ISBN 9783843900423

978-3-8439-0042-3, Reihe Elektronik

Niklas Zimmermann
Design and Implementation of a Broadband RF-DAC Transmitter for Wireless Communications

171 Seiten, Dissertation Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (2011), Hardcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die kommenden Mobilfunkstandards der vierten Generation stellen hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit des Hochfrequenz-Frontends mobiler Endgeräte. Neue OFDM basierte Funkstandards wie LTE und WLAN erfordern eine hohe Signalbandbreite, hohe Dynamik und eine gute Konfigurierbarkeit. Zudem wird bisher für jeden Funkstandard und z.T. jedes Frequenzband ein eigener RF-Transceiver benötigt. Um deren Anzahl auf z.B. einem Smartphone zu verringern, um Kosten und Fläche zu sparen, ist ein flexibles RF-Frontend nötig. Langfristiges Ziel ist ein sog. Software Defined Radio.

In dieser Dissertation wurde ein rekonfigurierbarer, weitestgehend digitaler Transmitter entwickelt, der einen sog. RF-DAC verwendet. Der RF-DAC vereint die Funktionalität von Digital-Analog Wandler (DAC) und Mischer in einer Schaltung. Er erlaubt es somit, digitale in analoge Signale zu wandeln, und diese direkt zur RF-Sendefrequenz umzusetzen. Durch den Einsatz des RF-DACs kann die komplette analoge Basisband-Signalverarbeitung entfallen und durch digitale Blöcke ersetzt werden. Im RF-DAC arbeiten alle Transistoren als Schalter; die Anforderungen an ihre analoge Leistungsfähigkeit sind gering. Somit sind RF-DAC basierte Transmitter besonders gut für die Implementierung in CMOS Technologien mit Strukturgrößen von 65nm und weniger geeignet, die einen sehr leistungsfähigen Digitalteil sowie eine kostengünstige Massenfertigung ermöglichen.

Zunächst wurde ein Systemkonzept für einen RF-DAC basierten Transmitter, welcher hohe Datenraten unterstützt, entwickelt. Ein Nachteil der RF-DAC Architektur ist, dass kein Rekonstruktionsfilter am Ausgang des DA Wandlers implementiert werden kann, was zu unerwünschten Signal Replika bei Vielfachen der DAC Abtastrate führt. Techniken zur Unterdrückung unerwünschter Aussendungen wurden entwickelt.

Desweiteren wurde eine Schaltungsimplementierung des RF-DAC basierten I/Q Vektormodulators in einer 65nm CMOS Technologie durchgeführt. Der RF-DAC hat eine Auflösung von 9bit und eine maximale Taktrate von 850 MHz. Eine neuartige RF-DAC Architektur erlaubt besonders hohe Ausgangsleistungen und zugleich eine geringe Leistungsaufnahme.

Messungen am gefertigten Chip belegen die Leistungsfähigkeit des Transmitters. Er ist in der Lage 20MHz breite 64QAM OFDM WLAN Signale zu übertragen und erfüllt die spektrale Maske des IEEE 802.11n Standards. Die maximale Ausgangsleistung von +16dBm liegt um eine Größenordnung über derer vergleichbarer Architekturen.