Multitone signal generation for a new Fourier-domain DAC-based transmitter

Bayram, Erkan; Negra, Renato (Thesis advisor); Heinen, Stefan (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Der enorme Anstieg des Datenverbrauchs in den vergangenen Jahrzehnten wird durch den hohen Bedarf an steigenden Download- und Upload-Geschwindigkeiten für verschiedene Anwendungen angetrieben. Daher sind breitbandige Kommunikationstechnologien erforderlich, um dem Anstieg des Datenverkehrs in den kommenden Jahren folgen zu können. In den letzten 10 Jahren wurden neue Kommunikationstechnologien vorgestellt, um die Datenübertragung zu erhöhen. Sie reichen jedoch nicht aus, um die Erwartungen der kommenden Jahre zu erfüllen. Daher wurde die 5. Generation von Mobilfunknetzen als nächste Phase der Mobilfunkstandards vorgestellt, um die wachsenden Anforderungen an die Bandbreite über die aktuelle Kommunikationstechnologie der vierten Generation hinaus zu erfüllen. Diese zukünftigen Standards stellen jedoch eine große Herausforderung für die bestehende Hardware dar. Daher werden moderne Sender an ihre Grenzen gebracht, um eine solch hohe Übertragungsrate bei gleichzeitig niedrigem Energieverbrauch zu erreichen. Da das verfügbare Spektrum sehr begrenzt und teuer ist, muss bei der Signalübertragung jede Verletzung der vorgegebenen spektralen Maske vermieden werden. Daher muss zur Aliasing-Reduktion das Oversampling realisiert werden. Diese Operation erhöht die Abtastrate von digitalen und Mixed-Signal-Blöcken auf ein Vielfaches der zu übertragenen Bandbreite, was bei einer Bandbreite im Gigahertz-Bereich eine große Herausforderung darstellt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Realisierung eines Multiband- und Multistandard-Hochgeschwindigkeitssenders zu ermöglichen, der auf einem disruptiven Datenwandlerkonzept, dem Fourier-Domain-DAC (FD-DAC)-Sender (Tx), basiert, indem das Subsystem zur Frequenzerzeugung implementiert wird. Der entworfene FD-DAC Tx beseitigt alle strengen Barrieren hinsichtlich Abtastrate, Stromverbrauch und Machbarkeitsfrage für hohe Modulationsbandbreiten und ermöglicht die Abdeckung verschiedener Kommunikationsstandards und weltweiter Frequenzbänder mit nur einem hoch rekonfigurierbaren Sender. Da ein revolutionärer Ansatz eingeführt wird, bringt er auch eine enorme Designherausforderung hinsichtlich der Implementierung des Frequenzsynthesizers mit sich, der Töne mit äquidistanten Abständen für die Datenumsetzung benötigt. So müssen mehrere Frequenzgeneratoren in einen einzigen Chip integriert werden, um 16 Töne mit einem äquidistanten Abstand von 125MHz zu erzeugen. Zusätzlich müssen alle diese Signale in Bezug auf die Basisbanddaten synchronisiert werden. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Implementierung des Frequenzsynthesizer-Subsystems und die vollständige Integration der Txs. Der entworfene Synthesizer-Block erfüllt die Leistungsanforderungen des Senders und erreicht 35dBc SFDR im Betriebsfrequenzbereich von 3GHz bis 4,875GHz, -105 dBc/Hz Phasenrauschverhalten bei 1 MHz Offset-Frequenz wird verzeichnet. Somit bieten die vorgestellten FD-DAC Txs eine Modulationsbandbreite von 2GHz und eine Datenrate von bis zu 8Gbit/s, während die digitale Signalverarbeitung und der Digital-Analog-Wandler mit 250MHz arbeiten. Somit arbeitet jedes Subsystem zwei Größenordnungen langsamer im Vergleich zu modernsten Inphase/Quadratur (I/Q)-Sendern. Es wurden EVM-Werte von 7,28% und 11,8% mit QPSK für 1GHz bzw. 2GHz Modulationsbandbreite gemessen. Darüber hinaus weist die vorgestellte Arbeit eine hervorragende spektrale Formung auf, die die Anforderungen an die spektrale Maske für mehrere Kommunikationsstandards erfüllen kann. Die Modulationsbandbreite und ihre Mittenfrequenz können ebenfalls geändert werden, was den Betrieb des FD-DAC Tx als Multimode- und Multistandard-Sender ermöglicht. Das entwickelte Konzept ermöglicht neue Verbrauchererfahrungen in Anwendungen wie drahtlose virtuelle Realität, 5G und darüber hinausgehende drahtlose Kommunikation wie 6G sowie Anwendungsfälle mit extrem niedriger Latenz und hoher Datenrate. Darüber hinaus wird es den Weg für die nächste Generation der Datenkommunikationsinfrastruktur ebnen, sowohl drahtgebunden als auch drahtlos. Daher wird es einen großen Einfluss auf die Kapazität der Datenübertragung haben.

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