Die vorliegende Arbeit beschreibt die Analyse und den Entwurf eines vollintegrierten Empfängers im UHF-Bereich mit dem Ziel, für die Verwendung im Mobilfunkstandard der vierten Generation geeignet zu sein, aber auch eine Einschätzung bezüglich der Anwendbarkeit eines solchen Empfängers für Geräte der fünften Generation vorzunehmen. Bei dem Empfängerkonzept handelt es sich um einen direkt digitalisierenden Empfänger, d.h. das Empfangssignal wird direkt mittels Analog-Digital-Umsetzer digitalisiert und vorher nicht auf eine niedrigere Trägerfrequenz abwärtsgemischt. Der Analogteil eines direkt digitalisierenden Empfängers besteht also nur aus einem LNA und einem ADU. Diese Empfängertopologie stellt hohe Anforderungen an den ADU und bildet deshalb den Fokus dieser Arbeit. Für die Untersuchungen des Empfängerkonzepts wurde sich auf eine Implementierung für niedrige Mobilfunkfrequenzbänder beschränkt, weshalb für den Entwurf festgelegt wurde, eine Trägerfrequenz von 750MHz mit einer Signalbandbreite von 20MHz empfangen und verarbeiten zu können. Der Entwurf erfolgte in einer 28nm CMOS Technologie, sollte flächen- und stromsparend sein, sich aber auch für zukünftige Technologieknoten mit noch höherer Integrationsdichte eignen, ohne die analogen Schaltblöcke gesondert bei der Technologiewahl berücksichtigen zu müssen. Somit konnten integrierte Spulen in der Empfängerkette nicht verwendet werden. Zugleich muss im Empfänger der Alias-Effekt unterdrückt werden. Um diese strengen Rahmenbedingungen ohne exorbitante Stromaufnahme zu erfüllen, kommt als ADU-Topologie nur ein zeitkontinuierlicher Sigma-Delta-Modulator in Frage. Dazu musste das Schleifenfilter des Sigma-Delta-Modulators komplett neu entworfen werden, was u.a. den Entwurf einer einstellbaren hochgütigen aktiven Spule erforderte. Das Empfängerkonzept konnte erfolgreich an der gefertigten Schaltung verifiziert werden, der gemessene dynamische Bereich blieb jedoch weit hinter dem ursprünglich anvisierten Ziel von 84dB zurück. Es konnte lediglich ein dynamischer Bereich von 59dB bei einer Leistungsaufnahme von 36,4mW und einer maximalen Auflösung von 4,5 Bit erreicht werden. Nachfolgende Untersuchungen des Konzepts zeigen aber Lösungsansätze auf, mit denen die Auflösung auf 8,7 Bit und der Dynamikbereich auf 69dB gesteigert werden kann.

As the fifth generation of telecommunications is deployed, and the number of devices transmitting in the microwave bands grows, effective filtering technologies are becoming ever more important. When a filter is designed, some performance trade-offs have to be made, and one of them is the trade-off between filter size and electrical performance. This thesis addresses this tradeoff by proposing two fourth order all-pole Chebyshev filters in the Ku band realised in suspended integrated stripline technology, which combine a small physical footprint with high unloaded Q-values. These characteristics make it possible to create more compact systems, or increase the filtering capability in systems where the existing filter size is the limiting factor. The first filter was designed with the goal of maximum compactness, with the resonators made up of metallic strips on both sides of the microwave substrate, with intra-resonator capacitive coupling between the strip, and inter-resonator capacitive coupling mainly between adjacent resonators. The second filter was made slightly larger but with improved electrical performance, with the main difference being a via shorting the resonator strips together, largely confining the electric field to the suspended integrated stripline’s air cavity. The comparison between these filters allows a potential systems engineer to make an informed decision on how compact a filter could be while still providing good enough performance. Both filters had a return loss less than 20 dB in the entire passband, the first filter had an insertion loss ranging from -2.15 dB to -1.6 dB, and the second filter had an insertion loss ranging from -2 dB to -1.1 dB. / I takt med att den femte generationen av telekommunikationsteknologi utvecklas och lanseras så finner sig kommunikationssystem i en allt mer brusig signalmiljö. Fler och fler system kommer att behöva dela på det tillgängliga elektromagnetiska spektrat, och därmed behövs allt mer effektiv teknologi för att filtrera signalerna, både på mottagar- och sändarsidan. Trådlös kommunikation sker med hjälp av elektromagnetisk strålning inom radiospektrat, och dessa signaler kräver speciella mikrovågskomponenter för förstärkning och filtrering. Mikrovågsfilter konstrueras ofta som stora och materialkrävande kavitetsfilter i metall, eftersom denna typ av filter har lägst förluster av de vanligt förekommande filtertyperna. Den stora materialåtgången är en uppenbar nackdel ur en hållbarhetssynpunkt, och storleken på filtret kan i vissa kompakta tillämpningar utgöra en begränsning av ett systems filtreringsförmåga. Detta examensarbete presenterar därmed två nya filter för Ku-bandet i integrerad hängande-substrat-stripline-teknologi, vars konstruktion kombinerar ett kompakt format med relativt låga energiförluster. Dessa filter utgör ett alternativ för framtida system som både kan tillåta miniatyrisering av system där filtrena är den begränsande faktorn storleksmässigt, såväl som att möjliggöra ökad filteringskapabilitet för redan kompakta system. Det första filtret, vars mål var maximal kompakthet hade förluster mellan -2.15 dB och -1.6 dB i passbandet, medan det andra filtret hade något större dimensioner och hade förluster mellan -2 dB och -1.1 dB. Då filtrena konstruerades i form av diskreta komponenter med koaxialdon, så är de angivna förlusterna till viss del orsakade av donen och dess omgivande struktur i filtrena. Förlusterna kan alltså vidare minimeras om filtrena i stället konstrueras som en del av ett integrerat system, direkt anslutna till en eller flera angränsande komponenter.

In vielen Kommunikationssytemen wird Information durch die zeitliche Struktur von Signalen kodiert. Ein neuronales System, welches rhythmische Signale verarbeitet, sollte davon profitieren, seine inhärenten Filtereigenschaften den Frequenzcharakteristika dieser Signale anzupassen. Die Grille Gryllus bimaculatus stellt ein einfaches biologisches System dar, für welches nur wenige, spezifische Modulationsfrequenzen verhaltensrelevant sind. Ich habe einzelne Neuronen im peripheren und höheren auditorischen System der Grille hinsichtlich einer möglichen Anpassung auf diese Frequenzen untersucht. Hierfür habe ich extrazelluläre Elektrophysiologie mit verschiedenen Stimulationsparadigmen kombiniert, welche auf amplitudenmodulierten Tönen basierten. Die Analyse der experimentellen Daten ergab, dass bereits in der auditorischen Peripherie einige der untersuchten Neurone Bandpasseigenschaften aufwiesen, da sie verhaltensrelevante Modulationsfrequenzen mit den höchsten Feuerraten beantworteten. Anhand einfacher mathematischer Modelle demonstriere ich, wie weitverbreitete, zellintrinsische und netzwerkbasierte Mechanismen die beobachteten Feuerratenresonanzen erklären könnten. Diese Mechanismen umfassen unterschwellige Resonanz von Membranströmen, aktivitätsabhängige Adaptation, sowie das Zusammenwirken von Exzitation und Inhibition. Ich zeige, wie eine serielle Kombination solcher elementarer Filter die deutliche Selektivität im Verhalten der Grille erklären könnte, ohne dabei auf ein dediziertes Filterelement zurückzugreifen. Allgegenwärtige neuronale Mechanismen könnten demnach eine dezentralisierte Filterkaskade in einem hochspezialisierten und größenbeschränkten neuronalen System begründen. / In many communication systems, information is encoded in the temporal pattern of signals. For rhythmic signals that carry information in specific frequency bands, a neuronal system may profit from tuning its inherent filtering properties towards a peak sensitivity in the respective frequency range. The cricket Gryllus bimaculatus is a simple biological system for which only a narrow range of modulation frequencies is behaviorally relevant. I examined individual neurons in the peripheral and higher auditory system for tuning towards specific temporal parameters and modulation frequencies. To this end, I combined extracellular electrophysiology with different stimulation paradigms involving amplitude-modulated sounds. Analysis of the experimental data revealed that—even in the auditory periphery—some of the examined neurons acted as tuned band-pass filters, yielding highest firing-rates for behaviorally relevant modulation frequencies. Using simple computational models, I demonstrate how common, cell-intrinsic or network-based mechanisms could account for the experimentally observed firing-rate resonances. These mechanisms include subthreshold resonances, spike-triggered adaptation, as well as the interplay of excitation and inhibition. I present how a serial combination of such elementary filters could explain the strong selectivity evident in the cricket’s behavior—without the need for a dedicated filter element. Pervasive neuronal mechanisms could therefore constitute an efficient, distributed frequency filter in a highly specialized, size-constrained neuronal system.

With the explosive development of wireless communication systems the specifications of the supporting hardware platforms have become more and more demanding. According to the long term goals of the industry, future communications systems should integrate a wide variety of standards. This leads to the idea of software defined radio, implemented on fully reconfigurable hardware.Among other reconfigurable hardware blocks, suitable for the software radio concept, an outstanding importance belongs to the reconfigurable filters that are responsible for the selectivity of the system. The problematic of filtering is strictly connected to the architecture chosen for a multi-mode receiver realization. According to the chosen architecture, the filters can exhibit low pass or band pass frequency responses.The idea of reconfigurable frequency parameters has been introduced since the beginning of modern filtering applications due to the required precision of the frequency response. However, the reconfiguration of the parameters was usually done in a limited range around ideal values. The purpose of the presented research is to transform the classical filter structures with simple self-correction into fully reconfigurable filters over a wide range of frequencies. The ideal variation of the frequency parameters is continuous and consequently difficult to implement in real circuits. Therefore, it is usually sufficient to use a discrete programming template with reasonably small steps.There are several methods to implement variable frequency parameters. The most often used programming templates employ resistor and capacitor arrays, switched according to a given code. The low pass filter implementation proposed in this work uses a special switching template, optimized for a quasi-linear frequency variation over logarithmic axes. The template also includes the possibility to compensate errors caused by component tolerances and temperature. Another important topic concerns the implementation of programmable band pass filters, suitable for IF sampling receivers. The discussion is centered on the feasibility and the flexibility of different band pass filter architectures. Due to the high frequency requirements, the emphasis lays on filters that employ transconductance amplifiers and capacitors. / Die rasch fortschreitende Entwicklung drahtloser Kommunikationssysteme führt zu immer anspruchsvolleren Spezifikationen der diese Systeme unterstützenden Hardwareplattformen. Zukünftige Kommunikationssysteme sollen übereinstimmend mit den längerfristigen Zielen der Industrie verschiedene Standards integrieren. Dies führt zu der Idee von vollständig rekonfigurierbarer Hardware, welche mittels Software gesteuert wird.Inmitten anderer rekonfigurierbarer Hardwareblöcke, die für das Software Radio Konzept geeignet sind, besitzen die steuerbaren Filter, welche wesentlichen Einfluss auf die Selektivität des Systems haben, eine enorme Bedeutung. Die Filterproblematik ist eng mit der gewählten Architektur der standardübergreifenden Empfängerrealisierung verknüpft. Die Filter können entsprechend der ausgesuchten Architektur Tiefpass- oder Bandpasscharakter annehmen.Die Idee rekonfigurierbarer Frequenzparameter wurde bereits mit Beginn moderner Filteranwendungen auf Grund geforderter Frequenzganggenauigkeit umgesetzt. Jedoch wurde die Parameterrekonfiguration üblicherweise nur in einem begrenzten Bereich um die Idealwerte herum vorgenommen. Das Ziel der vorgestellten Forschungsarbeit ist es, diese klassischen Filterstrukturen mit einfacher Selbstkorrektur in über große Frequenzbereiche voll rekonfigurierbare Filter zu transformieren. Idealerweise werden die Frequenzparameter kontinuierlich variiert weswegen sich die Implementierung in reellen Schaltkreisen als schwierig erweist. Deshalb ist es üblicherweise ausreichend, ein diskretes Steuerschema mit kleinen Schrittweiten zu verwenden.Es gibt verschiedene Methoden, variable Frequenzparameter zu implementieren. Die meisten Schemata verwenden Widerstands- und Kondensatorfelder, die entsprechend eines Kodes geschaltet werden. Die in dieser Arbeit vorgestellte Implementierung eines Tiefpassfilters nutzt ein spezielles Umschaltschema, welches für die quasi-lineare Frequenzvariation bei Darstellung über logarithmischen Axen optimiert wurde. Es beinhaltet weiterhin die Möglichkeit, Fehler zu kompensieren, die durch Bauelementtoleranzen und Temperaturschwankungen hervorgerufen werden.Ein weiteres interessantes Thema betrifft die Implementierung steuerbarer Bandpassfilter, die für Empfänger mit Zwischenfrequenzabtastung geeignet sind. Die Betrachtung beschränkt sich hierbei auf die Durchführbarkeit und Flexibilität verschiedener Bandpassfilterarchitekturen. Auf Grund hoher Frequenzanforderungen liegt der Schwerpunkt auf Filtern, die auf Transkonduktanzverstärkern und Kondensatoren basieren.

Massive multiple input multiple output - MIMO systems are a reality and modern communication systems rely upon this technology to cope with the increasing need for capacity and network usage. Antenna arrays are at the heart of the of the massive-MIMO system and are the enabling technology. The defining cost of such a system is the number of transmit receive ports TRx as they dictate the number of control points and the associated digital control computational capacity. Typically users are spread along the azimuth and there is limited angular user spread along elevation. This enables us to group the elements in elevation which of course limits the elevation scanning performance. The element grouping result in grating lobes when we do elevation scanning. In the newly introduced frequency range 3 - FR3 in the envisioned 6G communication systems that is from 6-20 GHz it will not be allowed to transmit power above the horizon and the resulting grating lobes from the standard grouping should be mitigated. This project is structured into two parts. In the first part a grating lobe mitigation technique based on irregular subarray grouping utilizing the wellknown Penrose irregular tessellation is developed. This tessellation is based into two geometrical shapes where when put together they can fully tile the space aperiodically. Introducing this apperiodicity the grating or quantization lobes of the array are mitigated. In addition, in the first part a beam forming algorithm is developed based on particle swarm optimization that is able to produce the optimal weights for the array steering as well as optimize some of the embedded patterns of the irregular grouping. The last optimization step of the irregular subarray patterns is utilized only when the grouping results in a narrow pattern in azimuth and as a result we have static single port beamforming networks. This of course is a trade off between the broadside gain and the azimuth steerability of the array. In the second part of this thesis two low loss band pass filters have been developed with a PCB integrated suspended stripline techology. The filters were optimised for the frequencies within FR3. The resulted filtering structures can further be integrated at the input port of the proposed feeding network with the same technology. The two parts of this thesis target to introduce on one hand a antenna array architecture with subarray groupings that produce no grating lobes and on the other hand the proposed filtering structures have small enough dimensions to fit within the subarray footprint. / Dagens moderna kommunikationssystem använder sig av Massive multiple input multiple output (m-MIMO) för att kunna möta det allt större kraven på kapacitet och nätverksanvändning. Gruppantenner är den mest fundamentala delen av massive-MIMO system och möjliggör dess funktion. För ett sådant system (m-MIMO-system), så kommer den största kostnaden från antalet sändare/mottagare (TRx) -portar som används. Antalet portar i ett massiveMIMO system bestämmer vilken kapacitet systemet har till hands när det gäller lobformning. Vanligtvis är användare utspridda i det horisontella planet, samtidigt som de är begränsade i sin spridning i höjdled. Detta möjliggör användandet av en gruppantenn som grupperar sina antennelement i höjdled, vilket såklart begränsar gruppantennens lobformning i höjdled. Grupperandet av antennelement skapar sidlober när gruppantennen lobformar i höjdled. I det nya frekvensbandet, 3 - FR3 i det föreställda 6G kommunikationssystemet som opererar mellan 6-20 GHz, så kommer det inte att vara tillåtet att sända ut effekt över horisonten, samtidigt som de sidlober som kommer från standardgruppering måste begränsas. Detta projekt är strukturerat i två delar. I första delen så presenteras ett sätt att lindra sidlober, som baseras på irreguljära gruppantenner via Penrose tessellation. Denna tessellation är indelad i två geometriska former sådan att när vi sätter ihop dem så kan de framgångsrikt täcka vår geometri icke-periodvist. Genom att introducera denna icke-periodicitet så kan sidloberna från gruppanetnnen lindras. Utöver detta så är också så är en lobformningsalgoritm skapad som baseras på particle swarm optimization (PSO), som kan skapa de optimala vikterna för lobformning och lobstyrning. Det sista optimiseringssteget av de irreguljära gruppantennmönstret används bara när gruppering av antennelement resulterar i ett snävt mönster i azimut-riktning. Därför använder vi ett statiskt enportsmatningsnätverk. Detta är såklart en vägning mellan bredsideförstärkning och förmågan att kunna lobforma i det horisontella planet. I den andra delen så har två låg förlust bandpassfilter utvecklats med en PCB-integrerad suspended sripline teknik. Filtrerna optimerades för frekvenser inom FR3. De resulterande filterstrukturerna kan integreras längs input-porten av det föreslagna matningsnätverket som använder sig av den samma teknik. De två delarna i denna uppsats presenterar dels en gruppantenn med irreguljär antennelementsindelning som lindrar sidlober, samt dels filterstrukturer som kan användas tillsammans med gruppantennen.

With the explosive development of wireless communication systems the specifications of the supporting hardware platforms have become more and more demanding. According to the long term goals of the industry, future communications systems should integrate a wide variety of standards. This leads to the idea of software defined radio, implemented on fully reconfigurable hardware.Among other reconfigurable hardware blocks, suitable for the software radio concept, an outstanding importance belongs to the reconfigurable filters that are responsible for the selectivity of the system. The problematic of filtering is strictly connected to the architecture chosen for a multi-mode receiver realization. According to the chosen architecture, the filters can exhibit low pass or band pass frequency responses.The idea of reconfigurable frequency parameters has been introduced since the beginning of modern filtering applications due to the required precision of the frequency response. However, the reconfiguration of the parameters was usually done in a limited range around ideal values. The purpose of the presented research is to transform the classical filter structures with simple self-correction into fully reconfigurable filters over a wide range of frequencies. The ideal variation of the frequency parameters is continuous and consequently difficult to implement in real circuits. Therefore, it is usually sufficient to use a discrete programming template with reasonably small steps.There are several methods to implement variable frequency parameters. The most often used programming templates employ resistor and capacitor arrays, switched according to a given code. The low pass filter implementation proposed in this work uses a special switching template, optimized for a quasi-linear frequency variation over logarithmic axes. The template also includes the possibility to compensate errors caused by component tolerances and temperature. Another important topic concerns the implementation of programmable band pass filters, suitable for IF sampling receivers. The discussion is centered on the feasibility and the flexibility of different band pass filter architectures. Due to the high frequency requirements, the emphasis lays on filters that employ transconductance amplifiers and capacitors. / Die rasch fortschreitende Entwicklung drahtloser Kommunikationssysteme führt zu immer anspruchsvolleren Spezifikationen der diese Systeme unterstützenden Hardwareplattformen. Zukünftige Kommunikationssysteme sollen übereinstimmend mit den längerfristigen Zielen der Industrie verschiedene Standards integrieren. Dies führt zu der Idee von vollständig rekonfigurierbarer Hardware, welche mittels Software gesteuert wird.Inmitten anderer rekonfigurierbarer Hardwareblöcke, die für das Software Radio Konzept geeignet sind, besitzen die steuerbaren Filter, welche wesentlichen Einfluss auf die Selektivität des Systems haben, eine enorme Bedeutung. Die Filterproblematik ist eng mit der gewählten Architektur der standardübergreifenden Empfängerrealisierung verknüpft. Die Filter können entsprechend der ausgesuchten Architektur Tiefpass- oder Bandpasscharakter annehmen.Die Idee rekonfigurierbarer Frequenzparameter wurde bereits mit Beginn moderner Filteranwendungen auf Grund geforderter Frequenzganggenauigkeit umgesetzt. Jedoch wurde die Parameterrekonfiguration üblicherweise nur in einem begrenzten Bereich um die Idealwerte herum vorgenommen. Das Ziel der vorgestellten Forschungsarbeit ist es, diese klassischen Filterstrukturen mit einfacher Selbstkorrektur in über große Frequenzbereiche voll rekonfigurierbare Filter zu transformieren. Idealerweise werden die Frequenzparameter kontinuierlich variiert weswegen sich die Implementierung in reellen Schaltkreisen als schwierig erweist. Deshalb ist es üblicherweise ausreichend, ein diskretes Steuerschema mit kleinen Schrittweiten zu verwenden.Es gibt verschiedene Methoden, variable Frequenzparameter zu implementieren. Die meisten Schemata verwenden Widerstands- und Kondensatorfelder, die entsprechend eines Kodes geschaltet werden. Die in dieser Arbeit vorgestellte Implementierung eines Tiefpassfilters nutzt ein spezielles Umschaltschema, welches für die quasi-lineare Frequenzvariation bei Darstellung über logarithmischen Axen optimiert wurde. Es beinhaltet weiterhin die Möglichkeit, Fehler zu kompensieren, die durch Bauelementtoleranzen und Temperaturschwankungen hervorgerufen werden.Ein weiteres interessantes Thema betrifft die Implementierung steuerbarer Bandpassfilter, die für Empfänger mit Zwischenfrequenzabtastung geeignet sind. Die Betrachtung beschränkt sich hierbei auf die Durchführbarkeit und Flexibilität verschiedener Bandpassfilterarchitekturen. Auf Grund hoher Frequenzanforderungen liegt der Schwerpunkt auf Filtern, die auf Transkonduktanzverstärkern und Kondensatoren basieren.