ISBN 978-3-8439-1733-9

978-3-8439-1733-9, Reihe Elektrotechnik

Stefan Kählert
Frequency Agile Filter Concept for Wireless Whitespace Receivers

163 Seiten, Dissertation Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (2013), Hardcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Moderne Mobilfunkgeräte erlauben ihren Besitzern, Anwendungen mit hohem Datenaufkommen unterwegs zu nutzen. Mit dem Datenaufkommen steigt der Bedarf an Bandbreite, den Benutzer für das flüssige Mobilfunkerlebnis erwarten. Um Engpässe zu vermeiden, wurden bereits neue Frequenzbänder für den Mobilfunk im Frequenzberiech um 800 MHz erschlossen, die durch die Einführung des digitalen terrestrischen Fernsehprogramms DVB-T frei wurden.

Stand der Technik ist es, für jedes Frequenzband einen separaten Empfänger zu entwickeln, der Störsignale aus fremden Quellen durch speziell angepasste externe Filter unterdrückt. Ohne externe Filter steigen die Anforderungen an die Linearität der Empfänger und damit vor allem Stromverbrauch und Flächenbedarf integrierter Schaltungen. Daraus resultierende verringerte Nutzungsdauer als auch erhöhte Kosten in der Anschaffung werden vom Kunden nicht akzeptiert. Ziel ist deshalb die Reduzierung der Empfangspfade, ohne den Energieverbrauch des Empfängers zu erhöhen.

In dieser Arbeit wurde ein agiles Filterkonzept für Mobilfunkempfänger untersucht, dass die vollständige Integration in modernen CMOS Prozessen erlaubt. Es basiert auf dem Prinzip der Frequenzverschiebung von Filterübertragungsfunktionen. Kern des Konzepts sind passive Mischer und Kapazitäten, deren Tiefpassverhalten durch Mischung zum Bandpassverhalten wird. Durch die Nutzung von Mischern und den in jedem Empfänger vorhandenen Frequenzsynthesizern ist es möglich, die Mittenfrequenz des Filters beliebig zu verschieben. Gerade das in dieser Arbeit verwendete homodyne Empfängerkonzept bietet den Vorteil, dass die Empfangsfrequenz und die Frequenz des Synthesizers identisch sind. Ziel ist der Verzicht auf externe Filter und damit möglichst große Flexibilität. Der vollständige Verzicht auf externe Filter wird von den Harmonischen der rechteckigen Anregung des Mischers erschwert, da Signale bei Harmonischen der Grundfrequenz das gewünschte Signal nach dem Mischen überlagern. Deshalb ist ein zentraler Bestandteil der Arbeit die Unterdrückung von Signalen bei harmonischen Frequenzen.

Durch mehrere Testchips wurde die Funktion des Konzepts an unterschiedlichen LNA und einer vollständigen Empfängerschaltung untersucht. Der Empfänger deckt das Frequenzband von 500 bis 900 MHz mit flacher Verstärkung und 8dB Rauschzahl ohne externe Filter erreicht 52 dB Unterdrückung der Harmonischen ab und verbraucht dabei nur 47 mW Leistung.