Bandteilende Empfängerkonzepte für die drahtlose 6G Datenübertragung bis 160 Gb/s (B A U D O T)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Ellinger; Professor Dr.-Ing. Rolf Kraemer
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458074433

Für drahtlose HF-Frontends wurden Rekord-Datenraten von bis zu 120 Gb/s unter Ausnutzung der heute verfügbaren großen HF-Bandbreiten demonstriert. Eine zentrale Herausforderung ist jedoch noch nicht gelöst. Diese ultraschnellen, drahtlosen Kommunikations-Frontends beinhalten nicht die digitale Basisbandverarbeitung und die Analog-Digital-Wandler (ADC) auf der Systemplatine. Für die schnellsten Systeme werden die digitalen Verarbeitungsfunktionen und die Analog-Digital-Wandlung durch teure, sperrige, schwere und leistungshungrige Labormessgeräte durchgeführt. Daher gibt es heute keine vollständige Integration auf dem Bord und keine kompakten Lösungen für die drahtlose Kommunikation über 100 Gb/s hinaus. Um dieses Problem zu lösen, wollen wir in BAUDOT neuartige Empfängerkonzepte untersuchen, die auf der Link-Virtualisierung durch einen intelligenten Hypervisor basieren, der die Aggregation mehrerer Basisbandmodulen mit niedrigerer Geschwindigkeiten ermöglicht, die wiederum auf „Bandsplitting Mixer-Arrays“ abgebildet werden. Weitere Bandsplitting und Multiplexer-Techniken im Antennen- und Basisbandbereich können somit kombiniert werden. Dieser Ansatz ermöglicht es, die kritischen Basisband- und ADC-Module mit deutlich niedrigeren Geschwindigkeiten zu betreiben und den Gesamtenergieverbrauch zu senken. Um große Bandbreiten mit hochverstärkenden Antennen zu ermöglichen, nutzen wir Frequenzbänder um 200 GHz. Eine exemplarische Implementierung basiert auf zwei 20 GHz Antennenpfaden, die jeweils durch das Mixer-Array in vier IQ-Pfade je 5 GHz aufgeteilt werden. Somit ist mit 16-QAM (Quadratur-Amplitudenmodulation) eine Rekord- Gesamtempfängerdatenrate von bis zu 2 × 20 GHz × 4 Bit/s/Hz = 160 Gb/s möglich, wobei lediglich Basisband- und ADC-Module mit moderaten Auflösungen von 4-5 Bit und relativ geringer Bandbreite von nur 5 GHz benötigt werden. Dies vereinfacht die digitale Verarbeitung, das Packaging und Systemintegration massiv. Der Hypervisor stellt die Link-Virtualisierung sicher, d.h. die Aufteilung der ultraschnellen Bitströme in mehrere Streams mit geringerer Geschwindigkeit. Die Modularität ermöglicht einen skalierbaren Ansatz und eine energieeffiziente Implementierung durch performanzabhängiges Schalten der Module. Mit 4 × 4 Antennenarrays und einem Antennengewinn von ca. 17 dBi zielen wir auf Kommunikationsreichweiten bis zu 5 m ab. Die dielektrischen Resonator-Antennenanordnungen werden durch rückseitige Ätzung in Silizium zur Integration auf dem Chip realisiert. Unser Ziel ist es, das RF-Frontend in hochenergieeffizienter BiCMOS-Technologie des IHP mit einem Rekord fmax (maximale Schwingungsfrequenz) von bis zu 610 GHz zu entwickeln. BAUDOT vereint die multidisziplinären Kompetenzen von Frank Ellinger im Bereich Millimeterwellen-IC Design und Rolf Kraemer im Bereich Hochgeschwindigkeitsbasisband, Datenlinkkontrolle, Antennen und Kommunikationssysteme.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen