Funkempfänger – analog oder digital?

Für manche Ingenieure scheint die Frage „analog oder digital?“ eine reine Glaubenssache zu sein. In einer Welt mit immer leistungsfähigerer Elektronik, die praktisch umsonst zu haben ist, schwört der eine auf möglichst durchgehend digitale Funkempfänger, und der andere favorisiert fortschrittliche analoge Lösungen. Wie so oft im Leben liegt die Wahrheit irgendwo in der Mitte.

Für manche Ingenieure scheint die Frage „analog oder digital?“ eine reine Glaubenssache zu sein. In einer Welt mit immer leistungsfähigerer Elektronik, die praktisch umsonst zu haben ist, schwört der eine auf möglichst durchgehend digitale Funkempfänger, und der andere favorisiert fortschrittliche analoge Lösungen. Wie so oft im Leben liegt die Wahrheit irgendwo in der Mitte.

Wodurch zeichnet sich eigentlich ein digitales Funksystem aus? Vom Begriff her ein Funkempfänger mit Analog/ Digital-Wandler (ADC) direkt nach dem Antenneneingang. In der Praxis müsste dieser Wandler Trägerfrequenzen bis zu 12 GHz umsetzen – eine nicht gerade einfach zu erfüllende Bedingung. Außerdem müsste eine solcher ADC einen enormen Dynamikbereich aufweisen. Angenommen, jemand hätte eine solche Komponente entwickelt, dann würde sie auf jeden Fall sehr viel Energie und Platz benötigen, was für mobile Geräte absolut inakzeptabel ist.

Den Wandler näher zur Antenne

Umso erstaunlicher las sich kürzlich die Ankündigung einer digitalen Empfängerschaltung für Handhelds. Doch es war nicht mehr (oder weniger) als das, wonach jeder System-Designer strebt, nämlich die am besten skalierbare Technologie zu finden. Diese Sicht führt unmittelbar zu der Frage, die sich Ingenieure in dieser Diskussion wirklich stellen sollten: „Wie entwickle ich ein analoges Front-end, das in gleichem Maße schrumpft, wie es das Moore’sche Gesetz für das digitale Basisband beschreibt?“

Ist es also sinnvoll, die A/D-Wandlung möglichst nahe zur Antenne zu schieben? Definitiv ja, wenn dabei eine Systemlösung herauskommt, die Leistung und Platz spart. Definitiv nein, wenn ein derart positionierter ADC im Endeffekt mehr Leistung und Platz braucht als ein Wandler am herkömmlichen Ort. Es ist kein Zufall, dass diese Option in die Funksysteme des im belgischen Leuven beheimateten Forschungsinstitutes IMEC (www.imec.be) nicht implementiert wird, denn bislang lautete die Antwort auf die Eingangsfrage immer „definitiv nein“. Jetzt allerdings haben die Wissenschaftler bei IMEC ein völlig neues ADC-Konzept mit weit geringerem Energieverbrauch als klassische Verfahren entwickelt – so dass nun daran gedacht werden kann, die A/D-Wandlung näher zur Antenne zu verlagern.

Kapazitäten schalten – bis in den HF-Bereich

Ein zweiter Weg zum „digitalisierten“ Radio ergibt sich, wenn die Funktionen der Komponenten noch einmal überdacht werden. So fand die „Uralt“-Technologie geschalteter Kapazitäten einst schon bei relativ niedrigen Frequenzen ihre Grenze. Jetzt reicht sie „leicht“ bis ins HF-Gebiet hinauf. Das erklärt ihre aktuelle Wiederbelebung beispielsweise für Filteraufgaben. Auch das neue, bei IMEC entwickelte ADC-Konzept macht von einer vergleichbaren Methode Gebrauch: dem Schalten von Kapazitäten, was nicht nur als sprachliche Feinheit zu verstehen ist. Aber auch in diesem Kontext geht die Analog/Digital-Debatte weiter. Eine (aktiv) schaltende Komponente funktioniert im Prinzip digital. Doch wenn sie kontinuierliche Amplituden verarbeitet und dazu viele passive Bauteile benötigt, dann müsste sie doch eigentlich als analog bezeichnet werden. Erfahrene Marketing-Strategen sind Experten in der geschickten Ausnutzung derartiger Paradigmen. Die Verbindung der analogen und digitalen Welt (im Gegensatz zur eingangs erwähnten ideologischen Trennung) ist vielleicht am deutlichsten beim dritten Verfahren für besser skalierbare Frontends sichtbar, das durch Kalibrierung, Kompensation und Steuerung gekennzeichnet ist. Bei IMEC wird dies oft kurz als C3 bezeichnet: Calibration, Compensation, Control. So tendieren analoge Komponenten zu nichtlinearen Signalverzerrungen. Da sich diese Nichtlinearitäten nicht mit bestimmten mathematischen Operationen vertragen, verursachen sie beim Codieren und Decodieren einige Probleme. Da sich mit dem Verkleinern der Strukturen auch das Problem der Nichtlinearitäten vergrößert, bleibt nur eine Möglichkeit, dies zu erkennen und im Systementwurf zu berücksichtigen.