Entwicklung neuartiger System- und Komponenten-Architekturen für innovative mehrkanalige 100 GBit/s Kommunikationssysteme (M-SPARS)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Manfred Berroth; Professor Dr.-Ing. Frank Ellinger; Professor Dr.-Ing. Martin Vossiek; Professor Dr.-Ing. Robert Weigel
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 236761652

Ein Ansatz zur Realisierung drahtloser Ultrahochgeschwindigkeitskommunikation mit Datenraten von größer 100 Gbit/s besteht in der Wahl extrem hoher Trägerfrequenzen. Um ein akzeptables SNR zu erreichen, nutzt man hierbei i.d.R. Antennenanordnungen mit hoher Direktivität. Bei einkanaligen Systemen schränkt dies jedoch die Flexibilität aufgrund der notwendigen Ausrichtung der Sende- auf die Empfangsantenne erheblich ein. Um Teilnehmer richtungsunabhängig ansprechen zu können, sind Mehrantennensysteme (z.B. MIMO-Techniken) notwendig. Funksysteme mit extrem hoher Trägerfrequenz nutzen Halbleitertechnologien an der Grenze der heute realisierbaren Transitfrequenzen. Klassische homodyne Transceiver benötigen daher Verstärkerketten mit etlichen Stufen und zudem aufwändige Quadraturmodulatoren. Bei der Realisierung von Mehrantennensystemen ergibt sich folglich beim klassischen homodynen Ansatz eine ungünstige Gesamtkonstellation hinsichtlich Chipflächenbedarf und Stromverbrauch. Ziel dieses Projektes ist es, basierend auf einer völlig neuartigen Transceiver-Architektur mit drastisch reduzierter Schaltkreiskomplexität, innovative Realisierungsmöglichkeiten für mehrkanalige 100 Gbit/s Kommunikationssysteme bei extrem hohen Trägerfrequenzen zu erforschen. Das Projekt baut auf der ersten Phase des SPP 1655 Projekt SPARS auf. Hier wurde gezeigt, dass Verstärker-Ketten durch den einstufigen Switched Injection-Locked Oszillator (SILO) und durch Regeneration mit positiver Rückkopplung ersetzt und mit geringer Schaltungskomplexität 16QAM-Signale bei deutlicher Leistungseinsparung erzeugt werden können. In Projektphase 2 soll die Transceiverstruktur weiter verbessert und kompakte mehrkanalige Architekturen mit hoher Integrationsgüte erarbeitet werden. Um dies zu erreichen, wird z.B. auf den Quadraturkanal im Empfänger verzichtet, so dass ein Signalzweig entfallen kann und DC-, Phasen- und Gain-Offsets effektiv entgegengewirkt wird. Ermöglicht wird dies durch eine ZF von 25 GHz, die durch eine neuartige differentielle Demodulation mit zwei synchron modulierten SILOs mit Offsetfrequenz realisiert wird sowie durch die erstmalige Umsetzung eines 100 GS/s A/D-Wandlers mit 40 GHz Analogbandbreite. Die ZF von 1/4 der Abtastrate lässt sich effizient demodulieren und das heterodyne Basisband ist nahtlos auf mehrere Frontend-Kanäle erweiterbar. Im Sender werden IQ-Mischer durch kompakte BPSK- und SILO-basierte ASK-Modulatoren ersetzt. Letztere werden nun erstmals zu synchron modulierten SILO-Arrays erweitert. Um die theoretischen Grundlagen für diese neuartige und drastisch vereinfachte Transceiver-Architektur zu schaffen und um Störungen etwa durch Phasenrauschen und Frequenzdrifts der SILO-Arrays zu analysieren, wird ein systemtheoretisches Modell erarbeitet. Zur Demonstration der Konzepte werden vollständige Sender- und Empfänger-Frontends für je zwei Kanäle mit einer Mittenfrequenz von 180 GHz implementiert und erprobt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1655: Drahtlose Ultrahochgeschwindigkeitskommunikation für den mobilen Internetzugriff
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr.-Ing. Amelie Hagelauer