Neuartige Analyse und Synthese Toolbox für die Rauschcharakterisierung von gekoppelten Oszillatorsystemen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Viktor Krozer, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423744006

Die dynamischen und Rausch-Eigenschaften komplexer Oszillatornetzwerke sind auf allen Skalen und in unzähligen wissenschaftlichen Bereichen von Interesse. Die Modellierung dieser komplexen, hochgradig nichtlinearen Systeme ist eine von Natur aus schwierige Aufgabe, insbesondere, wenn Rauschen untersucht wird. Von besonderer Bedeutung ist die Modellierung der Evolution der Phase von Oszillatoren. In freilaufenden Oszillator-Systemen ist das Konzept der Oszillatorphase und -amplitude geometrisch wohldefiniert und wird als Phasen-Makro-Modell (PMM) bezeichnet. Wir waren mit an der Spitze der Forschung an diesem Modell. Freilaufende und gekoppelte Oszillator-Systeme gehören zur gleichen Klasse dynamischer Systeme, jedoch ist die PMM-Methodik für das gekoppelte Szenario nicht anwendbar und damit unvollständig aufgrund des beschränkten Wissens in der Nutzung verschiedener mathematischer Ansätze, wie z. B. Differentialgeometrie, hyperbolische Mannigfaltigkeitstheorie, stochastische Integration und lineare Algebra. Darüber hinaus gehören PPV/ISF-Analyse-/Synthesewerkzeuge (Perturbation Projection Vector/Impulse Sensitivity Function) zu den einflussreichsten und wirkungsvollsten Methoden auf dem Gebiet der Einzeloszillatorrauschanalyse. In unserem vorherigen DFG-Projekt haben wir eine neuartige PMM-C-Methodik entwickelt, die die erste einheitliche Beschreibung des linearen Amplituden-/Phasenverhaltens einzelner und gekoppelter Oszillatorsysteme bereitstellt. Die PMM-C-Methodik stellt das erste einheitliche und physikalisch vollständige (d. h. nicht empirische, koordinatenunabhängige usw.) Modell von gekoppelten Oszillatoren einschließlich Rauschen dar. Mithilfe des PMM-C sind wir nun in der einzigartigen Lage, die PPV/ISF-Werkzeuge auf den Bereich gekoppelter Oszillatoren mit rauschinduzierten Phänomenen auszudehnen. Beispiele hierfür sind die Rauschmodellierung super-/subharmonischer Injection-Locked-Oszillatorschaltungen und die Synthese optimaler Rauschleistung in gekoppelten THz-Oszillatorarrays. Darüber hinaus haben wir eine neuartige SYM-OFD-Methodik eingeführt, die einen minimierten Phasenrauschbetrieb von Oszillatoren basierend auf Symmetrieeigenschaften stationärer Lösungen demonstriert. Dieses neu entdeckte Phänomen wurde in mehreren Simulationsversuchen verifiziert. Unser Ziel mit diesem Vorhaben ist es, die neuartige SYM-OFD-Methodik zu nutzen, um eine neue Klasse von Algorithmen zu implementieren, die in der Lage sind, verschwindende AM-PM-Rauschbeiträge eines (gekoppelten) Oszillatorsystems zu lokalisieren. Diese neuen Simulationswerkzeuge stellen einen neuen Ansatz zur Minimierung der Rauscheigenschaften gekoppelter Oszillatoren dar und einen Durchbruch bei der Modellierung gekoppelter Schwingsysteme. Sowohl die PMM-C- als auch das SYM-OFD-Methoden stellen Paradigmenwechsel in ihren jeweiligen Bereichen dar und sollen in ein neuartiges CAD-Simulationswerkzeug implementiert und die experimentell validiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen