Digitaler Hoch-Linearer Closed-Loop CMOS-Transmitter mit höchster Energieeffizienz für zukünftige Mobilfunkgenerationen (DigiMOST)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Friedel Gerfers; Dr.-Ing. Andreas Wentzel
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504495555

Dieser Antrag hat die Realisierung eines neuartigen digitalen Transmitters für energieeffiziente Handsets mit hoher Signalbandbreite zum Ziel, wie sie in zukünftigen Mobilfunkgenerationen benötigt werden. In dem Vorhaben wird ein rein digitales Transmitterkonzept vorgeschlagen, das den Leistungsverstärker in eine Rückkopplungsschleife integriert. Die unausweichlichen Nichtlinearitäten des Verstärkers werden so noch während ihrer Entstehung auskorrigiert, eine aufwändige Charakterisierung entfällt. Durch die Rückkopplungsschleife wird die Linearität des Gesamtsystems vom Eingang bis zum Ausgang erzwungen. Dies hat auch zur Folge, dass entgegen bisheriger Transmitterlösungen keinerlei Signalvorverzerrung bzw. DPD mehr notwendig ist. Der teils hohe Rechenaufwand für die Vorverzerrung entfällt. Dies eröffnet Freiheitsgrade zur Verbesserung der Effizienz, die mit Hilfe eines flexiblen Modulators ausgenutzt werden können. Erstmalig können mit diesem Ansatz gleichzeitig Linearität und Energieeffizienz für einen digitalen Transmitter minimiert werden. Dies soll anhand eines CMOS-basierten digitalen Transmitters für Handsets bis 6 GHz mit 500 MHz Signalbandbreite demonstriert werden. Neu sind damit insbesondere die beiden folgenden Aspekte: 1. Aufnahme des digitalen HF-Leistungsverstärkers in die Modulatorrückkopplungsschleife. Das ist mit analogen Verstärkerkonzepten nicht möglich, kann aber in dem angestrebten Vorhaben in rein digitaler Technik mit digitalem Leistungsverstärker umgesetzt werden. Es ermöglicht die intrinsische Linearisierung selbst extrem nichtlinearer Verstärker oder Verstärker ohne zusätzlichen Aufwand für konstante Parameterschätzung oder DPD. 2. Somit kann der Verstärker auf maximale Energieeffizienz ausgelegt werden, was neue und leistungssparende Schaltungstopologien ermöglicht. Darüber hinaus wird im Gegensatz zu allen bisherigen Arbeiten durch die Kombination von optimalem Modulator und Closed-Loop-Ansatz genügend Spielraum bzgl. ACLR und EVM auch für breitbandige Signale zukünftiger Mobilfunkgenerationen geschaffen.Darüber hinaus wird der Stand der Technik auch in anderer Hinsicht erweitert:1. Untersuchung des vorgeschlagenen Modulationsverfahrens für einen digitalen PA auf die Eignung für Festkommaarithmetik. 2. Integration aller Bestandteile der Sendekette auf einem monolithischen Chip, der als Black-Box betrachtet analoge Sendeketten als Drop-In-Replacement vollständig transparent in Bezug auf das zu verstärkende Signal ersetzen kann.3. Die Verwendung einer Nanometer CMOS Technologie (z.B. 22nm FDX) mit Transitfrequenzen von 350-400GHz ermöglicht die Realisierung von digitalen Leistungsverstärkern mit 5/6G relevanten Trägerfrequenzen und Signalbandbreiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen