System simulation of the analog and digital front-end for reconfigurable multi-standard wireless receivers [Elektronische Ressource] = Systemsimulation des analogen und digitalen Frontends für rekonfigurierbare Multistandard-Mobilfunkempfänger / vorgelegt von Karim Chabrak

System Simulation of the Analog and DigitalFront-End for Reconfigurable Multi-StandardWireless ReceiversSystemsimulation des analogen und digitalen Frontends fürrekonfigurierbare Multistandard-MobilfunkempfängerDer Technischen Fakultät derUniversität Erlangen-Nürnbergzur Erlangung des GradesDoktor-Ingenieurvorgelegt vonDipl.-Ing. Karim ChabrakErlangen 2006Als Dissertation genehmigt vonder Technischen Fakultät derUniversität Erlangen-NürnbergTag der Einreichung : 24. April 2006Tag der Promotion : 25. August 2006Dekan : Prof. Dr.-Ing. Alfred LeipertzBerichterstatter : Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. Robert WeigelProf. Dr. Dipl.-Ing. Richard HagelauerDanksagungDie vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit am Lehrstuhl fürTechnische Elektronik der Universität Erlangen-Nürnberg. Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. Robert Weigel danke ich ganz besonders nicht nur für die Förderung meinerArbeit, die erst durch ihn ermöglicht wurde, sondern auch für seinen unermüdlichenEngagement für seine Mitarbeiter und seine stetige Ermutigung. Des Weiterenbedanke ich mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Richard Hagelauer für seine Bereitschaftals Gutachter mitzuwirken.Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt durch die Firma Infineon TechnologiesAG München. Bei allen die mir mit Rat und Tat zur Seite standen möchte ich michbedanken. Besonders möchte ich Herrn Dr.
Publié le : dimanche 1 janvier 2006
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System Simulation of the Analog and Digital
Front-End for Reconfigurable Multi-Standard
Wireless Receivers
Systemsimulation des analogen und digitalen Frontends für
rekonfigurierbare Multistandard-Mobilfunkempfänger
Der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen-Nürnberg
zur Erlangung des Grades
Doktor-Ingenieur
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Karim Chabrak
Erlangen 2006Als Dissertation genehmigt von
der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen-Nürnberg
Tag der Einreichung : 24. April 2006
Tag der Promotion : 25. August 2006
Dekan : Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz
Berichterstatter : Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. Robert Weigel
Prof. Dr. Dipl.-Ing. Richard HagelauerDanksagung
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit am Lehrstuhl für
Technische Elektronik der Universität Erlangen-Nürnberg. Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.-
Ing. habil. Robert Weigel danke ich ganz besonders nicht nur für die Förderung meiner
Arbeit, die erst durch ihn ermöglicht wurde, sondern auch für seinen unermüdlichen
Engagement für seine Mitarbeiter und seine stetige Ermutigung. Des Weiteren
bedanke ich mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Richard Hagelauer für seine Bereitschaft
als Gutachter mitzuwirken.
Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt durch die Firma Infineon Technologies
AG München. Bei allen die mir mit Rat und Tat zur Seite standen möchte ich mich
bedanken. Besonders möchte ich Herrn Dr. Linus Maurer der Firma DICE GmbH in
Linz und Herrn Gernot Hueber vom Institut für Integrierte Schaltungen in Linz für die
erheiternden Diskussionen und die gute Zusammenarbeit danken.
Meinen Kollegen danke ich für die angenehme Arbeitsatmosphäre. Ein beson-
derer Dank gebührt meinen Zimmerkollegen und langjährigen Freunden Steffen
Reinhardt und Kay Seemann, die immer ein offenes Ohr für meine Probleme hatten
und mich stetig unterstützt haben, sowohl beruflich als auch privat.
Bei meinen Freunden und Bekannte, die für einen Ausgleich zwischen dem
beruflichen und privaten Leben gesorgt haben, möchte ich mich auch bedanken.
Besonders hervorzuheben ist vor allem Frau Irmgard Raisig, die mit Ihrer Lebenser-
fahrung immer den richtigen Rat und die motivierende Wörter parat hatte.
Schließlich möchte ich mich bei meiner Familie vor allem bei meinen Eltern
bedanken, die mir bei jedem Schritt meines Lebens den notwendigen Rückhalt gaben
und die mir diese Chance erst ermöglicht haben. Ihnen widme ich diese Dissertation,
die ohne ihren unermüdlichen Einsatz niemals entstanden wäre.
Erlangen, im August 2006 Karim Chabrak.Zusammenfassung
In dieser Arbeit werden die Anforderungen an einen rekonfigurierbaren Mobil-
funkempfänger für UMTS/HSDPA, GSM/EDGE und IS95/cdma2000 ermittelt und
eine geeignete Frontend-Empfängerarchitektur vorgeschlagen. Um die Systemleistung
zu evaluieren, erstrecken sich die Untersuchungen auf die gesamte Empfangskette von
der Antenne bis zur Benutzerdatenrückgewinnung.
Das vorgeschlagene Frontend beinhaltet das HF-Frontend, die Analog-Digital-
Umsetzerstufe und das digitale Frontend. Die HF-Frontend-Architektur beinhaltet
einen LNA, eine Zero-IF Quadratur-Mischstufe für breitbandige Signale und
ein rekonfigurierbares Butterworth-Tiefpassfilter dritter Ordnung mit regelbarem
Gewinn. Im Falle schmalbandiger Signale wie z.B. bei GSM kommen die gleichen
Empfangsblöcke zum Einsatz. Das Signal wird auf eine tiefe Zwischenfrequenz
umgesetzt und die Tiefpassfilter werden umkonfiguriert, um die Eigenschaften eines
Polyphasen-Filters nachzubilden. Das digitale Frontend besteht aus einer digitalen
Frequenzumsetzungsstufe für die Low-IF-Signale, einem Dezimierungs- und Kanal-
filter und einem Abtastratenwandler, um die Ausgangsdatenrate an die gewünschten
Chip- bzw. Symboldatenraten im digitalen Basisbandchip anzupassen. Somit können
auch die Anforderungen an die digitale Schnittstelle zwischen dem HF-Frontend-Chip
und dem digitalen Basisband-Chip reduziert werden.
Die digitale Basisbandsignalverarbeitung wird analysiert, um neue Signalqualitäts-
kriterien abzuleiten. Diese Kriterien ersetzen die in den verschiedenen Mobilfunkstan-
dards spezifizierten Systemanforderungen. Somit kann die Systemleistung nicht nur
im Bereich der Benutzerdaten ausgewertet werden sondern auch an der Schnittstelle
am Ausgang des digitalen Demodulators. Auf diese Weise können Simulationen
zur Überprüfung des standard-konformen Betriebs durchgeführt werden, ohne die
verschiedenen digitalen Signalverarbeitungsschritte wie zum Beispiel Decodierung
und Datenratenanpassung betrachten zu müssen. Dies erhöht gleichzeitig die
Anzahl der verfügbaren Bits für die Auswertung und der erforderlichen Bitfehler-
wahrscheinlichkeit. Somit wird die nötige Simulationszeit erheblich reduziert, da
eine verminderte Anzahl von Zeitschlitzen benötigt wird. So genannte Monte-Carlo-
Simulationen für genaue Tests des standard-konformen Betriebs können mit einer
höheren Überabtastungsrate bzw. mit einer höheren Bandbreite durchgeführt werden.
Er werden ausgewählte kritische Testfälle hinsichtlich der HF-Frontend-Linearität
untersucht, um Verzerrungen durch Kreuzmodulation und Intermodulation genau
zu bestimmen. Der notwendige Kompromiss zwischen dem Aufwand im Duplexer
und im HF-Filter und den Anforderungen an den LNA und den HF-Frontend-Chipii Zusammenfassung
hinsichtlich Linearität und Phasenrauschen wird herausgearbeitet.
Um die Flexibilität des Empfängers durch eine hohe Digitalisierung zu verbessern,
wurde der Kompromiss zwischen Filterung im analogen und Filterung im digitalen
Bereich untersucht. Der Einfluss der Spiegelfrequenzsignalunterdrückung und der
Basisbandfilterung auf die Systemleistung wird im Falle der Low-IF-Mischung
untersucht.
Durch die Beschreibung des ADUs mit Hilfe eines zeitdiskreten Verhaltensmodells
kann die Simulationszeit weiter verringert und der Einsatz eines analogen Simulators
vermieden werden. Die Einflüsse des rekonfigurierbaren ADUs und der nachfolgen-
den Dezimierungs- und Kanalfilterungsblöcke werden analysiert. Der Einfluss der
Gruppenlaufzeit und des Amplitudenverlaufs innerhalb des betrachteten Bandes wurde
simulativ untersucht und es wird ein optimiertes digitales Frontend vorgeschlagen.
Ansätze zur Verbesserung der gesamten Systemleistung für spezielle Testfälle, die
durch geeignetes Design des digitalen Frontends bzw. des Basisbandchips erreicht
werden können, werden vorgeschlagen.
Die Einbindung der Basisband-Signalverarbeitung in die Simulation des HF-Frontends
und des digitalen Frontends bietet die Möglichkeit zur Evaluation der gesamten
Systemleistung. Detaillierte Analysen des RAKE-Empfängers zeigen, wie die An-
forderungen an das analoge Frontend verringert und zusätzliche Leistungsverbesserun-
gen erzielt werden können. Ein standard-konformer Betrieb in den verschiedenen
spezifizierten Testfällen für die in dieser Arbeit betrachteten Mobilfunkstandards kon-
nte nachgewiesen werden.Inhalt
1 Einleitung 1
1.1 Stand der Technik 2
1.2 Zielsetzung 6
2 Mobilfunkstandards und Empfänger-Testfälle 9
2.1 9
2.1.1 GSM und EDGE 9
2.1.2 W-CDMA und HSDPA 15
2.1.3 IS-95 und cdma2000 19
2.2 Empfänger-Testfälle 23
2.2.1 Minimaler und maximaler Eingangspegel 23
2.2.2 Nachbarkanal-Selektivität und Blocker 26
2.2.3 Intermodulation 29
2.2.4 Einton-Desensibilisierung 30
3 Empfängerarchitekturen 31
3.1 HF-Frontend-Architekturen 32
3.1.1 Zero-IF-Empfänger 32
3.1.2 Low-IF-Empfänger 33
3.2 Analog-Digital Umsetzer 34
3.3 Digitales Frontend 36
3.3.1 IIR-Filter 37
3.3.2 FIR-Filter 43
4 Simulation des Basisbandempfängers 45
4.1 Digitale Basisbandempfängerarchitekturen 45
4.1.1 GSM und EGDE 46
4.1.2 IS-95 und cdma2000 47
4.1.3 W-CDMA und HSDPA 48
4.2 Kodierungsgewinn 49
4.2.1 Simulationsaufbau 49
4.2.2 Simulationsergebnisse 51
4.3 Kanalschätzung, Synchronisation und Demodulation 56
4.3.1 GMSK- und 8-PSK-Demodulation 56
4.3.2 BPSK- und QPSK-Demodulation 57
4.3.3 16-QAM-Demodulation 59
4.4 Zusammenfassung 62iv
5 Simulation des analogen Frontends 63
5.1 Anforderungen an das HF-Filter 64
5.1.1 1dB-Kompressionspunkt 64
5.1.2 Aliasing im ADU 67
5.2 Gewinn und Rauschzahl 68
5.3 Anforderungen an das Basisbandfilter 69
5.3.1 GSM und EDGE 70
5.3.2 W-CDMA und cdma2000 71
5.4 Linearitätsanforderungen des HF-Frontends 72
5.4.1 Kreuzmodulation von CDMA-Signalen 73
5.4.2 Intermodulation dritter Ordnung 76
5.5 Anforderungen an das Phasenrauschen des Lokaloszillators 78
5.6 Anforderungen an die Symmetrie des I- und Q-Pfades 80
5.7 Zusammenfassung 86
6 Simulation den ADUs und des digitalen Frontends 87
6.1 Sigma-Delta-ADU 87
6.1.1 Rausch-Transferfunktion 88
6.1.2 Signal-T 89
6.2 Anforderungen an den Dezimierungsfilter 91
6.2.1 Dezimierung auf vierfacher Datenrate 94
6.2.2 auf zweifacher 96
6.2.3 Zusammenfassung 98
6.3 Realisierung des Kanalfilters 99
6.3.1 cdma2000-Empfangskette 101
6.3.2 W-CDMA-Empfangskette 103
6.3.3 GSM- und EDGE-Empfangskette 104
6.3.4 Zusammenfassung 108
7 Simulation des gesamten Systems 109
7.1 IS-95- und cdma2000-Simulation 109
7.1.1 Untersuchung des RAKE-Empfängers für cdma2000 109
7.1.2 ADU-Simulation 121
7.2 W-CDMA- und HSDPA-Simulation 123
7.2.1 Simulation mit Interstage-Filter 123
7.2.2 ohne 124
7.2.3 Einfluss von Interpolation bei 16-QAM-Modulation 125
7.3 GSM- und EDGE-Simulation 127
7.3.1 Basisbandfilter-Grenzfrequenz bei 150 kHz 127
7.3.2 bei 775 kHz 129
8 Zusammenfassung und Ausblick 133
Literaturverzeichnis 135
———————————————————-Einleitung
In den letzten zwei Jahrzehnten übertraf die Entwicklung des Mobilfunkmarktes alle
Erwartungen. Wegen des gewachsenen Bedarfs an Datendiensten wie Internet- und
anderen Multimedia-Applikationen stieg auch in den letzten Jahren die Menge der
übertragenen Daten pro Anwender. Diese Dienste, die erst durch zusätzliche Er-
weiterungen des 2G-Standards (z.B. GPRS, HSCSD und EDGE) ermöglicht wurden,
haben schnell an Popularität gewonnen. Um den Bedarf an flexibleren und höheren
Datenraten erfüllen zu können, war eine neue Generation von Mobilfunkstandards, die
Anwendungen wie das Abhalten von Videokonferenzen ermöglichen, unumgänglich:
die so genannte "Dritte Generation" (3G).
Aus der Sicht des Netzbetreibers konnte durch die Einführung der CDMA-Technik
(Code Domain Multiple Access) in den 3G-Systemen eine effizientere Frequenzban-
dauslastung und eine dynamische Kapazitätsanpassung des Netzwerkes erreicht
werden. Der Einfluss des Mehrwegeschwunds wurde in den neuen Systemen durch
die höhere Bandbreite reduziert. Eine statistische Mittelung der frequenzselektiven
Störungen, die in den früheren TDMA-Systemen (Time-Division-Multiple-Access)
durch Frequenzsprungverfahren (Frequency-hopping) erreicht wurde, findet in den
3G-Systemen somit im digitalen Bereich statt. Da die Trägerfrequenz des Emp-
fangsignals konstant ist, muss die Frequenz des Lokaloszillatorsignals (LO-Signal)
nicht ständig angepasst werden. Durch die Einführung der CDMA-Technik für
3G-Systeme können somit viele Probleme, die früher im 2G-System im analogen
Bereich gelöst wurden, mit mathematischen Algorithmen und einem höheren dig-
italen Aufwand bewältigt werden. Dazu zählt zum Beispiel auch das Wechseln
zwischen den verschiedenen Funkzellen (Handover), das durch Zuweisung eines
neuen Codes (Scrambling code) im digitalen Bereich stattfinden kann. Aus der
Sicht des HF-Designers unterscheiden sich die 3G-Systeme ganz deutlich von den
2G-Systemen, nicht zuletzt hinsichtlich der Signalbandbreite und des Crest-Faktors.
Die in den 3G-Systemen eingeführten Technologien wie zum Beispiel das soge-
nannte FDD (Frequency Domain Duplex) stellen ganz andere Anforderungen an
das HF-Frontend. Bei dem letztgenannten Duplexverfahren liegen Downlink- und
Uplink-Signale gleichzeitig an der Antenne an, was zusätzliche Selektivitäts- und
Linearitätsanforderungen an das HF-Frontend stellt. Trotz der Zunahme der Datenrate
und der Komplexität des digitalen Basisbandteils bleibt somit das HF-Frontend der
Flaschenhals des gesamten Systems.
Im Jahr 1985 begann die ITU (International Telecommunications Union) mit der
Standardisierung der 3G-Systeme mit der Vision, einen globalen Standard mit
einer gemeinsamen HF-Schnittstelle zu entwickeln. Während der Auswertung der
unterschiedlichen Vorschläge stellte sich heraus, dass es wegen den unterschiedlichenvi
verwendeten 2G-Technologien in den verschiedenen Regionen der Welt unmöglich ist,
eine gemeinsame Technologie für alle vorhandenen 2G-Systeme zu finden. Nach ihrer
Einführung müssen 3G-Systeme und Dienstleistungen mit den heutigen 2G-Systemen
koexistieren, da weder Benutzer noch Netzwerkdienstleister einen harten Übergang
von 2G zu 3G bewältigen können beziehungsweise möchten. Folglich stellt der
Übergang von 2G zu 3G nicht nur an den Benutzer aufgrund der flexiblen und
hochbitratigen Datendienste sondern auch an den Konzept- und Schaltungsingenieur
bezüglich neuer Multisystem- und Multistandard-Empfängerkonzepte eine neue
Herausforderung dar. Der Bedarf an rekonfigurierbaren, hochintegrierten Empfängern
mit geringem Leistungsverbrauch und niedrigen Produktionskosten ist somit höher als
je zuvor.
Mobilität & Reichweite
High speed
Rural 3G
UMTS
Vehicular
Urban
HSDPA
WCDMA Rel. 4
Pedestrian
2GShort-range
GSM
IS-95 UWBBluetooth WLAN
Dial-Up DSLFixed
Cable
0.1 1 10 100
Datenrate [Mbps]
Bild 1: Leistung der verschieden Mobilfunkstandards.
Stand der Technik
Technologie: Sowohl seitens der Industrie als auch seitens der Wissenschaft ein hoher
Aufwand wurde betrieben, um die Kosten, die Chipgröße und den Leistungsver-
brauch der Transceiver-Frontends zu senken. Gleichzeitig sollte die Flexibilität
und die Anzahl der unterstützten Anwendung erhöht werden. Wie Moore vor
vielen Jahren voraus sagte (Moore’sches Gesetz [1]), halbiert sich die Kanallänge
der CMOS-Transistoren alle 18 Monate. Diese Entwicklung wurde hauptsächlich
durch digitale Anwendungen, die eine Erhöhung der Schaltungsgeschwindigkeit und
-dichte [2]verlangten, angetrieben. Dies hatte die Reduzierung der Transistorgröße

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