Hochintegrierte Mobilfunkempfänger arbeiten mit komplexen Filtern

Höhere Integration mit niedrigerer Zwischenfrequenz

15. November 2006, 17:23 Uhr | Prof. Dr. Dieter Brückmann

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Neue Architekturkonzepte für integrierte Empfänger

Die Digitaltechnik hat in den letzten Jahren weitaus stärker von den Technologiefortschritten profitiert als die Analogtechnik, wie in Bild 9 dargestellt ist. Der Preisverfall betrug bei den HF-Komponenten von Mobilfunkanwendungen maximal 5 Prozent pro Jahr [2]. Die Digitalkomponenten haben sich dagegen entsprechend dem Mooreschen Gesetz der Halbleitertechnik weiterentwickelt, das besagt, dass sich die Leistungsfähigkeit alle 18 Monate etwa verdoppelt, während sich der Preis im gleichen Zeitraum halbiert. Es ist daher nahe liegend, mit kleiner werdenden Strukturbreiten die Schnittstelle zwischen Analog- und Digitalteil weiter in Richtung Antenne zu verschieben.

Bei DECT, GSM, Bluetooth und einigen anderen Standards werden mit GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) und GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) Modulationsverfahren eingesetzt, bei denen die zu übertragende Information ausschließlich in der Änderung der Phase codiert ist. Die Amplitude des Empfangssignals ist mehr oder weniger irrelevant, solange die Phaseninformation richtig detektiert werden kann. Zur Digitalisierung ist daher im Prinzip ein einfacher Komparator, also ein 1-bit-A/D-Wandler ausreichend. Dieses gilt allerdings nur, falls zuvor die Kanalfilterung durchgeführt worden ist. Der nächste Schritt der Weiterentwicklung wird also bei Systemen mit den angesprochenen Modulationsverfahren darin bestehen, auch die Demodulation und Detektion digital zu realisieren, wobei die Digitalisierung des gefilterten ZF-Signals mit Hilfe von einfachen Komparatoren erfolgen kann. Die Information steckt dann in den zeitlichen Abständen Di der Nulldurchgänge des Komparatorausgangssignals, wie in Bild 10 dargestellt ist. Es ist nun möglich, diese zeitlichen Abstände mit Hilfe von Methoden der digitalen Signalverarbeitung weiterzuverarbeiten, sodass ein deutlicher Performance-Gewinn im Vergleich zu einem analogen Koinzidenzdemodulator zu erwarten ist. Dies ist zurzeit ein Thema entsprechender Forschungsarbeiten. Es konnte gezeigt werden, dass sich mit relativ einfachen Verfahren zur Mustererkennung bereits eine Verbesserung der Empfindlichkeit um 3 bis 4 dB gegenüber klassischen Konzepten erzielen lässt [12].

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Bild 9. Entwicklung der Kosten pro Funktion für den HF- und den Digitalteil von Mobilfunk- anwendungen.

Grundsätzlich kann das Konzept mit dem Nulldurchgangsdetektor auf alle Modulationsarten angewendet werden, bei denen die zu übertragende Information ausschließlich in der Phase codiert ist. Hierzu gehören insbesondere CPFSK und PSK.

Der Nachteil der bisher betrachteten Empfängerkonzepte liegt insbesondere in der geringen Flexibilität hinsichtlich einer Multistandard-Fähigkeit. Um die Flexibilität des Empfängers zu verbessern, müssten die Kanalselektionsfilter daher auf unterschiedliche Bandbreiten programmierbar ausgelegt werden. Dies ist in Analogtechnik jedoch nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich. Nur durch eine Verlagerung der Kanalselektion in den Digitalbereich lässt sich das Empfängerkonzept entsprechend flexibel auslegen. Allerdings muss dann das breitbandige Eingangssignal, bestehend aus dem Nutzkanal und den Nachbarkanalstörern, digitalisiert werden. Dadurch ergeben sich deutlich erhöhte Anforderungen an die A/D-Wandler.

ΣΔ-A/D-Wandler bieten hier gewisse Vorteile [13]. Diese arbeiten mit Überabtastung und führen zusätzlich eine Hochpassfilterung des Rauschens durch (Noise-Shaping). Dadurch ist die Abtastrate wesentlich größer als die Bandbreite des Nutzsignals, und die Anforderungen an die analoge Vorfilterung reduzieren sich entsprechend. Nach der Digitalisierung durch den ΣΔ-Modulator wird das Signalspektrum mit Hilfe des komplexen digitalen Quadraturmischers zunächst ins Basisband umgesetzt. Durch diese Operation entstehen keine Spiegelfrequenzkomponenten im Signalband.

Die Unterdrückung der unerwünschten Nachbarkanäle kann dann zusammen mit der Unterdrückung des Quantisierungsrauschens erfolgen. Hierzu sind optimierte, digitale Dezimationsfilterstufen geeignet, die außerdem flexibel hinsichtlich der Kanalbandbreite ausgelegt werden können. Entsprechende Filterkonzepte wurden hierzu in den letzten Jahren entwickelt [13, 14].

Bei Empfängerkonzepten für Systeme, die WCDMA als Modulationsverfahren verwenden – hierzu gehört insbesondere UMTS – scheint sich eher der Homodynempfänger durchzusetzen. Das liegt insbesondere daran, dass die Anforderungen an die Nachbarkanalunterdrückung relativ hoch sind, sodass diese nur mit erhöhtem Aufwand durch einen Low-IF-Empfänger zu erfüllen sind. Auf der anderen Seite ist die Kanalbandbreite des Nutzbandes groß, sodass die DC-Offset-Komponenten und das niederfrequente Funkelrauschen nur einen kleinen Teil des interessieren Frequenzbandes belegen. Diese können daher ohne große Performance-Verluste durch ein Hochpassfilter unterdrückt werden. Ähnliches gilt für die Empfänger für WLAN-Systeme gemäß IEEE 802.11a/b/g, bei denen sich ebenfalls die direkte Umsetzung des Empfangssignals ins Basisband durchzusetzen scheint.

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Bild 10. Bestimmung der Datensymbole in einem Low-IF-Empfänger mit Hilfe eines Nulldurchgangsdetektors.

Digitalteil immer näher an der Antenne

Die Architekturkonzepte von Mobilfunkempfängern werden sich auch in den nächsten Jahren in Richtung einer weiteren Integration in einer kostengünstigen CMOS-Technologie weiterentwickeln. Hierbei wird sich die Schnittstelle zwischen Analog- und Digitalteil weiter in Richtung Antenne verschieben. Als ein viel versprechender Ansatz für die weitere Kostenoptimierung und Performanceverbesserung wurde der Einsatz eines Nulldurchgangsdetektors für die Digitalisierung vorgestellt. Dieses Verfahren kann in Empfängern für CPFSK-modulierte Signal eingesetzt werden und ist zur Zeit ein Thema von entsprechenden Forschungsarbeiten.

Eine größere Flexibilität hinsichtlich einer Multimode-Fähigkeit lässt sich durch das Konzept des Software-Radios erreichen, bei dem die Kanalselektion im Digitalbereich durch programmierbare Filter erfolgt. Die analoge Signalverarbeitung vereinfacht sich dadurch erheblich. Für die Realisierung des SW-Radios ist das „Low-IF-Konzept“ ebenfalls geeignet.

Prof. Dr.-Ing. Dieter Brückmann ist Professor im Fachbereich Elektrotechnik, Informationstechnik und Medientechnik an der Bergischen Universität Wuppertal. Von 1976 bis 1982 studierte er Elektrotechnik an der Ruhr-Universität Bochum und der Purdue University, West Lafayette, USA. 1986 promovierte er an der Ruhr-Universität Bochum. Von 1987 bis 1995 war er bei der Siemens AG als Leiter Produktdefinition für neue Halbleiterkomponenten für drahtlose Anwendungen verantwortlich.
E-Mail: brueckm@uni-wuppertal.de

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