Fourier-domain data-converters : new concepts for high data rate wireless transmitter systems

Hanay, Oner; Negra, Renato (Thesis advisor); Ascheid, Gerd (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Der steigende Bedarf an hohen Modulationsbreiten treibt die aktuellen Mobilfunkstandards in Richtung mmW-Frequenzen. Selbst bei diesen Frequenzen ist eine hohe spektrale Effizienz entscheidend, um die verfügbare Kanalkapazität voll auszunutzen. Moderne Sender (Tx)-Topologien stehen vor Herausforderungen, wenn sie für hohe Modulationsbandbreiten im Bereich von mehreren Gigahertz eingesetzt werden. Aufgrund des serialisierten Hochgeschwindigkeitsdatenstroms erfordert die digitale Signalverarbeitung extrem hohe Abtastraten für die spektrale Formung durch Oversampling und FIR-Filterung, was eine praktische technologische Begrenzung darstellt. Außerdem findet auch die Digital-Analog-Wandlung bei dieser hohen Abtastrate statt. Um diese grundlegenden Herausforderungen zu meistern, sind fortschrittlichere und teurere CMOS-Prozesse erforderlich. Außerdem sind hohe Abtastraten mit einem hohen Stromverbrauch und komplexeren Schaltungen verbunden. Da die 5G- und darüber hinausgehende Kommunikation auf eine deutlich erhöhte Datenrate von bis zu 1Tbit/s abzielt, kann sich die Entwicklung nicht primär auf technologische Fortschritte stützen, auch weil die CMOS-Skalierung dem Ende zugeht. Innovationen sowohl auf konzeptioneller als auch auf architektonischer Ebene sind daher notwendig, um die ambitionierten Ziele zu erreichen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein spezielles Datenwandlerkonzept einzuführen, den Fourier-Domain-Digital-Analog-Wandler (FDDAC), der in einer neuartigen Tx-Architektur demonstriert wird, um die Einschränkungen und Flaschenhälse in der analogen und digitalen Domäne in typischen Txs zu überwinden. Das FDDAC-Konzept nutzt die Beziehung zwischen der zeitdiskreten und der inversen zeitkontinuierlichen Fourier-Transformation aus, um eine große Modulationsbandbreite bei praktisch jeder Frequenz zu erzeugen und gleichzeitig die Abtastrate des DSP und der Datenwandler um bis zu zwei Größenordnungen zu reduzieren. Gleichzeitig bietet der FDDAC ohne zusätzliche digitale und analoge Filterung ein inhärentes Spectral Shaping. Im vorgeschlagenen FDDAC-basierten Tx arbeiten die gesamte Signalverarbeitung und die Analog-/Mixed-Signal-Schaltungen weit entfernt von den heutigen technologischen Grenzen und bieten gleichzeitig sehr große Modulationsbandbreiten, d.h. im Bereich von mehreren Gigahertz. Dies macht das vorgeschlagene Konzept zu einer Grundlagentechnologie für zukünftige drahtgebundene und drahtlose Kommunikation mit extrem hohen Datenraten. Der vorgeschlagene Datenumwandlungsansatz wird gründlich analysiert und in einem Senderprototyp eingesetzt, der modelliert wird, um seine Fähigkeiten und Grenzen zu verstehen. Ein erster Prototyp zur Laborvalidierung wird auf der Basis von kommerziell erhältlichen diskreten Standardkomponenten implementiert, der eine Modulationsbandbreite von bis zu 100 MHz bei einer maximalen Abtastrate von 25 MSps und damit 400 Mbit/s erreicht. Basierend auf den gewonnenen praktischen Erfahrungen werden drei integrierte Sender in einer 65nm CMOS-Technologie implementiert. Aufgrund der architektonischen Fortschritte, die durch die FDDAC-Technik eingeführt wurden, wird eine Modulationsbandbreite von bis zu 2GHz angestrebt, während die höchste Abtastrate im Tx 250MSps beträgt. Somit ist der komplette DSP einschließlich Pseudo-Zufallsbit-Generierung, Modulation, FFT-Berechnungen und Spektralformung zusammen mit den I/Q-Sendekernen und den Phasorton-Synthesizern auf einem einzigen Chip integriert. Die I/Q-Sendekerne sind in den ersten beiden Design-Iterationen auf Basis von 8bit I/Q-RFDACs implementiert, während das dritte Design stromsparende 9bit I/Q-DACs, passive Mischer und Ausgangsverstärkerpuffer enthält, die eine um 18dB höhere Ausgangsleistung bei reduziertem Stromverbrauch und erhöhter Signalqualität ermöglichen. Die implementierten Tx verbessern iterativ die gezeigte Datenrate von 2 auf 8 Gbit/s bei gleichzeitiger Reduzierung des Stromverbrauchs um den Faktor 2 pro Iteration. Die gemessenen EVM-Werte liegen bei 7,2 % und 11,8 % für ein 1 und 2 GHz QPSK-Signal, während sie 9,6 % und 13,9 % für das 1 und 2 GHz breite 16QAM-Signal betragen. Das generierte Sendesignal hält die im IEEE WiGig-Standard definierte spektrale Maske vollständig ein und übertrifft die definierte Modulationsbandbreite um 14 %. Darüber hinaus wird dieselbe Hardware verwendet, um eine Vielzahl von gleichzeitig arbeitenden konventionellen Tx zu ersetzen, was durch die Erzeugung von 16 modulierten 31,25MHz-Signalen mit konstantem Frequenzabstand demonstriert wird. Die gemessenen EVM-Werte liegen bei nur 2,2 % bzw. 2,5 % für QPSK- und 16QAM-modulierte Signale. Schließlich werden zwei mmW-Aufwärtswandlungsmischer in derselben 65-nm-CMOS-Technologie implementiert, die eine hervorragende Umwandlungsverstärkung und Betriebsbandbreite zeigen, die es ermöglichen, den Ausgang der implementierten Sender in die 5G 28GHz- und 60GHz-ISM-Bänder zu verschieben. Die vorgeschlagene Senderarchitektur hat das Potenzial, eine Vielzahl von Sendern in mobilen Kommunikationsgeräten zu ersetzen und dabei wesentlich höhere Datenraten bei deutlich reduzierter Leistungsaufnahme zu ermöglichen. So können die Kosten und die Komplexität von Handheld-Kommunikationsgeräten bemerkenswert reduziert werden, indem die Implementierung echter Multistandard-Sender ermöglicht wird. Das entwickelte Konzept wird neue Verbrauchererfahrungen in Anwendungen wie drahtlose virtuelle Realität, drahtlose Kommunikation jenseits von 5G und Anwendungen mit extrem niedriger Latenz und hoher Datenrate ermöglichen. Die demonstrierten Fortschritte in Kombination mit der vorgestellten Vision haben das Potenzial, über 5G hinausgehende Kommunikationsstandards zu bilden und die gesamte Klasse der mobilen Kommunikationsgeräte zu verändern.

Identifikationsnummern

Downloads