Motivation: Stand der Technik:

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1 Motivation: Wir leben im Zeitalter des Hochgeschwindigkeitsinternets (High-Speed-Internet). Mobile Geräte sind für die meisten Dienste von High-Speed-Internet abhängig. Geräte wie Smartphones, Tablet-PC und Notebooks benötigen drahtlose Internet-Verbindungen, um Portabilität und Mobilität zu gewährleisten. LTE-A stellt eine maximale Datenrate von 100 Mbps zur Verbindung mit einer Basisstation bereit, während der IEEE ad/ac-standard eine Geschwindigkeit von bis zu mehreren Gbps für lokale Netzwerke bietet. Anspruchsvolle Dienstleistungen wie hochauflösendes Video-Streaming und Videokonferenzführung werden jedoch noch höhere Datenraten für die drahtlose Datenübertragung fordern. Dieses Projekt ist Teil eines Schwerpunktprogramms der Deutschen Forschungsgemeinschaft und hat die Entwicklung einer drahtlosen Datenübertragung mit Geschwindigkeiten von 100 Gbps und mehr zum Ziel. Stand der Technik: 100 GbE (Gigabit-Ethernet) für die Glasfaserkommunikation wurden im Jahr 2012 eingeführt, d.h. es gibt schon 100 Gb/s Kommunikationslösungen, allerdings für die leitungsgebundene Kommunikation. 100GbE über Glasfaser verwendet einen digitalen Basisband-Ansatz, welcher den Nachteil hat, dass extrem schnelle digitale Analog-Digital-Wandler und sehr aufwändige digitale Signalverarbeitung benötigt werden. Ein solcher Ansatz würde in der drahtlosen Kommunikation zu sehr hohen Verlustleistungen und niedrigen Batterielaufzeiten führen. Analog/ mixed signal Basisbanddesign stellt eine Alternative dar, um ein energieeffizientes Basisband-Design zu realisieren. Bis jetzt sind jedoch keine komplexen analogen Basisband-Lösungen bekannt (nur einfache analoge Basisband-Systeme basierend auf QPSK wurden veröffentlicht). Auch breitbandige adaptive analoge Entzerrer sind in Form der von decision-feedback Equalizer (DFE) nur bis zu 10 Gbps bei drahtloser Übertragung publiziert worden. Projektbeschreibung: Es gibt zwei grundlegende Optionen für 100 Gbps Drahtloskommunikation: Extreme spektrale Effizienz (SE) und mäßige Bandbreite (BW) spektrale Effizienz z. B. 10 bps/ Hz Bandbreite z. B. 10 GHz bei 60 GHz Datenrate = SE x BW = 10 bps/ Hz x 10 GHz = 100 Gbps Mäßige spektrale Effizienz (SE) und extreme Bandbreite (BW) spektrale Effizienz z. B. 2-4 bps/ Hz Bandbreite z. B GHz bei >60 GHz Datenrate = SE x BW = 4 bps/ Hz x 25 GHz = 100 Gbps Die Verwendung eines Analog/ mixed signal-basisbandes erfordert ein Modulationsverfahren, dass für analoge Umsetzung geeignet ist. Bei einer Verfügbarkeit einer sehr hohen Bandbreite von etwa

2 50 GHz bei über 200 GHz reicht eine mäßige spektrale Effizienz aus. Dies passt gut zu einer mixed signal Basisband-Realisierung unter Verwendung von Parallel Spread-Spectrum Sequencing (PSSS). Parallel Spread Spectrum Sequencing (PSSS): PSSS ist ein Spreiz-Spektrum Verfahren, das für Analog- oder mixed signal Realisierungen besonders gut geeignet ist. Die Grundidee eines mixed-signal Basisbandes ist, eine analoge Vorverarbeitung zu realisieren, so dass die Grenze zwischen analoger und digitaler Signalverarbeitung verschoben wird (s. Zeichnung). Dadurch werden schnelle AD-Wandler mit hoher Auflösung und hardwareintensive digitale Signalverarbeitung so weit wie möglich vermieden. PSSS hat drei wesentliche Vorteile: Hochgeschwindigkeits-Digital-Analog-Wandler (DAC) werden im Sender nicht benötigt, da alle Signalverarbeitung im Sender, im analogen Bereich ausführt werden kann. Ebenso benötigt der Empfänger auch keinen Hochgeschwindigkeits-Analog-Digital-Wandler (ADC). Niedrige Bandbreiten ADCs mit einer niedrigen Auflösung, die an der Symbolrate arbeiten, reichen aus. Adaptive Kanal-Entzerrung kann mit dem Dekorrelationsverfahren zusammengeführt werden, d.h. mit gewichteten Chips für Dekodierung in analogem Bereich. Die Hauptidee ist die Symboldauer so zu wählen, sodass die Symbole zur Modulierung der Code- Sequenzen verwendet werden können. Die Code-Sequenzen werden so gewählt, dass sie zu einander orthogonal sind, so dass der Empfänger die Daten mit Hilfe der entsprechenden Dekodierungs- Sequenzen zurück gewinnen kann. Da die Chip-Sequenzen orthogonal sind, kann eine große Anzahl von parallelen Datenströmen gleichzeitig vom Sender zum Empfänger übertragen werden kann, die auf der Empfängerseite mit ihren jeweiligen Dekodierungs-Code zurückgewonnen werden können.

3 M-Sequenzen sind mit Hilfe der linearen rückgekoppelten Schieberegister einfach zu erzeugen. M- Sequenzen bieten sehr gute Korrelationseigenschaften. Die zyklische Kreuzkorrelation einer bipolaren Sequenz mit der gleichen Sequenz in unipolarer Darstellung ergibt eine diskrete Deltafunktion. Die zyklische Kreuzkorrelation mit einer verschobenen Sequenz erzeugt eine verschobene Impuls-Funktion. Für Dekorrelation der empfangenen PSSS Symbole können analoge Korrelator verwendet werden, um das eingehenden PSSS Symbole mit den orthogonalen Dekodierungssequenzen zu dekodieren. Gewichtete Chips können zur Dekodierung verwendet werden um Kanalentzerrung und Dekodierung in einem Schritt zu ermöglichen. Der abschließende Entscheidungsschritt benötigt nur Analog-Digital- Wandler mit niedriger Bandbreite und Auflösung für die Symboldetektion.

4 Methodik: Das Projekt zielt auf die komplette Implementierung des Empfängers für ein mixed signal-psss- Basisband Sende- und Empfangssystem. Es umfasst: System-Modellierung mit MATLAB/ SIMULINK zur Bestimmung der optimalen Systemparameter wie zum Beispiel Code-Länge, Bit-loading, geeignete Modulationsverfahren usw. Hardware Modellierung der kritischen Komponenten mit Verilog AMS, um die Systemebenenparameter im Zusammenhang mit den Komponentenebenenparameter zu bringen und die Auswirkungen von HF-und Analog-Störungen auf System Parameter zu untersuchen. Dadurch wird auch eine Abschätzung der Verlustleistung und der Anzahl der Transistoren möglich. Design und Test einer Single-Code Generatorschaltung und einer single Integrate and Dump Schaltung mit einem Flash-ADC, ausgeführt in SG13G2 Technologie vom IHP, als Testschaltungen. SG13G2 ist die aktuellste Technologie vom IHP und basiert auf 130 nm SiGe BiCMOS Prozess mit sieben Metallisierungsschichten. Alle Schaltungen in diesem Projekt werden mit dieser Technologie entwickelt werden. Nach den ersten Testergebnissen wird ein komplettes PSSS-mixed signal-basisband- Empfänger IC entwickelt und getestet werden. Ein PSSS Basisband Sender wird mit Hilfe eines MATLAB/ SIMULINK Sendermodells und einem schnellen 34 GS/s arbiträren Signalgenerators implementiert werden. Des Weiteren ist der Entwurf einer Testleiterplatine mit einem digitalen Interface zwischen Empfänger und einem high speed-fpga geplant.

5 Ein GHz Drahtlos-RF-Link-Aufbau, verfügbar von der Fachgruppe von Prof. Kallfass an der Universität Stuttgart, wird für die Tests verwendet werden. Prof. Kallfass Fachgruppe ist eine von den Teilnehmern des SPP-1655-Forschungsprojektes.