Überblick über Duplexer-Schaltungen und TX/RX-Schalter

Transkript

1 TX/RX Überblick über Duplexer-Schaltungen und TX/RX-Schalter Station Verstärker LNA Demodulator zu RX DSP Sender PA Modulator von TX DSP Roland Pfeiffer 9. Vorlesung

2 Auswahl einer TX/RX Verbindung Ihr Chef stellt Ihnen die Aufgabe, für GSM eine Verbindung vom Single-Chip-Handy mit der Antenne auszuwählen. Ihre Aufgaben: -Duplex-Verfahren GSM-Standard, Problemstellung, wieso nicht zwei Antennen? -FDD: verschiedene Formen von Bandfiltern -TDD: Umschalter TX/RX switch Auswahl einer Verbindung Chip/Antenne

3 Time Division Duplexing (TDD) Prinzip: für Sprechen und Hören werden eine einzige Frequenz verwendet, die dann gleichmäßig zeitlich aufgeteilt wird Pause Pause Pause Pause Sprechen Hören Sprechen Hören t Station

4 Frequency Division Duplexing (FDD) Prinzip: für Sprechen und Hören werden zwei unterschiedliche Funkverbindungen ( Channels ) verwendet z. Bsp. Funkkanalnummer 102 Sprechen Station Hören z. Bsp. Funkkanalnummer 59

5 Global System for Mobile Commucation (GSM) Mobilfunksystem Deutschland seit 1991 ( 2. Generation, weltweit führend) Übertragungart: digital Duplex-Verfahren: FDD Multi-Access: FDMA Bereich / MHz, 124 Channels mit 200kHz Breite (1 Channel ungenutzt) kombiniert mit TDMA mit 8 Teilnehmern ergibt 992 traffic channels im D-Netz Modulation: GMSK

6 Frequency Division Duplexing (FDD) Wieso nicht zwei Antennen?? Forderung: Antennenabstand > Wellenlänge Abschätzung: Wellenlänge 1 GHz, c 0 = m/s 30 cm Handy: Probleme bei der räumlichen Trennung zur Interferenz-Vermeidung! Station Verstärker LNA Demodulator zu RX DSP Sender PA Modulator von TX DSP

7 Frequency Division Duplexing FDD Definition eines Duplexers: Ein Duplexer ist ein Baugruppe, die ein gemeinsames Nutzen einer Antenne bei verschiedenen Frequenzen für RX- und TX-Pfad (FDD) ermöglicht mit möglichst geringer Beeinträchtigung der Signale Station TX/RX Aufteilung durch Duplexer RX Verstärker LNA Demodulator zu RX DSP TX Sender PA Modulator von TX DSP

8 Duplexer hohe Anforderungen an Duplexer von Dynamikbereich: z. Bsp. GSM: 1W TX zu 10 W RX = 50 db!! LNA RX Duplexer schlecht für Duplexer TX PA

9 Frequency Division Duplexing FDD GSM D-Netz: Bereich / MHz Flankensteilheit: > 50 db/20 MHz bei ca. 925 MHz!!! Transmit Receive untere Grenze 890 Mhz obere Grenze 915 Mhz untere Grenze 935 Mhz obere Grenze 960 Mhz

10 Frequency Division Duplexing FDD Ausführung des Duplexers durch Filterschaltungen: Bandpaß-Filter Notch -Filter (Bandsperre) Bandpaß+ Notch -Filter Station RX Verstärker LNA Demodulator zu RX DSP TX Sender PA Modulator von TX DSP

11 Frequency Division Duplexing FDD Kennlinie eines Duplexers: Tx Band Rx Band

12 Frequency Division Duplexing (FDD) Aufgabe: Wägen Sie die Vorteile und Nachteile von aktiven Filter ab!! Vorteil: -abstimmbar während des Betriebes Nachteil: -Stromverbrauch -Filter-Rauschen (aktive Bauelemente) im RX-Pfad -Filter-Verluste im TX-Pfad Station RX Verstärker LNA Demodulator zu RX DSP TX Sender PA Modulator von TX DSP

13 Frequency Division Duplexing (FDD) Aufgabe: Wägen Sie die Vorteile und Nachteile von passiven Filter ab!! Vorteil: -kein Stromverbrauch Nachteil: -nicht abstimmbar während des Betrieb - je höher der Grad des Filters, desto schärfer die Frequenzbegrenzung, aber desto größer die Dämpfungsverluste!! Station RX Verstärker LNA Demodulator zu RX DSP TX Sender PA Modulator von TX DSP

14 Frequency Division Duplexing (FDD) Ausweg für scharfe Frequenzbegrenzung bei niedrigen Verlusten: Surface Acoustic Wave -Filter Station RX Verstärker LNA Demodulator zu RX DSP TX Sender PA Modulator von TX DSP

15 Frequency Division Duplexing (FDD) Prinzip eines Surface Acoustic Wave (SAW) -Filters: -SAW-Filter übersetzt: Akustische Oberflächenwellen-Filter -basiert auf den piezoelektrischen Effekt piezoelekrische Substrate -oberflächengebundenen ( surface ) Druck-Wellen ( wave ) mit niedriger Ausbreitunggeschwindigkeit ( acoustic ) -Wandler elektrisches Signal-akustische Oberflächenwelle: interdigitale Elektrodenstrukturen ( Interdigitalwandler ) Interdigitalwandler G L1 1 2 n N w n w 0 piezoelektrisches Substrat p/2 Wellensumpf

16 Frequency Division Duplexing (FDD) Prinzip eines Surface Acoustic Wave (SAW) -Filters: - einfache Filter : zwei interdigitale Elektrodenstrukturen, die auf verschiedene Frequenzen abgestimmt sind Wellensumpf G L1 Interdigitalwandler Interdigitalwandler G L2 piezoelektrisches Substrat Wellensumpf l m piezoelektrisches Substrat

17 TX/RX Frequency Division Duplexing FDD Haupt-Problem eines SAW-Duplexers: nicht zusammen mit Single-Chip-Handy integrierbar!! Single-chip-Handy : Integration aller Funktionen auf einem einzigen Chip Station RX AFE RX DSP D A TX AFE TX DSP D A

18 Frequency Division Duplexing FDD Haupt-Problem eines SAW-Duplexers: nicht zusammen mit Single-Chip-Handy integrierbar!! piezoelektrische Substrate Halbleiter (z.bsp. Lithiumniobat) (z.bsp. Si, GaAs) elektr. Spannung = Oberflächenwelle elektr. Spannung Oberflächenwelle Oberfläche bewegliche Abmessungen Oberfläche starre Abmessung Funktion der Bauelemente (CMOS: starres W/L) Schaltung integrierbar!!

19 Frequency Division Duplexing (FDD) Problem eines SAW-Duplexers: Größe des SAW-Duplexers Bauteil- Größe [mm 2 ] 15 x 6,5 13 x 6,5 7 x 5 5 x 5 5 x 3 2,5 x 2 1,4 x 1,1?? x??

20 Frequency Division Duplexing (FDD) Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR)-Filter Funktionsweise ähnlich wie SAW-Filter, nur Ausbreitung der akustischen Wellen im Substrat ( Bulk )

21 Frequency Division Duplexing (FDD) in Zukunft: Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR)-Filter Vorteil: -geringe elektrische Verluste im Durchlassbereich -geringe Baugröße -hohe Leistungsverträglichkeit -Integrierbarkeit in HF-Module -steile Flanken an den Rändern des Durchlassbereiches Nachteil: -schwierige Herstellung

22 Frequency Division Duplexing (FDD) Bezeichnung der Eigenschaften des Duplexers: Beispiel: GSM Transmit Filter MHz RX TX

23 Frequency Division Duplexing (FDD) Bezeichnung der Eigenschaften des Duplexers: Beispiel: GSM Receive Filter MHz RX TX

24 Frequency Division Duplexing FDD GSM D-Netz: Bereich / MHz Flankensteilheit: > 50 db/20 MHz bei ca. 950 MHz!!! Transmit Receive untere Grenze 890 Mhz obere Grenze 915 Mhz untere Grenze 935 Mhz obere Grenze 960 Mhz

25 Global System for Mobile Commucation (GSM) Mobilfunksystem Deutschland seit 1991 ( 2. Generation, weltweit führend) Übertragungart: digital Duplex-Verfahren: FDD Multi-Access: FDMA Bereich / MHz, 124 Channels mit 200kHz Breite (1 Channel ungenutzt) kombiniert mit TDMA mit 8 Teilnehmern ergibt 992 traffic channels im D-Netz Modulation: GMSK ähnlich TDD!! TX nicht zu gleicher Zeit wie RX MHz MHz TX RX t

26 Frequency Division Duplexing (FDD) Aufgabe: Wie könnten Sie den GSM-Standard bezüglich TDMA zur Trennung von TX und RX Pfad ausnützen und welchen Vorteil haben Sie davon? Antwort: Übertragungart: digital Duplex-Verfahren: FDD Multi-Access: FDMA Bereich / MHz, 124 Channels mit 200kHz Breite (1 Channel ungenutzt) kombiniert mit TDMA mit 8 Teilnehmern ergibt 992 traffic channels im D-Netz Modulation: GMSK TX RX t

27 Prinzip des TX/RX Schalters Lösung: bei Single-Chip Handys zusätzlich ein Umschalter ( Transmit/Receive-Switch ) Vorteil: -zusätzliche Rejection für Single-chip Handys nötig Nachteil: - insertion loss ca. 1dB Station RX Verstärker LNA Demodulator zu RX DSP TX Sender PA Modulator von TX DSP

28 TX/RX Schalter Schalter: Single-Pole Double-Throw Schalter Schalter-Nomenklatur: Pole: wieviele Schaltkreise können gleichzeitig durch den Schalter aktiviert werden ( Eingänge ) Single-Pole : ein Schaltkreis aktiv (Sender oder Empfänger) Throw : Anzahl der Schaltkreise, die von dem Schalter bedient werden ( Ausgänge ) Double-Throw zwei Schaltkreise (Sender/Empfänger) Idealfall: Aus : Isolation Ein : 0 Ohm Realfall: rejection insertion loss

29 TX/RX Schalter Beispiele zur Schalter-Nomenklatur: einpoliger Ein/Aus-Schalter : Single-Pole Single-Throw einpoliger Umschalter mit zwei Ausgängen : Single-Pole Double-Throw einpoliger Umschalter mit vier Ausgängen : Single-Pole 4-Throw zweipoliger Umschalter mit je zwei Ausgängen : Double-Pole Double-Throw

30 TX/RX Schalter Single-Pole Double-Throw Schalter in CMOS: Antenne VC: Voltage Control Sender VC VC Empfänger VC VC hochohmiger R -NMOS-Transistoren wegen höherer Beweglichkeit der Elektronen -hochohmiger Widerstand dient zum Festlegen der Masse, keine Funktion HF-mäßig

31 TX/RX Schalter Single-Pole Double-Throw Schalter in CMOS: Frage: In welchem Betriebsbereich werden die Transfer-Transistoren betrieben? Welche Größen beeinflussen das R ON der Transfer- Transistoren (kleinsignalmäßig)? Antwort:?? Sender VC VC Empfänger VC VC

32 TX/RX Schalter Single-Pole Double-Throw Schalter in CMOS: Antwort: Widerstandsbereich, R ON =1/g O 0 g O S I DS WB SB g O S: U DS Technologie g 0 k N hoch W L hoch U GS Technologie U TN U DS 0 Volt Sender VC VC Empfänger VC VC

33 TX/RX Schalter Single-Pole Double-Throw Schalter in CMOS: M. Madihian et al., CMOS RF ICs for 900MHz-2.4 GHz Band Wireless Communication Networks, 1999 Radio Frequency Integrated Circuits Symposium 300/0.25 NMOS, 2 Volt Versorgungsspannung, R1-R4 wegen parasitärem RF-Signal an Gates, keine Angabe über Dämpfungseigenschaften

34 TX/RX Schalter Single-Pole Double-Throw Schalter in CMOS: F.-J. Huang, K. O, A 900-MHz T/R Switch with a 0.8 db Insertion Loss Implemented in a 0.5- m CMOS Process, 2000 Custom Integration Circuits Conference Biasing u.a. zur Verbesserung des Dynamikbereiches

35 TX/RX Schalter Single-Pole Double-Throw Schalter in CMOS: F.-J. Huang, K. O, A 900-MHz T/R Switch with a 0.8 db Insertion Loss Implemented in a 0.5- m CMOS Process, 2000 Custom Integration Circuits Conference aufgrund der Simulationsergebnisse: W/L=600/0.5 verwendet viele Substratkontakte zur Vermeidung von Substratwiderständen

36 TX/RX Schalter Single-Pole Double-Throw Schalter in CMOS: F.-J. Huang, K. O, A 900-MHz T/R Switch with a 0.8 db Insertion Loss Implemented in a 0.5- m CMOS Process, 2000 Custom Integration Circuits Conference Insertion loss Rejection 0,8 db 40 db

37 Prinzip des TX/RX Schalters Lösung: bei Single-Chip Handys zusätzlich ein Umschalter ( Transmit/Receive-Switch ) Vorteil: -zusätzliche Rejection für Single-chip Handys nötig 40 db Dämpfung min. 20 db Dämpfung > 50 db!! ausreichend für GSM Station RX Verstärker LNA Demodulator zu RX DSP TX Sender PA Modulator von TX DSP

38 TX/RX Schalter Single-Pole Double-Throw Schalter in CMOS: F.-J. Huang, K. O, A 900-MHz T/R Switch with a 0.8 db Insertion Loss Implemented in a 0.5- m CMOS Process, 2000 Custom Integration Circuits Conference

39 TX/RX Schalter Single-Pole Double-Throw Schalter in CMOS (Weiterentwicklung): F.-J. Huang, K. O, Single-Pole Double-Throw CMOS Switches for 900- MHz and 2.4-GHz Applications on p - Silicon Substrates, Journal of Solid State Circuit Januar ,18µm Technologie, SPDT 0,35µm wegen besserer Spannungsfestigkeit -Impedanztransformation zum besseren Power-Handling

40 Zusammenfassung Problemstellung FDD: Prinzip des Duplexers zusätzlich Single-Chip Handy: TX/RX switch Zusammenfassung Literaturhinweise

41 Weitere Entwicklung

45 Auswahl einer TX/RX Verbindung Ihr Chef stellt Ihnen die Aufgabe, für GSM eine Verbindung vom Single-Chip-Handy mit der Antenne auszuwählen. Ihre Aufgaben: -Duplex-Verfahren GSM-Standard, Problemstellung -FDD: verschiedene Formen von Duplexern -TDD (FDD mit TDMA): Umschalter TR/RX switch Auswahl einer Verbindung Chip/Antenne passives SAW-Filter (off-chip) + TX/RX switch wegen Dämpfung

46 Literaturhinweise Bücher: -B. Razavi, RF Microelectronics,Prentice Hall, 1998, ISBN Meinke/Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Springer-Verlag, ISBN Veröffentlichung: -M. Madihian et al., CMOS RF ICs for 900MHz-2.4 GHz Band Wireless Communication Networks, 1999 RFIC Symposium -F.-J. Huang, K. O, A 900-MHz T/R Switch with a 0.8 db Insertion Loss Implemented in a 0.5- m CMOS Process, 2000 Custom Integration Circuits Conference -F.-J. Huang, K. O, Single-Pole Double-Throw CMOS Switches for 900-MHz and 2.4-GHz Applications on p - Silicon Substrates, Journal of Solid State Circuit Januar Linus Maurer et al., Future of SAW/BAW Devices in Mobile Radio 2012 International Symposium on Acoustic Wave Devices for Future Mobile Communication Systems -verschiedene EPCOS-Veröffentlichungen