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SPARS - Entwicklung neuartiger System- und Komponenten-Architekturen für zukünftige innovative 100  GBit/s Kommunikationssysteme

Antragsteller

Prof. Dr.-Ing. Manfred Berroth

Prof. Dr.-Ing. Frank Ellinger

Prof. Dr.-Ing. Martin Vossiek

Prof. Dr.-Ing. Robert Weigel

Zusammenfassung

Das Ziel dieses Projektes besteht darin, neue Systemkonzepte und Komponenten für innovative 100 GBit/s Kommunikationssysteme zu entwickeln. Die vorgeschlagene Systemarchitektur basiert auf einer neuartigen Kombination eines superregenerativen Amplituden-Demodulators mit dem innovativen Konzept der gepulsten, regenerativen Phasenabtastung. Dieser Ansatz soll als extrem leistungsfähige Systemarchitektur für energieeffiziente Ultrahochgeschwindigkeits-Kommunikationssysteme etabliert werden, die mit geringer Komplexität im Systemaufbau quadraturmodulierte drahtlose Kommunikation mit Datenraten von 100 GBit/s bei mm-Wellen Frequenzen bis zu 250 GHz ermöglicht. Dabei kommt ein Switched Injection-Locked Oscillator (SILO) als gepulster Verstärker basierend auf positiver Rückkopplung mit sehr hoher einstufiger Verstärkung (> 60 dB) zum Einsatz, der sowohl die Phase als auch die Amplitude eines schwachen quadraturmodulierten Signals regenerieren kann, das in seine Rückkoppelschleife eingespeist wird. Dieses Konzept ermöglicht den Verzicht auf lange Ketten energetisch ineffizienter Linearverstärker, die nahe der Transitfrequenz aktueller, leistungsfähiger Halbleiterprozesse nur geringe Verstärkungen pro Stufe erzielen. Zusätzlich entfällt die PLL, die zur Stabilisierung von mm-Wellen Loka-loszillatoren in konventionellen Systemkonzepten erforderlich ist: Im Sender Frontend wird das mm-Wellen Signal mit Hilfe eines Frequenzmultiplizierers erzeugt, anschließend verlustbehaftet quadraturmoduliert und mit dem SILO regeneriert. Im Empfänger werden je zwei aufeinanderfolgende Pulse, die mit dem SILO auf einen bekannten Amplitudenbereich regeneriert wurden, zur Demodulation miteinander gemischt. Folglich ergibt sich ein signifikantes Potential zur Reduktion von Stromverbrauch und Systemkomplexität. Um fundamentale theoretische Grundlagen für dieses Konzept zu schaffen, wird ein systemtheoretisches Modell abgeleitet, analysiert und simuliert. Dabei sind insbesondere die speziellen technologischen Grenzen der extrem breitbandigen Implementation bei Frequenzen bis zu 250 GHz zu berücksichtigen, z.B. begrenzte Kreisverstärkung, Rauschen, Schaltartefakte und deren Einfluss auf die SILO-basierte Kombination von Amplituden-Regeneration und Phasenabtastung. Zur Demonstration werden vollständige Sender- und Empfänger-Frontends basierend auf integrierten Schaltkreisen in aktueller High-End Silizium-Germanium Technologie implementiert. Diese beinhalten 25 GBit/s Analog-zu-Digital- und Digital-zu-Analog-Umsetzer, die – zum ersten Mal – für niedrigen Stromverbrauch und geringe Ausgangsamplituden optimiert sind im Vergleich zu aktuellen, existierenden Komponenten, die hauptsächlich für optische Kommunikation eingesetzt werden.

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