Frequency agile filter concept for wireless whitespace receivers

Kählert, Stefan; Heinen, Stefan

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-52418

Frequency agile filter concept for wireless whitespace receivers = Frequenz-agiles Filterkonzept für die drahtlose Kommunikation in ungenutzten Frequenzbereichen

Kählert, Stefan

2014

VerantwortlichkeitsangabeStefan Kählert

Ausgabe1. Aufl.

ImpressumMünchen : Hut 2014

UmfangXVI, 145 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheElektrotechnik

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Druckausg.: Kählert, Stefan: Frequency agile filter concept for wireless whitespace receivers

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Heinen, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-11-27

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-52418
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/459463/files/5241.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Integrierte Analogschaltungen und Institut für Halbleitertechnik (616110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Filterschaltung (Genormte SW) ; Rauscharmer Empfänger (Genormte SW) ; Technik (frei) ; agile Filter (frei) ; digitale Dividende (frei) ; LTE (frei) ; agile filter (frei) ; digital dividend (frei) ; low noise receiver (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 600

Kurzfassung
Moderne Mobilfunkgeräte erlauben ihren Besitzern, Anwendungen mit hohem Datenaufkommen unterwegs zu nutzen. Mit dem Datenaufkommen steigt der Bedarf an Bandbreite, den Benutzer für das flüssige Mobilfunkerlebnis erwarten. Um Engpässe zu vermeiden, wurden bereits neue Frequenzbänder für den Mobilfunk im Frequenzberiech um 800 MHz erschlossen, die durch die Einführung des digitalen terrestrischen Fernsehprogramms DVB-T frei wurden. Stand der Technik ist es, für jedes Frequenzband einen separaten Empfänger zu entwickeln, der Störsignale aus fremden Quellen durch speziell angepasste externe Filter unterdrückt. Ohne externe Filter steigen die Anforderungen an die Linearität der Empfänger und damit vor allem Stromverbrauch und Flächenbedarf integrierter Schaltungen. Daraus resultierende verringerte Nutzungsdauer als auch erhöhte Kosten in der Anschaffung werden vom Kunden nicht akzeptiert. Ziel ist deshalb die Reduzierung der Empfangspfade, ohne den Energieverbrauch des Empfängers zu erhöhen. In dieser Arbeit wurde ein agiles Filterkonzept für Mobilfunkempfänger untersucht, dass die vollständige Integration in modernen CMOS Prozessen erlaubt. Es basiert auf dem Prinzip der Frequenzverschiebung von Filterübertragungsfunktionen. Kern des Konzepts sind passive Mischer und Kapazitäten, deren Tiefpassverhalten durch Mischung zum Bandpassverhalten wird. Durch die Nutzung von Mischern und den in jedem Empfänger vorhandenen Frequenzsynthesizern ist es möglich, die Mittenfrequenz des Filters beliebig zu verschieben. Gerade das in dieser Arbeit verwendete homodyne Empfängerkonzept bietet den Vorteil, dass die Empfangsfrequenz und die Frequenz des Synthesizers identisch sind. Ziel ist der Verzicht auf externe Filter und damit möglichst große Flexibilität. Der vollständige Verzicht auf externe Filter wird von den Harmonischen der rechteckigen Anregung des Mischers erschwert, da Signale bei Harmonischen der Grundfrequenz das gewünschte Signal nach dem Mischen überlagern. Deshalb ist ein zentraler Bestandteil der Arbeit die Unterdrückung von Signalen bei harmonischen Frequenzen. Durch mehrere Testchips wurde die Funktion des Konzepts an unterschiedlichen LNA und einer vollständigen Empfängerschaltung untersucht. Der Empfänger deckt das Frequenzband von 500 bis 900 MHz mit flacher Verstärkung und 8dB Rauschzahl ohne externe Filter erreicht 52 dB Unterdrückung der Harmonischen ab und verbraucht dabei nur 47 mW Leistung.

Current mobile communication systems allow data centric applications while the user is in transit. To guarantee high data throughput, the required bandwidth has to rise along with the user expectation. To avoid a bandwidth shortage, the 800MHz digital dividend has been released as LTE band over Europe. State-of-the-art modems employ a dedicated separate receiver per receive band, relying on external high quality filters to suppress out of band blockers. External filters limit the linearity requirements for the receiver and therefore also current and area consumptions. Both of them influence operation time, costs of the integrated circuit and competitiveness of the product. Goal must be to reduce the sheer amount of receive paths without increasing the power consumption of the receiver. In this thesis a frequency agile filter concept for mobile communication receivers has been investigated, that allows for full integration in a modern CMOS process. It is based on the frequency translation of a filter transfer function. The heart of the concept is a passive mixer and a capacitor, which can be regarded as a lowpass. The mixer translates the lowpass transfer function into the RF domain so that bandpass behaviour is achieved. Since each receiver is driven by an integrated frequency synthesizer, the centre frequency of the filter can easily shifted to the wanted receive band using a passive mixer. Large filter tuning ranges can be covered, limited by the tuning range of the synthesizer, only. Most importantly, the presented homodyne receiver has the advantage that the channel frequency and the synthesizer frequency are identical. The ultimate goal to avoid any external filters depends on the harmonic rejection of the receiver. Since mixers typically are driven by square wave signals, the harmonic rejection is low. High inherent harmonic rejection is therefore another important target for this work. Multiple testchips prove the functionality of the concept. Different LNA topologies as well as a complete receiver show a good performance in the measurements. The receiver covers a frequency range of 500 to 900 MHz with a flat gain and 8dB noise figure. The harmonic rejection is as high as 52 dB and concumes 47 mW Power.

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