Diplomarbeit. FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer

Diplomarbeit FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer Guido Joormann Universität Duisburg-Essen - Hochfrequenztechnik Prof. Dr.-Ing. K. Solbach G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 1

Gliederung Motivation & Einleitung Grundlagen zum FIR-Filter Die Ansteuerschaltung Simulation & Aufbau des FIR-Filters Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 2

Motivation Wachsendes Interesse an breitbandigen Systemen in der modernen Nahbereichs-Kommunikationstechnik G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 4

Motivation Wachsendes Interesse an breitbandigen Systemen in der modernen Nahbereichs-Kommunikationstechnik Ultra Wide Bandwidth (UWB): Frequenzbereich: 3,1-10,6 GHz, Datenrate: Bis zu 10 Gbps, Entfernung: 5-10 m G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 4

Motivation Wachsendes Interesse an breitbandigen Systemen in der modernen Nahbereichs-Kommunikationstechnik Ultra Wide Bandwidth (UWB): Frequenzbereich: 3,1-10,6 GHz, Datenrate: Bis zu 10 Gbps, Entfernung: 5-10 m Störende Reflexionen bei Übertragung und bei Positionierung / Lokalisierung Datenrate sinkt G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 4

Motivation Wachsendes Interesse an breitbandigen Systemen in der modernen Nahbereichs-Kommunikationstechnik Ultra Wide Bandwidth (UWB): Frequenzbereich: 3,1-10,6 GHz, Datenrate: Bis zu 10 Gbps, Entfernung: 5-10 m Störende Reflexionen bei Übertragung und bei Positionierung / Lokalisierung Datenrate sinkt Lösung: Beamforming G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 4

Einleitung - Beamforming Reflexion am Objekt in naher Umgebung Sender Störsignal, Reflexion Nutzsignal Empfänger (Gruppenantenne) mit Strahlungscharakteristik G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 5

Einleitung - Beamforming Reflexion am Objekt in naher Umgebung Sender Störsignal, Reflexion Nutzsignal Empfänger (Gruppenantenne) mit Strahlungscharakteristik Verstärkung des Nutzsignals G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 5

Einleitung - Beamforming Reflexion am Objekt in naher Umgebung Sender Störsignal, Reflexion Nutzsignal Empfänger (Gruppenantenne) mit Strahlungscharakteristik Verstärkung des Nutzsignals Unterdrückung des Störsignals G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 5

Einleitung - Beamforming Ziel: konstante Strahlungscharakteristik über einen weiten Frequenzbereich G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 6

Einleitung - Beamforming Ziel: konstante Strahlungscharakteristik über einen weiten Frequenzbereich Zeitlich sehr kurze Pulse für digitales Beamforming wäre sehr hohe Sampling-Rate erforderlich G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 6

Einleitung - Beamforming Ziel: konstante Strahlungscharakteristik über einen weiten Frequenzbereich Zeitlich sehr kurze Pulse für digitales Beamforming wäre sehr hohe Sampling-Rate erforderlich Schmalbandiges Beamforming mittels komplexen Gewichtungsfaktoren vor jedem Antennenelement G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 6

Einleitung - Beamforming Ziel: konstante Strahlungscharakteristik über einen weiten Frequenzbereich Zeitlich sehr kurze Pulse für digitales Beamforming wäre sehr hohe Sampling-Rate erforderlich Schmalbandiges Beamforming mittels komplexen Gewichtungsfaktoren vor jedem Antennenelement Breitbandiger Betrieb: Aufweitung der Hauptkeule und Verschiebung der Nebenzipfel und Nullstellen G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 6

Einleitung - Beamforming Ziel: konstante Strahlungscharakteristik über einen weiten Frequenzbereich Zeitlich sehr kurze Pulse für digitales Beamforming wäre sehr hohe Sampling-Rate erforderlich Schmalbandiges Beamforming mittels komplexen Gewichtungsfaktoren vor jedem Antennenelement Breitbandiger Betrieb: Aufweitung der Hauptkeule und Verschiebung der Nebenzipfel und Nullstellen Lösung: Einsatz von analogen FIR-Filtern G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 6

Einleitung - Beamforming Einfallende Welle Komplexe Gewichtungsfaktoren Antennenelement... w 1 w 2 w N Σ Addierer (a) (a) schmalbandiges Beamforming G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 7

Einleitung - Beamforming Einfallende Welle Einfallende Welle Antennenelement Antennenelement...... w 1 w 2 w N FIR 1 FIR 2 FIR N Σ Addierer Komplexe Gewichtungsfaktoren Σ Addierer Gewichtung (a) (b) (a) schmalbandiges Beamforming (b) breitbandiges Beamforming G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 7

Einleitung - Aufgabenstellung FIR- Filter AS AS AS AS AS: Amplitudensteller Entwicklung und Aufbau eines analogen vierstufigen FIR-Filters G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 8

Einleitung - Aufgabenstellung FIR- Filter AS AS AS AS AS: Amplitudensteller PC Ansteuerschaltung Entwicklung und Aufbau eines analogen vierstufigen FIR-Filters Entwurf und Aufbau einer elektronischen Ansteuerschaltung mit Schnittstelle zum PC G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 8

Einleitung - Aufgabenstellung FIR- Filter AS AS AS AS AS: Amplitudensteller PC Ansteuerschaltung Entwicklung und Aufbau eines analogen vierstufigen FIR-Filters Entwurf und Aufbau einer elektronischen Ansteuerschaltung mit Schnittstelle zum PC Vergleich von Simulations- und Messergebnissen G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 8

Grundlagen zum FIR-Filter Das Finite Impulse Response Filter (FIR-Filter) s ein ( t) a 0 τ τ τ τ a 1 a 2 a n-2 a n-1 + + + + s aus ( t) G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 10

Grundlagen zum FIR-Filter Das Finite Impulse Response Filter (FIR-Filter) s ein ( t) a 0 τ τ τ τ a 1 a 2 a n-2 a n-1 + + + + s aus ( t) Amplitudensteller G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 10

Grundlagen zum FIR-Filter Das Finite Impulse Response Filter (FIR-Filter) s ein ( t) a 0 τ τ τ τ a 1 a 2 a n-2 a n-1 + + + + s aus ( t) Verzögerungsglieder G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 10

Grundlagen zum FIR-Filter Das Finite Impulse Response Filter (FIR-Filter) s ein ( t) a 0 τ τ τ τ a 1 a 2 a n-2 a n-1 + + + + s aus ( t) s aus (t) = a 0 s ein (t)+a 1 s ein (t τ)+a 2 s ein (t 2 τ)+... +a n 1 s ein (t (n 1) τ) = n 1 k=0 a k s ein (t k τ) G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 10

Grundlagen zum FIR-Filter Das Finite Impulse Response Filter (FIR-Filter) s ein ( t) τ τ τ τ a 0 a 1 a 2 a n-2 a n-1 + + + + s aus ( t) S aus (ω) = S ein (ω) n 1 a k e jkωτ k=0 1 a k 1 G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 10

Grundlagen zum FIR-Filter Schaltungskonzept des vierstufigen analogen FIR-Filters im s ein ( t) Mikrowellenbereich τ τ Z L Z L a 0 a 1 a 2 a n-1 s aus ( t) G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 11

Grundlagen zum FIR-Filter Anforderung an Amplitudensteller: Breitbandige variable Gewichtung Ein 1 a k 1 Aus G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 12

Grundlagen zum FIR-Filter Anforderung an Amplitudensteller: Breitbandige variable Gewichtung Aufbau eines Amplitudenstellers des FIR-Filters im Mikrowellenbereich Aus 2 (0 ) Ein (0 ) 180 0 Phasensplitter Gewichtungsstufen P Aus 3 (180 ) Aus (0 oder 180 ) G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 12

Die Ansteuerschaltung Steuerung der Amplitudensteller via PC G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 14

Die Ansteuerschaltung Steuerung der Amplitudensteller via PC Eingabe der gewünschten Gewichtungen 1 a k 1 in MATLAB G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 14

Die Ansteuerschaltung Steuerung der Amplitudensteller via PC Eingabe der gewünschten Gewichtungen 1 a k 1 in MATLAB Variable Spannungen für die Gate-Anschlüsse der FETs in den Gewichtungsstufen G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 14

Die Ansteuerschaltung Steuerung der Amplitudensteller via PC Eingabe der gewünschten Gewichtungen 1 a k 1 in MATLAB Variable Spannungen für die Gate-Anschlüsse der FETs in den Gewichtungsstufen hier: Vier Amplitudensteller mit jeweils zwei FETs in den Gewichtungsstufen Acht variable Gate-Spannungen G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 14

Die Ansteuerschaltung Steuerung der Amplitudensteller via PC Eingabe der gewünschten Gewichtungen 1 a k 1 in MATLAB Variable Spannungen für die Gate-Anschlüsse der FETs in den Gewichtungsstufen hier: Vier Amplitudensteller mit jeweils zwei FETs in den Gewichtungsstufen Acht variable Gate-Spannungen Erweiterbarkeit G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 14

Die Ansteuerschaltung Anschlüsse des digitalen Vierfachpotentiometers A A1 W1 B1 analoges Potentiometer B W AD5203 A2 W2 B2 A3 W3 B3 A4 W4 B4 Vier einzelne digitale Potentiometer G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 15

Die Ansteuerschaltung Anschlüsse des digitalen Vierfachpotentiometers A Serial Data Input Clock Chip Select SDI CLK CS AD5203 A1 W1 B1 A2 W2 B2 A3 W3 analoges Potentiometer Vier einzelne digitale Potentiometer B W B3 A4 W4 B4 G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 15

Die Ansteuerschaltung Anschlüsse des digitalen Vierfachpotentiometers A Serial Data Input Clock Chip Select SDI CLK CS AD5203 A1 W1 B1 A2 W2 B2 A3 W3 analoges Potentiometer Vier einzelne digitale Potentiometer B W Serial Data Output SDO B3 A4 W4 B4 G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 15

Die Ansteuerschaltung Format des digitalen SDI-Wortes Addresse Daten A1 A0 D5 D4 D3 D2 D1 D0 2 5 2 7 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 2 6 G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 16

Die Ansteuerschaltung Format des digitalen SDI-Wortes Addresse Daten A1 A0 D5 D4 D3 D2 D1 D0 2 5 2 7 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 2 6 Zeitlicher Verlauf der Eingangssignale SDI 1 0 A1 A0 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CLK 1 0 CS 1 0 G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 16

Die Ansteuerschaltung SDI-Datenwort zur Daisy Chained Verkettung von zwei digitalen Vierfachpotentiometern AD5203 +5 V SDI-Datenwort Bits 9-16 Bits 1-8 { { AD5203 R P =1 kω AD5203 SDI SDO SDI SDO IC1 IC2 G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 17

Die Ansteuerschaltung Die Ansteuerschaltung mit Optokoppler-Schaltung PC Optokoppler- Schaltung Vierfach- Optokoppler G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 18

Die Ansteuerschaltung Entprell- Flip-Flop Taster SDI Taster CLK Mittelabgriffe +5 V GND Gate-Anschlüsse der FETs in den Gewichtungsstufen Treiber-ICs Schalter CS Schalter (PC/MAN) Digitale Potentiometer G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 19

Simulation & Aufbau des FIR-Filters Schaltplan zum Amplitudensteller Term1 Z=50 Ohm Phasensplitter Gewichtung nicht invertierend Gewichtung invertierend Term2 Z=50 Ohm G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 21

Simulation & Aufbau des FIR-Filters Aus Ein Phasensplitter Gewichtungsstufen G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 22

Simulation & Aufbau des FIR-Filters V CC + Der einzelne FET als Phasensplitter Ein (0 ) C K R D R S T C K C K Aus2 (180 ) Aus3 (0 ) Aus Ein Phasensplitter Gewichtungsstufen G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 22

Simulation & Aufbau des FIR-Filters Schaltplan zum Phasensplitter (einzelner FET) +5 V V_DC=Vg RD=250 Ohm L=47 uh Port Num=1 L=47 uh Gate Drain mgf1302 Source Port Num=2 L=47 uh Port Num=3 RS=250 Ohm G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 23

Simulation & Aufbau des FIR-Filters Die RF-Coke ADCH-80 von MINI-CIRCUITS 2 0 s 11 (db) 0 2 4 6 8 10 12 s 21 (db) 10 20 30 40 50 14 0 1 2 3 4 5 f (GHz) 60 0 1 2 3 4 5 f (GHz) G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 24

Simulation & Aufbau des FIR-Filters V CC + Der einzelne FET als Phasensplitter Ein (0 ) C K R D R S T C K C K Aus2 (180 ) Aus3 (0 ) Aus Ein Phasensplitter Gewichtungsstufen G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 25

Simulation & Aufbau des FIR-Filters V CC + Der einzelne FET als Phasensplitter Ein (0 ) C K R D R S T C K C K Aus2 (180 ) Aus3 (0 ) Aus V CC + Ein Phasensplitter Gewichtungsstufen Ein (0 ) R D T 1 T 2 R D C K C K Aus2 (180 ) Aus3 (0 ) Der Differenzverstärker als Phasensplitter C K R S V CC - G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 25

Simulation & Aufbau des FIR-Filters Schaltplan zum Phasensplitter (Differenzverstärker) +5 V RD=150 Ohm RD=150 Ohm Port Num=2 RF- Choke RF- Choke Port Num=1 R=100 kohm Gate1 RF- Choke Drain1 mgf1302 Source mgf1302 RF- Choke Drain2 RS=360 Ohm Gate2 RF- Choke R=100 kohm Port Num=3-5 V G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 26

1 2 Simulation & Aufbau des FIR-Filters Schaltplan zur Gewichtungsstufe Port Num=1 C_Pad1 Gate2 Gate1 MLIN W=0.2 mm L=3 mm Drain mgf1501 ID=id Source C_Pad1 RFchoke Port Num=2 R=100 kohm Vdc=V_Steuer V_DC Vdc=5 V G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 27

Simulation & Aufbau des FIR-Filters Schaltplan zum Transistormodell basierend auf einer mdf-datei Gate S2P_Eqn S2P1 Drain Port Num=1 DC_Block DC_Block Port Num=2 DC_Feed DAC DC_Block I_DC=ID DataAccessComponent DAC1 Source Port Num=3 G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 28

Simulation & Aufbau des FIR-Filters Schaltplan zum kompletten FIR-Filter Term Num=1 AS MLIN L=80 cm AS MLIN L=80 cm AS MLIN L=80 cm AS R=50 Ohm MLIN L=37 mm MLIN L=37 mm MTEE_ADS MLIN L=8,5 mm MTEE_ADS MLIN L=8,5 mm MTEE_ADS MLIN L=8,5 mm MTEE_ADS Term Num=2 R=50 Ohm AS: Amplitudensteller G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 29

Simulation & Aufbau des FIR-Filters RF-Choke 2 Gewichtungsstufen PI-Dämpfungsglied Amplitudensteller Phasen- splitter- FET G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 30

Simulation & Aufbau des FIR-Filters Messaufbau des FIR-Filters PC Ansteuerschaltung FIR-Filter Netzwerkanalysator Spannungsversorgung ERA- Verstärker G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 31

Ergebnisse - Amplitudensteller Amplitudensteller mit Differenzverstärker als Phasensplitter 2 3 4 5 s 21 6 7 8 Sim. ADS n. inv. 9 Sim. ADS inv Gemessen + 9,5 db n. inv. Gemessen + 9,5 db inv. 10 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 f (MHz) G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 33

Ergebnisse - Amplitudensteller Amplitudensteller mit einzelnem FET als Phasensplitter 9 9.5 10 s 21 (db) 10.5 11 Sim. ADS n. inv. 11.5 Sim. ADS inv. Gemessen n. inv. Gemessen inv. 12 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 f (MHz) G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 34

Ergebnisse - Amplitudensteller Amplitudensteller mit einzelnem FET als Phasensplitter 200 195 190 Phasendifferenz ( ) 185 180 175 170 165 Gemessen Sim. ADS 160 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 f (MHz) G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 35

Ergebnisse - FIR-Filter 25 Sim. MATLAB ( 20 db) Sim. ADS Gemessen 30 Amplitude (db) 35 40 45 50 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 f (GHz) G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 36

Ergebnisse - FIR-Filter 0 Gemessen Sim. ADS 20 Gemessen Sim. ADS 10 40 s 11 (db) 20 30 40 s 12 (db) 60 80 50 100 60 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 f (GHz) 120 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 f (GHz) 4 Gemessen Sim. ADS 6 s 22 (db) 8 10 12 14 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 f (GHz) G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 37

Zusammenfassung und Ausblick Analoges FIR-Filter entwickelt und aufgebaut Ansteuerschaltung ermöglicht PC-Steuerung Zwei verschiedene Konzepte des breitbandigen Phasensplittings analysiert: Differenzverstärker: große Abweichungen Einzelner FET: gute Übereinstimmung Simulation und Messung beim FIR-Filter vergleichbar Für höhere Frequenzen nur monolithisch integriert G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 39

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! G. Joormann FIR-Filter für Ultra Wide Bandwidth Beamformer, 08.09.2005 40