located at the receiver and, by a logic boolean function of the chaotic and the received signals, the original information is recovered. One of the most important facts of this system is that the bandwidth needed by the system remain the same with and without chaos.

Optically programmable logic cells as basic units for transmission and synchronization of chaotic signals

We proposed an optical communications system, based on a digital chaotic signal where the synchronization of chaos was the main objective, in some previous papers. In this paper we will extend this work. A way to add the digital data signal to be transmitted onto the chaotic signal and its correct reception, is the main objective. We report some methods to study the main characteristics of the resulting signal. The main problem with any real system is the presence of some retard between the times than the signal is generated at the emitter at the time when this signal is received. Any system using chaotic signals as a method to encrypt need to have the same characteristics in emitter and receiver. It is because that, this control of time is needed. A method to control, in real time the chaotic signals, is reported.

Beyond filtered backprojection: a reconstruction software package for ion beam microtomography data

A new version of the TomoRebuild data reduction software package is presented, for the reconstruction of scanning transmission ion microscopy tomography (STIMT) and particle induced X-ray emission tomography (PIXET) images. First, we present a state of the art of the reconstruction codes available for ion beam microtomography. The algorithm proposed here brings several advantages. It is a portable, multi-platform code, designed in C++ with well-separated classes for easier use and evolution. Data reduction is separated in different steps and the intermediate results may be checked if necessary. Although no additional graphic library or numerical tool is required to run the program as a command line, a user friendly interface was designed in Java, as an ImageJ plugin. All experimental and reconstruction parameters may be entered either through this plugin or directly in text format files. A simple standard format is proposed for the input of experimental data. Optional graphic applications using the ROOT interface may be used separately to display and fit energy spectra. Regarding the reconstruction process, the filtered backprojection (FBP) algorithm, already present in the previous version of the code, was optimized so that it is about 10 times as fast. In addition, Maximum Likelihood Expectation Maximization (MLEM) and its accelerated version Ordered Subsets Expectation Maximization (OSEM) algorithms were implemented. A detailed user guide in English is available. A reconstruction example of experimental data from a biological sample is given. It shows the capability of the code to reduce noise in the sinograms and to deal with incomplete data, which puts a new perspective on tomography using low number of projections or limited angle.

Logic cells as basic structures to add/drop WDM information signals

Nowadays, in order to take advantage of fiber optic bandwidth, any optical communications system tends to be WDM. The way to extract a channel, characterized by a wavelength, from the optical fiber is to filter the specific wavelength. This gives the systems a low degree of freedom due to the fact of the static character of most of the employed devices. In this paper we will present a different way to extract channels from an optical fiber with WDM transmission. The employed method is based on an Optically Programmable Logic Cells (OPLC) previously published by us, for other applications as a chaotic generator or as basic element for optical computing. In this paper we will describe the configuration of the OPLC to be employed as a dropping device. It acts as a filter because it will extract the data carried by a concrete wavelength. It does depend, internally, on the wavelength. We will show how the intensity of the signal is able to select the chosen information from the line. It will be also demonstrated that a new idea of redundant information it is the way of selecting the concrete wavelength. As a matter of fact this idea is apparently the only way to use the OPLC as a dropping device. Moreover, based on these concepts, a similar way to route signals to different routes is reported. The basis is the use of photonic switching configurations, namely Batcher or Bayan structures, where the unit switching cells are the above indicated OPLCs.

Boolean logic device done with DFB laser diode

We present simulation results on how power output-input characteristic Instability in Distributed FeedBack -DFB semiconductor laser diode SLA can be employed to implemented Boolean logic device. Two configurations of DFB Laser diode under external optical injection, either in the transmission or in the reflective mode of operation, is used to implement different Optical Logic Cells (OLCs), called the Q- and the P-Device OLCs. The external optical injection correspond to two inputs data plus a cw control signal that allows to choose the Boolean logic function to be implement. DFB laser diode parameters are choosing to obtain an output-input characteristic with the values desired. The desired values are mainly the on-off contrast and switching power, conforming shape of hysteretic cycle. Two DFB lasers in cascade, one working in transmission operation and the other one in reflective operation, allows designing an inputoutput characteristic based on the same respond of a self-electrooptic effect device is obtained. Input power for a bit'T' is 35 uW(70uW) and a bit "0" is zero for all the Boolean function to be execute. Device control signal range to choose the logic function is 0-140 uW (280 uW). Q-device (P-device)

Monitoring packet loss impact in IPTV and 3DTV receivers

Considering a scalable video quality monitoring architecture to detect transmission errors at households, we propose a technique to detect packet losses in IPTV and Side-by-Side 3DTV and evaluate their impact on the perceived quality.

Wide bandwidth envelope trackers with reduced switching frequency for RF power amplifier

El requerimiento de proveer alta frecuencia de datos en los modernos sistema de comunicación inalámbricos resulta en complejas señales moduladas de radio-frequencia (RF) con un gran ancho de banda y alto ratio pico-promedio (PAPR). Para garantizar la linealidad del comportamiento, los amplificadores lineales de potencia comunes funcionan típicamente entre 4 y 10 dB de back-o_ desde la máxima potencia de salida, ocasionando una baja eficiencia del sistema. La eliminación y restauración de la evolvente (EER) y el seguimiento de la evolvente (ET) son dos prometedoras técnicas para resolver el problema de la eficiencia. Tanto en EER como en ET, es complicado diseñar un amplificador de potencia que sea eficiente para señales de RF de alto ancho de banda y alto PAPR. Una propuesta común para los amplificadores de potencia es incluir un convertidor de potencia de muy alta eficiencia operando a frecuencias más altas que el ancho de banda de la señal RF. En este caso, la potencia perdida del convertidor ocasionado por la alta frecuencia desaconseja su práctica cuando el ancho de banda es muy alto. La solución a este problema es el enfoque de esta disertación que presenta dos arquitecturas de amplificador evolvente: convertidor híbrido-serie con una técnica de evolvente lenta y un convertidor multinivel basado en un convertidor reductor multifase con control de tiempo mínimo. En la primera arquitectura, una topología híbrida está compuesta de una convertidor reductor conmutado y un regulador lineal en serie que trabajan juntos para ajustar la tensión de salida para seguir a la evolvente con precisión. Un algoritmo de generación de una evolvente lenta crea una forma de onda con una pendiente limitada que es menor que la pendiente máxima de la evolvente original. La salida del convertidor reductor sigue esa forma de onda en vez de la evolvente original usando una menor frecuencia de conmutación, porque la forma de onda no sólo tiene una pendiente reducida sino también un menor ancho de banda. De esta forma, el regulador lineal se usa para filtrar la forma de onda tiene una pérdida de potencia adicional. Dependiendo de cuánto se puede reducir la pendiente de la evolvente para producir la forma de onda, existe un trade-off entre la pérdida de potencia del convertidor reductor relacionada con la frecuencia de conmutación y el regulador lineal. El punto óptimo referido a la menor pérdida de potencia total del amplificador de evolvente es capaz de identificarse con la ayuda de modelo preciso de pérdidas que es una combinación de modelos comportamentales y analíticos de pérdidas. Además, se analiza el efecto en la respuesta del filtro de salida del convertidor reductor. Un filtro de dampeo paralelo extra es necesario para eliminar la oscilación resonante del filtro de salida porque el convertidor reductor opera en lazo abierto. La segunda arquitectura es un amplificador de evolvente de seguimiento de tensión multinivel. Al contrario que los convertidores que usan multi-fuentes, un convertidor reductor multifase se emplea para generar la tensión multinivel. En régimen permanente, el convertidor reductor opera en puntos del ciclo de trabajo con cancelación completa del rizado. El número de niveles de tensión es igual al número de fases de acuerdo a las características del entrelazamiento del convertidor reductor. En la transición, un control de tiempo mínimo (MTC) para convertidores multifase es novedosamente propuesto y desarrollado para cambiar la tensión de salida del convertidor reductor entre diferentes niveles. A diferencia de controles convencionales de tiempo mínimo para convertidores multifase con inductancia equivalente, el propuesto MTC considera el rizado de corriente por cada fase basado en un desfase fijo que resulta en diferentes esquemas de control entre las fases. La ventaja de este control es que todas las corrientes vuelven a su fase en régimen permanente después de la transición para que la siguiente transición pueda empezar muy pronto, lo que es muy favorable para la aplicación de seguimiento de tensión multinivel. Además, el control es independiente de la carga y no es afectado por corrientes de fase desbalanceadas. Al igual que en la primera arquitectura, hay una etapa lineal con la misma función, conectada en serie con el convertidor reductor multifase. Dado que tanto el régimen permanente como el estado de transición del convertidor no están fuertemente relacionados con la frecuencia de conmutación, la frecuencia de conmutación puede ser reducida para el alto ancho de banda de la evolvente, la cual es la principal consideración de esta arquitectura. La optimización de la segunda arquitectura para más alto anchos de banda de la evolvente es presentada incluyendo el diseño del filtro de salida, la frecuencia de conmutación y el número de fases. El área de diseño del filtro está restringido por la transición rápida y el mínimo pulso del hardware. La rápida transición necesita un filtro pequeño pero la limitación del pulso mínimo del hardware lleva el diseño en el sentido contrario. La frecuencia de conmutación del convertidor afecta principalmente a la limitación del mínimo pulso y a las pérdidas de potencia. Con una menor frecuencia de conmutación, el ancho de pulso en la transición es más pequeño. El número de fases relativo a la aplicación específica puede ser optimizado en términos de la eficiencia global. Otro aspecto de la optimización es mejorar la estrategia de control. La transición permite seguir algunas partes de la evolvente que son más rápidas de lo que el hardware puede soportar al precio de complejidad. El nuevo método de sincronización de la transición incrementa la frecuencia de la transición, permitiendo que la tensión multinivel esté más cerca de la evolvente. Ambas estrategias permiten que el convertidor pueda seguir una evolvente con un ancho de banda más alto que la limitación de la etapa de potencia. El modelo de pérdidas del amplificador de evolvente se ha detallado y validado mediante medidas. El mecanismo de pérdidas de potencia del convertidor reductor tiene que incluir las transiciones en tiempo real, lo cual es diferente del clásico modelos de pérdidas de un convertidor reductor síncrono. Este modelo estima la eficiencia del sistema y juega un papel muy importante en el proceso de optimización. Finalmente, la segunda arquitectura del amplificador de evolvente se integra con el amplificador de clase F. La medida del sistema EER prueba el ahorro de energía con el amplificador de evolvente propuesto sin perjudicar la linealidad del sistema. ABSTRACT The requirement of delivering high data rates in modern wireless communication systems results in complex modulated RF signals with wide bandwidth and high peak-to-average ratio (PAPR). In order to guarantee the linearity performance, the conventional linear power amplifiers typically work at 4 to 10 dB back-off from the maximum output power, leading to low system efficiency. The envelope elimination and restoration (EER) and envelope tracking (ET) are two promising techniques to overcome the efficiency problem. In both EER and ET, it is challenging to design efficient envelope amplifier for wide bandwidth and high PAPR RF signals. An usual approach for envelope amplifier includes a high-efficiency switching power converter operating at a frequency higher than the RF signal's bandwidth. In this case, the power loss of converter caused by high switching operation becomes unbearable for system efficiency when signal bandwidth is very wide. The solution of this problem is the focus of this dissertation that presents two architectures of envelope amplifier: a hybrid series converter with slow-envelope technique and a multilevel converter based on a multiphase buck converter with the minimum time control. In the first architecture, a hybrid topology is composed of a switched buck converter and a linear regulator in series that work together to adjust the output voltage to track the envelope with accuracy. A slow envelope generation algorithm yields a waveform with limited slew rate that is lower than the maximum slew rate of the original envelope. The buck converter's output follows this waveform instead of the original envelope using lower switching frequency, because the waveform has not only reduced slew rate but also reduced bandwidth. In this way, the linear regulator used to filter the waveform has additional power loss. Depending on how much reduction of the slew rate of envelope in order to obtain that waveform, there is a trade-off between the power loss of buck converter related to the switching frequency and the power loss of linear regulator. The optimal point referring to the lowest total power loss of this envelope amplifier is identified with the help of a precise power loss model that is a combination of behavioral and analytic loss model. In addition, the output filter's effect on the response is analyzed. An extra parallel damping filter is needed to eliminate the resonant oscillation of output filter L and C, because the buck converter operates in open loop. The second architecture is a multilevel voltage tracking envelope amplifier. Unlike the converters using multi-sources, a multiphase buck converter is employed to generate the multilevel voltage. In the steady state, the buck converter operates at complete ripple cancellation points of duty cycle. The number of the voltage levels is equal to the number of phases according the characteristics of interleaved buck converter. In the transition, a minimum time control (MTC) for multiphase converter is originally proposed and developed for changing the output voltage of buck converter between different levels. As opposed to conventional minimum time control for multiphase converter with equivalent inductance, the proposed MTC considers the current ripple of each phase based on the fixed phase shift resulting in different control schemes among the phases. The advantage of this control is that all the phase current return to the steady state after the transition so that the next transition can be triggered very soon, which is very favorable for the application of multilevel voltage tracking. Besides, the control is independent on the load condition and not affected by the unbalance of phase current. Like the first architecture, there is also a linear stage with the same function, connected in series with the multiphase buck converter. Since both steady state and transition state of the converter are not strongly related to the switching frequency, it can be reduced for wide bandwidth envelope which is the main consideration of this architecture. The optimization of the second architecture for wider bandwidth envelope is presented including the output filter design, switching frequency and the number of phases. The filter design area is restrained by fast transition and the minimum pulse of hardware. The fast transition needs small filter but the minimum pulse of hardware limitation pushes the filter in opposite way. The converter switching frequency mainly affects the minimum pulse limitation and the power loss. With lower switching frequency, the pulse width in the transition is smaller. The number of phases related to specific application can be optimized in terms of overall efficiency. Another aspect of optimization is improving control strategy. Transition shift allows tracking some parts of envelope that are faster than the hardware can support at the price of complexity. The new transition synchronization method increases the frequency of transition, allowing the multilevel voltage to be closer to the envelope. Both control strategies push the converter to track wider bandwidth envelope than the limitation of power stage. The power loss model of envelope amplifier is detailed and validated by measurements. The power loss mechanism of buck converter has to include the transitions in real time operation, which is different from classical power loss model of synchronous buck converter. This model estimates the system efficiency and play a very important role in optimization process. Finally, the second envelope amplifier architecture is integrated with a Class F amplifier. EER system measurement proves the power saving with the proposed envelope amplifier without disrupting the linearity performance.

High Efficiency Envelope Amplifier based on a Ripple Cancellation Buck Converter. Design, Optimization and Integration in an EER RFPA

Durante los últimos años la tendencia en el sector de las telecomunicaciones ha sido un aumento y diversificación en la transmisión de voz, video y fundamentalmente de datos. Para conseguir alcanzar las tasas de transmisión requeridas, los nuevos estándares de comunicaciones requieren un mayor ancho de banda y tienen un mayor factor de pico, lo cual influye en el bajo rendimiento del amplificador de radiofrecuencia (RFPA). Otro factor que ha influido en el bajo rendimiento es el diseño del amplificador de radiofrecuencia. Tradicionalmente se han utilizado amplificadores lineales por su buen funcionamiento. Sin embargo, debido al elevado factor de pico de las señales transmitidas, el rendimiento de este tipo de amplificadores es bajo. El bajo rendimiento del sistema conlleva desventajas adicionales como el aumento del coste y del tamaño del sistema de refrigeración, como en el caso de una estación base, o como la reducción del tiempo de uso y un mayor calentamiento del equipo para sistemas portátiles alimentados con baterías. Debido a estos factores, se han desarrollado durante las últimas décadas varias soluciones para aumentar el rendimiento del RFPA como la técnica de Outphasing, combinadores de potencia o la técnica de Doherty. Estas soluciones mejoran las prestaciones del RFPA y en algún caso han sido ampliamente utilizados comercialmente como la técnica de Doherty, que alcanza rendimientos hasta del 50% para el sistema completo para anchos de banda de hasta 20MHz. Pese a las mejoras obtenidas con estas soluciones, los mayores rendimientos del sistema se obtienen para soluciones basadas en la modulación de la tensión de alimentación del amplificador de potencia como “Envelope Tracking” o “EER”. La técnica de seguimiento de envolvente o “Envelope Tracking” está basada en la modulación de la tensión de alimentación de un amplificador lineal de potencia para obtener una mejora en el rendimiento en el sistema comparado a una solución con una tensión de alimentación constante. Para la implementación de esta técnica se necesita una etapa adicional, el amplificador de envolvente, que añade complejidad al amplificador de radiofrecuencia. En un amplificador diseñado con esta técnica, se aumentan las pérdidas debido a la etapa adicional que supone el amplificador de envolvente pero a su vez disminuyen las pérdidas en el amplificador de potencia. Si el diseño se optimiza adecuadamente, puede conseguirse un aumento global en el rendimiento del sistema superior al conseguido con las técnicas mencionadas anteriormente. Esta técnica presenta ventajas en el diseño del amplificador de envolvente, ya que el ancho de banda requerido puede ser menor que el ancho de banda de la señal de envolvente si se optimiza adecuadamente el diseño. Adicionalmente, debido a que la sincronización entre la señal de envolvente y de fase no tiene que ser perfecta, el proceso de integración conlleva ciertas ventajas respecto a otras técnicas como EER. La técnica de eliminación y restauración de envolvente, llamada EER o técnica de Kahn está basada en modulación simultánea de la envolvente y la fase de la señal usando un amplificador de potencia conmutado, no lineal y que permite obtener un elevado rendimiento. Esta solución fue propuesta en el año 1952, pero no ha sido implementada con éxito durante muchos años debido a los exigentes requerimientos en cuanto a la sincronización entre fase y envolvente, a las técnicas de control y de corrección de los errores y no linealidades de cada una de las etapas así como de los equipos para poder implementar estas técnicas, que tienen unos requerimientos exigentes en capacidad de cálculo y procesamiento. Dentro del diseño de un RFPA, el amplificador de envolvente tiene una gran importancia debido a su influencia en el rendimiento y ancho de banda del sistema completo. Adicionalmente, la linealidad y la calidad de la señal de transmitida deben ser elevados para poder cumplir con los diferentes estándares de telecomunicaciones. Esta tesis se centra en el amplificador de envolvente y el objetivo principal es el desarrollo de soluciones que permitan el aumento del rendimiento total del sistema a la vez que satisfagan los requerimientos de ancho de banda, calidad de la señal transmitida y de linealidad. Debido al elevado rendimiento que potencialmente puede alcanzarse con la técnica de EER, esta técnica ha sido objeto de análisis y en el estado del arte pueden encontrarse numerosas referencias que analizan el diseño y proponen diversas implementaciones. En una clasificación de alto nivel, podemos agrupar las soluciones propuestas del amplificador de envolvente según estén compuestas de una o múltiples etapas. Las soluciones para el amplificador de envolvente en una configuración multietapa se basan en la combinación de un convertidor conmutado, de elevado rendimiento con un regulador lineal, de alto ancho de banda, en una combinación serie o paralelo. Estas soluciones, debido a la combinación de las características de ambas etapas, proporcionan un buen compromiso entre rendimiento y buen funcionamiento del amplificador de RF. Por otro lado, la complejidad del sistema aumenta debido al mayor número de componentes y de señales de control necesarias y el aumento de rendimiento que se consigue con estas soluciones es limitado. Una configuración en una etapa tiene las ventajas de una mayor simplicidad, pero debido al elevado ancho de banda necesario, la frecuencia de conmutación debe aumentarse en gran medida. Esto implicará un bajo rendimiento y un peor funcionamiento del amplificador de envolvente. En el estado del arte pueden encontrarse diversas soluciones para un amplificador de envolvente en una etapa, como aumentar la frecuencia de conmutación y realizar la implementación en un circuito integrado, que tendrá mejor funcionamiento a altas frecuencias o utilizar técnicas topológicas y/o filtros de orden elevado, que permiten una reducción de la frecuencia de conmutación. En esta tesis se propone de manera original el uso de la técnica de cancelación de rizado, aplicado al convertidor reductor síncrono, para reducir la frecuencia de conmutación comparado con diseño equivalente del convertidor reductor convencional. Adicionalmente se han desarrollado dos variantes topológicas basadas en esta solución para aumentar la robustez y las prestaciones de la misma. Otro punto de interés en el diseño de un RFPA es la dificultad de poder estimar la influencia de los parámetros de diseño del amplificador de envolvente en el amplificador final integrado. En esta tesis se ha abordado este problema y se ha desarrollado una herramienta de diseño que permite obtener las principales figuras de mérito del amplificador integrado para la técnica de EER a partir del diseño del amplificador de envolvente. Mediante el uso de esta herramienta pueden validarse el efecto del ancho de banda, el rizado de tensión de salida o las no linealidades del diseño del amplificador de envolvente para varias modulaciones digitales. Las principales contribuciones originales de esta tesis son las siguientes: La aplicación de la técnica de cancelación de rizado a un convertidor reductor síncrono para un amplificador de envolvente de alto rendimiento para un RFPA linealizado mediante la técnica de EER. Una reducción del 66% en la frecuencia de conmutación, comparado con el reductor convencional equivalente. Esta reducción se ha validado experimentalmente obteniéndose una mejora en el rendimiento de entre el 12.4% y el 16% para las especificaciones de este trabajo. La topología y el diseño del convertidor reductor con dos redes de cancelación de rizado en cascada para mejorar el funcionamiento y robustez de la solución con una red de cancelación. La combinación de un convertidor redactor multifase con la técnica de cancelación de rizado para obtener una topología que proporciona una reducción del cociente entre frecuencia de conmutación y ancho de banda de la señal. El proceso de optimización del control del amplificador de envolvente en lazo cerrado para mejorar el funcionamiento respecto a la solución en lazo abierto del convertidor reductor con red de cancelación de rizado. Una herramienta de simulación para optimizar el proceso de diseño del amplificador de envolvente mediante la estimación de las figuras de mérito del RFPA, implementado mediante EER, basada en el diseño del amplificador de envolvente. La integración y caracterización del amplificador de envolvente basado en un convertidor reductor con red de cancelación de rizado en el transmisor de radiofrecuencia completo consiguiendo un elevado rendimiento, entre 57% y 70.6% para potencias de salida de 14.4W y 40.7W respectivamente. Esta tesis se divide en seis capítulos. El primer capítulo aborda la introducción enfocada en la aplicación, los amplificadores de potencia de radiofrecuencia, así como los principales problemas, retos y soluciones existentes. En el capítulo dos se desarrolla el estado del arte de amplificadores de potencia de RF, describiéndose las principales técnicas de diseño, las causas de no linealidad y las técnicas de optimización. El capítulo tres está centrado en las soluciones propuestas para el amplificador de envolvente. El modo de control se ha abordado en este capítulo y se ha presentado una optimización del diseño en lazo cerrado para el convertidor reductor convencional y para el convertidor reductor con red de cancelación de rizado. El capítulo cuatro se centra en el proceso de diseño del amplificador de envolvente. Se ha desarrollado una herramienta de diseño para evaluar la influencia del amplificador de envolvente en las figuras de mérito del RFPA. En el capítulo cinco se presenta el proceso de integración realizado y las pruebas realizadas para las diversas modulaciones, así como la completa caracterización y análisis del amplificador de RF. El capítulo seis describe las principales conclusiones de la tesis y las líneas futuras. ABSTRACT The trend in the telecommunications sector during the last years follow a high increase in the transmission rate of voice, video and mainly in data. To achieve the required levels of data rates, the new modulation standards demand higher bandwidths and have a higher peak to average power ratio (PAPR). These specifications have a direct impact in the low efficiency of the RFPA. An additional factor for the low efficiency of the RFPA is in the power amplifier design. Traditionally, linear classes have been used for the implementation of the power amplifier as they comply with the technical requirements. However, they have a low efficiency, especially in the operating range of signals with a high PAPR. The low efficiency of the transmitter has additional disadvantages as an increase in the cost and size as the cooling system needs to be increased for a base station and a temperature increase and a lower use time for portable devices. Several solutions have been proposed in the state of the art to improve the efficiency of the transmitter as Outphasing, power combiners or Doherty technique. However, the highest potential of efficiency improvement can be obtained using a modulated power supply for the power amplifier, as in the Envelope Tracking and EER techniques. The Envelope Tracking technique is based on the modulation of the power supply of a linear power amplifier to improve the overall efficiency compared to a fixed voltage supply. In the implementation of this technique an additional stage is needed, the envelope amplifier, that will increase the complexity of the RFPA. However, the efficiency of the linear power amplifier will increase and, if designed properly, the RFPA efficiency will be improved. The advantages of this technique are that the envelope amplifier design does not require such a high bandwidth as the envelope signal and that in the integration process a perfect synchronization between envelope and phase is not required. The Envelope Elimination and Restoration (EER) technique, known also as Kahn’s technique, is based on the simultaneous modulation of envelope and phase using a high efficiency switched power amplifier. This solution has the highest potential in terms of the efficiency improvement but also has the most challenging specifications. This solution, proposed in 1952, has not been successfully implemented until the last two decades due to the high demanding requirements for each of the stages as well as for the highly demanding processing and computation capabilities needed. At the system level, a very precise synchronization is required between the envelope and phase paths to avoid a linearity decrease of the system. Several techniques are used to compensate the non-linear effects in amplitude and phase and to improve the rejection of the out of band noise as predistortion, feedback and feed-forward. In order to obtain a high bandwidth and efficient RFPA using either ET or EER, the envelope amplifier stage will have a critical importance. The requirements for this stage are very demanding in terms of bandwidth, linearity and quality of the transmitted signal. Additionally the efficiency should be as high as possible, as the envelope amplifier has a direct impact in the efficiency of the overall system. This thesis is focused on the envelope amplifier stage and the main objective will be the development of high efficiency envelope amplifier solutions that comply with the requirements of the RFPA application. The design and optimization of an envelope amplifier for a RFPA application is a highly referenced research topic, and many solutions that address the envelope amplifier and the RFPA design and optimization can be found in the state of the art. From a high level classification, multiple and single stage envelope amplifiers can be identified. Envelope amplifiers for EER based on multiple stage architecture combine a linear assisted stage and a switched-mode stage, either in a series or parallel configuration, to achieve a very high performance RFPA. However, the complexity of the system increases and the efficiency improvement is limited. A single-stage envelope amplifier has the advantage of a lower complexity but in order to achieve the required bandwidth the switching frequency has to be highly increased, and therefore the performance and the efficiency are degraded. Several techniques are used to overcome this limitation, as the design of integrated circuits that are capable of switching at very high rates or the use of topological solutions, high order filters or a combination of both to reduce the switching frequency requirements. In this thesis it is originally proposed the use of the ripple cancellation technique, applied to a synchronous buck converter, to reduce the switching frequency requirements compared to a conventional buck converter for an envelope amplifier application. Three original proposals for the envelope amplifier stage, based on the ripple cancellation technique, are presented and one of the solutions has been experimentally validated and integrated in the complete amplifier, showing a high total efficiency increase compared to other solutions of the state of the art. Additionally, the proposed envelope amplifier has been integrated in the complete RFPA achieving a high total efficiency. The design process optimization has also been analyzed in this thesis. Due to the different figures of merit between the envelope amplifier and the complete RFPA it is very difficult to obtain an optimized design for the envelope amplifier. To reduce the design uncertainties, a design tool has been developed to provide an estimation of the RFPA figures of merit based on the design of the envelope amplifier. The main contributions of this thesis are: The application of the ripple cancellation technique to a synchronous buck converter for an envelope amplifier application to achieve a high efficiency and high bandwidth EER RFPA. A 66% reduction of the switching frequency, validated experimentally, compared to the equivalent conventional buck converter. This reduction has been reflected in an improvement in the efficiency between 12.4% and 16%, validated for the specifications of this work. The synchronous buck converter with two cascaded ripple cancellation networks (RCNs) topology and design to improve the robustness and the performance of the envelope amplifier. The combination of a phase-shifted multi-phase buck converter with the ripple cancellation technique to improve the envelope amplifier switching frequency to signal bandwidth ratio. The optimization of the control loop of an envelope amplifier to improve the performance of the open loop design for the conventional and ripple cancellation buck converter. A simulation tool to optimize the envelope amplifier design process. Using the envelope amplifier design as the input data, the main figures of merit of the complete RFPA for an EER application are obtained for several digital modulations. The successful integration of the envelope amplifier based on a RCN buck converter in the complete RFPA obtaining a high efficiency integrated amplifier. The efficiency obtained is between 57% and 70.6% for an output power of 14.4W and 40.7W respectively. The main figures of merit for the different modulations have been characterized and analyzed. This thesis is organized in six chapters. In Chapter 1 is provided an introduction of the RFPA application, where the main problems, challenges and solutions are described. In Chapter 2 the technical background for radiofrequency power amplifiers (RF) is presented. The main techniques to implement an RFPA are described and analyzed. The state of the art techniques to improve performance of the RFPA are identified as well as the main sources of no-linearities for the RFPA. Chapter 3 is focused on the envelope amplifier stage. The three different solutions proposed originally in this thesis for the envelope amplifier are presented and analyzed. The control stage design is analyzed and an optimization is proposed both for the conventional and the RCN buck converter. Chapter 4 is focused in the design and optimization process of the envelope amplifier and a design tool to evaluate the envelope amplifier design impact in the RFPA is presented. Chapter 5 shows the integration process of the complete amplifier. Chapter 6 addresses the main conclusions of the thesis and the future work.