Untersuchung integrierbarer Empfängerkonzepte mit niedriger Zwischenfrequenz für frequenzmodulierte Systeme

Ordu, Gürkan; Heinen, Stefan

doi:910020022

Untersuchung integrierbarer Empfängerkonzepte mit niedriger Zwischenfrequenz für frequenzmodulierte Systeme = A study on integrated low-IF receiver concepts for frequency modulated systems

Ordu, Gürkan

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Gürkan Ordu

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangXII, 138 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Heinen, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-11-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-32216
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51736/files/3221.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Integrierte Analogschaltungen und Institut für Halbleitertechnik (616110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bluetooth-Standard (Genormte SW) ; Empfänger (Genormte SW) ; Zwischenfrequenz (Genormte SW) ; Frequenzmodulation (Genormte SW) ; Demodulation (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Low-IF (frei) ; Heterodyn (frei) ; Homodyn (frei) ; FSK (frei) ; Quadrikorrelator (frei) ; low-IF (frei) ; heterodyne (frei) ; homodyne (frei) ; receiver (frei) ; quadricorrelator (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der Bereich der drahtlosen Kommunikationstechnik bildet heutzutage eine Schlüsseltechnologie. Der technologische Trend in der drahtlosen Kommunikation ist eindeutig die zunehmende Digitalisierung der Schaltungen. Gleichzeitig wird von mobilen Anwendungen mehr Rechenleistung erwartet. Der ständige Wettlauf in der Industrie für die kleinste Prozesstechnologie ebnet den Weg für diese Ziele. Auf der anderen Seite existieren auch zahlreiche Anwendungen, deren Hauptaugenmerk auf einer möglichst niedrigen Verlustleistung und kostengünstiger Implementierung liegen als auf einer möglichst hohen Taktfrequenz. Insbesondere in den Bereichen Medizin- und Sensortechnik werden leistungs- und flächeneffiziente Funksysteme benötigt. Aufgrund der im Vergleich zum Mobilfunk niedrigeren Stückzahlen werden dabei aus kommerziellen Gründen ältere CMOS Technologien mit moderaten Strukturgrößen eingesetzt. Dies ermöglicht durch niedrige Initialkosten eine wirtschaftliche Integration für niedrige Stückzahlen. Für eine optimale Empfängerstruktur stehen je nach Anforderungen der Kommunikationsstandards unterschiedliche Ansätze zur Verfügung. Das hochfrequente Eingangssignal wird nach einer ersten Verstärkung entweder direkt in das Basisband gemischt (homodyner Ansatz) oder es wird auf einer oder mehreren Zwischenfrequenzen weiterverarbeitet (heterodyner Ansatz). Die Komplexität der Architektur verbunden mit dem Schaltungsaufwand, die Kosten, der Leistungsverbrauch und die Integrierbarkeit sind die hauptsächlichen Entscheidungskriterien bei der Wahl der jeweiligen Empfängerstruktur. Mit der Weiterentwicklung der Integrations- bzw. der Schaltungstechnik sind auch andere Empfängerarchitekturen für die Realisierung drahtloser Datenübertragungssysteme interessant geworden. Insbesondere der homodyne Empfänger und der Empfänger mit niedriger Zwischenfrequenz (Low-IF Empfänger) haben in modernen Funksystemen eine weite Verbreitung erfahren. Der Low-IF Empfänger kann als ein Mittelweg zwischen der heterodynen und der homodynen Architekturen betrachtet werden. Per Definition ist dieser Empfänger heterodyn. Er besitzt jedoch auch Eigenschaften einer homodynen Architektur, die insbesondere von der Wahl der Zwischenfrequenz abhängen. Das Ziel dieser Arbeit ist die systematische Untersuchung der Eigenschaften des Low-IF Empfängers in Bezug auf die maximal notwendige Zwischenfrequenz und damit des Übergangsbereichs zwischen der heterodynen und der homodynen Variante des Empfängers. Das Hauptaugenmerk richtet sich dabei auf die Anforderungen drahtloser Kommunikationssysteme mit der digitalen Frequenzmodulation FSK. Neben der theoretischen Aufarbeitung der wesentlichen Kenngrößen eines Empfängers und der unterschiedlichen Architekturen werden anhand eines Simulationsmodells verschiedene Varianten der Signalverarbeitung verglichen. Die Auswirkungen einer komplexen und einer reellen Signalverarbeitung auf den Signalverlauf und ihr Einﬂuss auf die Wahl der Zwischenfrequenz werden untersucht. Zudem wird ein neues Demodulationskonzept, das auf den sogenannten Quadrikorrelator Demodulator basiert, vorgestellt. Dieser neuwertige Demodulator bietet mit einem geringen schaltungstechnischen Aufwand gerade für flächen- und leistungseffziente Applikationen eine geeignete Lösung dar.

Wireless communication forms nowadays a key technology. The trend here is obviously the growing digitalization of the circuits. At the same time the processing power expectations for mobile applications are increasing. The permanent race in the industry for the smallest process technology paves the way for these goals. On the other side there are numerous applications with a special attention on low power consumption and an economical implementation rather than a high clock frequency. In particular medical and sensor applications need power and area efficient radio systems. Here the production volumes are lower in comparison to portable radio or mobile communication applications. Thus for commercial reasons older CMOS technologies with moderate structural sizes are used. The low initial costs for these technologies makes low volumes economically feasible. An optimal receiver structure depends upon requirements of the communication standards. The high frequency input signal is mixed after a first amplification either directly into the baseband (homodyne) or it is processed on one or more intermediate frequencies (heterodyne). The complexity of the architecture and the circuit together with the costs, the power consumption and the ease of integration are the main decision criteria with the choice of the receiver structure. With further developments in circuit design technologies other receiver architectures became interesting, as well. In particular the homodyne receiver and the receiver with low intermediate frequency (Low-IF receiver) experienced a far spreading in modern radio systems. The Low-IF receiver can be regarded as a middle course between the heterodyne and the homodyne architectures. Actually this receiver is heterodyne. It possesses however also characteristics of a homodyne architecture, which depend in particular on the choice of the intermediate frequency. The goal of this work is the systematic investigation of the characteristics of the Low-IF receiver regarding the maximally necessary intermediate frequency and thus the transition area between the heterodyne and the homodyne variant of the receiver. The special attention is directed thereby toward the requirements of wireless communication systems with the digital frequency modulation FSK. Apart from the theoretical processing of the substantial characteristics of a receiver and different architectures, different variants of signal processing are compared on the basis of a simulation model. The effects of a complex and a real signal processing on the choice of the intermediate frequency are examined. Besides a new demodulation concept, which is based on the so-called quadricorrelator demodulator, is presented. This new demodulator presents a suitable solution especially for power and area efficient applications.

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