Systemsimulation des analogen und digitalen Frontends für rekonfigurierbare Multistandard-Mobilfunkempfänger

In this work the requirements of a reconfigurable mobile phone receiver front-end, operable for W-CDMA/HSDPA, GSM/EDGE, and IS95/cdma2000 standards, are derived. To evaluate the system’s performance, the receiver analyses are extended to cover the whole receiver chain from the antenna port to the specified user data. The proposed front-end comprises the RF front-end, the analog-to-digital conversion stage using a sigma-delta analog-to-digital converter with a fixed sampling rate, as well as a digital front-end. The RF front-end architecture includes an LNA, a zero-IF quadrature downconversion stage for wideband signals, and a reconfigurable third order butterworth low-pass filter with variable gain. In case of narrow-band systems, the same path can be used for downconversion to a low IF-frequency and subsequent filtering using a third-order polyphase filter. The digital front-end is composed of a digital downconverter for the low-IF signals, decimation and channel filters to reduce the requirements of the digital interface, and a fractional sampling rate converter to adapt the output data rate to the desired chip or symbol rate in the digital baseband chip. The digital baseband data processing is analyzed to derive new signal quality criterions, which are equivalent to the various specified standard requirements. These quality criterions are defined for system performance evaluation at the interface after the demodulation. In this way, the simulations for standard conform operation can be performed without consideration of the different digital data processing stages, e.g. for coding and rate matching. This increases on the one hand the number of bits available for evaluation and on the other hand the required bit error probability and thus reduces extremely the high simulation time. So called monte-carlo simulations with higher oversampling ratio, and thus with higher simulation bandwidth, can be performed for accurate standard conform operation tests with a reduced number of required time slots. The selected critical test cases in terms of RF front-end non-linearity are investigated for proper prediction of distortions caused by cross- and intermodulation. The tradeoff between the effort spent in the duplexer and interstage RF-filter and the requirements imposed on the LNA and on the RF front-end chip in terms of linearity and phase noise is emphasized. To increase the receiver’s flexibility, mainly by high digitization, tradeoffs between filtering in the analog and in the digital front-end are investigated. The effect of the image rejection and the baseband filtering on the system performance is explored in the case of low-IF downconversion. The use of discrete time behavioral models for the ADCs further decreases the simulation time and the need for an analog simulator can also be circumvented. The influence of the reconfigurable ADCs, as well as the impact of the following decimation, fractional sampling rate conversion, and channel filtering stages are analyzed. Simulation results of the effect of group delay and in-band gain variation are presented and an optimized digital front-end architecture, enabling a digital interface between the RF front-end and the baseband chip, is proposed. Solutions for the improvement of the system performance in a specific test case by proper design of the digital front-end or by later implementation in the synchronization algorithm, are also suggested. The incorporation of the baseband signal processing into the simulation of the RF and the digital front-end creates the possibility to evaluate the whole system performance. Detailed examinations of the RAKE receiver show how the analog front-end requirements can be relaxed and additional performance improvements can be achieved. A standard conform operation at the different specification test cases is proven for the wireless standards considered in this work.In dieser Arbeit werden die Anforderungen an einen rekonfigurierbaren Mobilfunkempfänger 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 Kanalfilter 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 Signalqualitätskriterien abzuleiten. Diese Kriterien ersetzen die in den verschiedenen Mobilfunkstandards 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 Bitfehlerwahrscheinlichkeit. 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-Chip 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 nachfolgenden 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 Anforderungen an das analoge Frontend verringert und zusätzliche Leistungsverbesserungen erzielt werden können. Ein standard-konformer Betrieb in den verschiedenen spezifizierten Testfällen für die in dieser Arbeit betrachteten Mobilfunkstandards konnte nachgewiesen werden