CD-Labor für Nichtlineare Signalverarbeitung

Das Christian Doppler Laboratorium für Nichtlineare Signalverarbeitung, mit einem Jahresbudget von rund 300.000 Euro, beschäftigt sich mit den numerischen Rechenverfahren oder Algorithmen, die das Herzstück der modernen Informations- und Kommunikationstechnik bilden. Zahlreiche Gebrauchsgegenstände der Informationsgesellschaft sind erst durch den Einsatz der Signalverarbeitung Wirklichkeit geworden: vom CD-Player über Mobiltelephone, digitales Fernsehen, ADSL- und VDSL-Modems, DVD- und MP3-Player, Personal Digital Assistants, Videokonferenzsysteme bis hin zur Internet-Telephonie. In den Projektmodulen werden drei Ziele verfolgt: * Die Entwicklung schneller Analog-Digital-Umwandler für den Einsatz in höchstintegrierten Schaltungen * Kompensation von nicht-linearen Verzerrungen in den Endstufen von ADSL-Modems * Die Befreiung von Sprachaufzeichnungen von Hintergrundgeräuschen, Nachhall und Verzerrungen, um in Rundfunk- und Fernseharchiven gezielt nach Information suchen zu können. Nichtlineare Systeme sind in Natur und Technik häufig anzutreffen, wurden jedoch aus Gründen der Komplexität in der Vergangenheit oft vernachlässigt. Das CD-Labor für Nichtlineare Signalverarbeitung stellt sich dieser Herausforderung und bringt Ergebnisse der modernen Mathematik (von der robusten Statistik über automatisches Lernen bis hin zur Chaostheorie) in Systeme der Signalverarbeitung ein.

Modul A: Nonlinear Signal Processing in xDSL Systems

Modul B: Digitale Korrektur analoger Signalverarbeitungsfehler in schnellen Analog-Digital Umsetzern

Modul C: Digitale Vorverzerrung von Hochfrequenz Leistungsverstärkern für UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Basis Stationen
Die in den letzten Jahren stark steigende Anzahl an TeilnehmerInnen in den Mobilfunknetzen hat zur Entwicklung von neuen Standards der dritten Generation wie UMTS geführt. Das Modulations- , sowie das Mehrfachbenutzer- Zugriffsverfahren wurde im Vergleich zu früheren Systemen auf eine entsprechend höhere spekrale Effizienz ausgelegt. Gerade diese Verfahren führen zu starken Schwankungen des Sendesignals in der UMTS Basisstation, und damit zu nichtlinearen Effekten die durch den Leistungsverstärker hervorgerufen werden. Da gerade diese Bauteile zu den teuersten Komponenten zählen, ist man bestrebt, den Leistungsverstärker möglichst effizient in der Nähe des Kompressionspunktes zu betreiben. Das Hauptproblem ist die schon angesprochene dynamische Nichtlinearität, in Kombination mit den Amplitudenschwankungen des Sendesignals. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von flexibleren Entzerrungsmethoden wie die der "Digitalen Predistortion". Hier erfolgt die Inversion der dynamischen Nichtlinearität im digitalen Basisband.

Modul D: Digitale Synthesizer für schnelles Frequenzsprungverfahren im Gigahertz-Bereich
Hochfrequenzsysteme mit schnellem Frequenzsprung erfordern Frequenzsynthesizer, die Multi-Gigahertz-Takte mit einer Bandumschaltzeit in der Größenordnung von einigen zehn Nanosekunden bereitstellen, was schwierige Herausforderungen in Bezug auf Rauschen, Seitenbänder und Verlustleistung mit sich bringt. Herkömmliche Synthesizer auf der Basis eines Phasenregelkreises (PLL) sind aufgrund der langen Einschwingzeiten, die typischerweise einige zehn Mikrosekunden betragen, einfach ungeeignet. Jüngste Forschungen haben die Entwicklung von rauscharmen Hochfrequenzsynthesizern auf digitaler Basis vorangetrieben, bei denen der traditionelle analoge Vorwärtspfad durch einen digitalen Verarbeitungskern und der VCO durch einen digital gesteuerten Oszillator (DCO) ersetzt wird. Zu den Vorteilen solcher Architekturen gehören: einfache Implementierung in die neuesten digitalen CMOS-Technologien, verbesserte Testbarkeit, Robustheit gegenüber PVT-Schwankungen, geringe Empfindlichkeit gegenüber externen Rauschquellen und verbesserte Programmierbarkeit. Da die Frequenzsteuerungsinformationen in digitaler Form in der Schleife gespeichert sind, kann der DCO innerhalb weniger Nanosekunden von einer Frequenz auf eine andere umgeschaltet werden. Es gibt eine ganze Reihe von Aspekten, die in einer Machbarkeitsstudie eingehend untersucht werden müssen.

Modul E: Ultra-Wideband (UWB) Kommunikation
Ultra-Wideband (UWB) -Kommunikation ist eine aufkommende neue Technologie für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungssysteme, von der erwartet wird, dass sie kostengünstige und stromsparende Geräte ermöglicht. Anstelle eines modulierten Trägers werden Ströme von ultrakurzen Impulsen (größer als 1 ns) für die drahtlose Datenübertragung verwendet, was Signale mit großen Bandbreiten (kleiner als 1 GHz), aber mit sehr niedrigen Leistungsdichten ergibt. Die Art des verwendeten Signals macht die Technologie prinzipiell für kostengünstige Implementierungen in der Standard-CMOS-Technologie geeignet. Bevor jedoch UWB-Systeme in großem Umfang und zu geringen Kosten hergestellt werden können, müssen zahlreiche offene Forschungsprobleme gelöst werden. Erst in den letzten Jahren hat die akademische Welt ihre Forschungsaktivitäten auf breiter Front aufgenommen, die Normungs- und Regulierungsbehörden sind sich der Technologie bewusst geworden, und gemeinsame Task-Groups wurden in der Europäischen Union und in den USA gegründet. Frühere Erfahrungen mit UWB-Technologien bestehen aus militärischen Anwendungen wie UWB (Time-Domain, Impuls) -Radarsystemen. Noch immer wird Forschung auf fundamentalem und angewendetem Niveau in großem Maßstab benötigt, um billige und energieeffiziente UWB-Chips verfügbar zu machen. In unserer Forschung wollen wir in verschiedenen Bereichen der Transceiver-Architektur und Signalverarbeitung über den Stand der Technik hinausgehen. Aufgrund der extrem großen Bandbreite, die eine direkte Abtastung des Empfangssignals mit ausreichender Genauigkeit verhindert, wird erwartet, dass ein geradliniges Downscaling von Signalverarbeitungsalgorithmen für herkömmliche Empfänger nicht zu praktischen Lösungen für UWB-Vorrichtungen führen wird. Das heißt, für UWB-Geräte müssen neue Algorithmen für Kanalschätzung, Synchronisation, Mehrbenutzererkennung und andere typische Empfängeraufgaben entwickelt werden. Dies umfasst die Ableitung geeigneter Systemmodelle, einschließlich der Modellierung des Mehrweg-Funkkanals, wie er durch Antennen-Arrays beobachtet wird. Die folgenden Elemente erhalten besondere Aufmerksamkeit: * Erforschung von UWB-Kanalmodellen, die den Multi-Input- / Multi-Output-Fall umfassen * Erforschung von UWB-Transceiver-Algorithmen einschließlich adaptiver Antennen-Array-Algorithmen und Fading-Vorhersage * Optimierung von Transceiver-Algorithmen für eine effiziente Hardware-Implementierung

Modul F: Digitale Synthesizer für schnelle Frequenzsprungsysteme im Gigahertz-Bereich (Phase-Locked-Loop - PLL)