EU-finanzierte Mathematiker setzen das Radiofrequenzdesignpuzzle zusammen
Wissenschaftler aus Europa haben all ihr Wissen und ihre Ideen zusammengelegt und gemeinsam integrierte Simulationsalgorithmen und Tool-Prototypen entwickelt und eingesetzt, um die Grenzen sowohl der existierenden, als auch zukünftigen Radiofrequenz-Designflows zu überwinden. Die Ergebnisse sind Teil des ICESTARS-Projekts ("Integrated circuit/EM simulation and design technologies for advanced radio systems-on-chip"), das unter dem Themenbereich "Informations- und Kommunikationstechnologien" (IKT) im Siebten Rahmenprogramm (RP7) der EU Mittel in Höhe von 2,8 Mio. EUR erhielt. RFIC (radio frequency integrated circuit)-Design wird gegenwärtig mit digitalen und analogen Modulen auf derselben Matrize integriert, wodurch die aktuellen Simulationstools vor erhebliche Herausforderungen gestellt werden. Da der Markt nach immer höheren Bandweiten und Endprodukten mit immer mehr Fähigkeiten verlangt, bewegen sich Radiofrequenzdesigns hin zu höheren Frequenzbereichen und mehr Komplexität. Die Prozesse zur Entwicklung sowohl von EDA (Electronic Design Automation) als auch CAD (Computer-gestütztes Design) - beide unabdingbar für die Entwicklung integrierter Schaltkreise für das Radiofrequenzdesign - sowie die zugrunde liegende Mathematik selbst sind sehr komplex. Die Lösung dieser Probleme bedarf deshalb neuer Modellierungsansätze, neuer mathematischer Lösungsprozesse sowie numerischer Simulationen mit sowohl analogen, als auch digitalen Signalen. Genau dort kommt ICESTARS, ein Konsortium aus fünf führenden europäischen mathematischen Institutionen, zwei Halbleiter- und zwei Softwareherstellern, ins Spiel. "Die Weiterentwicklung des Radiofrequenzdesigns für die Bandbereiche SHF (super high frequency) und EFH (extremely high frequency) bedarf einer neuen Sender/Empfänger-Architektur und CAD-Tools, da die heutigen EDA-Tools nicht für die Herausforderungen eines Hochfrequenzdesigns ausgelegt sind", sagt Jan ter Maten von NXP Semiconductors, einem niederländischen Hersteller von Halbleitern und Partner von ICESTARS. "Forschungsgebiete des Projekts sind die effiziente Verbindung der Frequenzdomains, in denen der Radiofrequenzteil des drahtlosen Senderempfängersystems normalerweise entwickelt wird, und der Zeitdomaine, in der die digitale Signalverarbeitung und Steuerlogik entwickelt werden", erklärt er und fügt hinzu, dass "wir uns bei der elektromagnetischen (EM) Analyse und der gekoppelten Schaltungsanalyse mit der 'Kommunikation' der physikalischen (wie die Kartierung von Vorrichtungen) und der mathematischen Schicht beschäftigen." Das Team verwendet modifizierte Algorithmen zur Lösung dieser Probleme. Mathematische Gleichungen wie die gewöhnliche Differenzialgleichung (ODE), die Differenzial-Algebraische Gleichung (DAE) und die partiell differenziell algebraische Gleichung (PDAE) formen die Grundlage der Zeit- und Frequenzdomainanalyse. Die Forscher haben diese jedoch modifiziert, um die erweiterten Funktionalitäten zur Entwicklung neuer Algorithmen abzudecken, um die Simulationsanforderungen von Schaltkreisen, die auf einer Frequenz jenseits von 3 Gigahertz (Ghz) operieren, zu erfüllen. Was zum Beispiel die wechselseitige Simulation digitaler und analoger Radiofrequenzteile betrifft, reichen die üblichen Zeitdomaintechniken allein bei Weitem nicht aus. Deshalb entwickelten die ICESTARS-Partner einen Prototypen einer adaptiven wellenbasierten Analyse, einen vollkommen neuen Schaltkreissimulationsalgorithmus, und testeten ihn erfolgreich. In einer Circuit-Envelope- Simulation werden Input-Kurvenverläufe als Radiofrequenzträger mit Modulationshüllen dargestellt. Durch Einbetten des Systems der DAEs in partielle DAEs konnte das Projekt einen allgemeinen mathematischen Rahmen formulieren, der auf unterschiedliche Klassen der Radiofrequenzschaltungen angepasst werden kann. Ein optimales dynamisches Splitting ermöglicht eine effiziente Simulation der Frequenz oder amplitudenmodulierten Signale. Adaptionsfähigkeit - die dynamische Simulatoreneinstellung auf die Frequenzantwort von z. B. Verstärker, Filter oder Mixer hinsichtlich Netzwerkparameter oder frequenzabhängigen Geräuschen - war Kern der Frequenzdomainforschung des Projekts. Die Forscher erzielten realistische Einschätzungen der Eingangsbedingungen für die Distortionsanalyse freischwingender Oszillatoren, und zum ersten Mal wurde von ICESTARS ein wirklich exemplarisches Multigerät, ein sogenannter VoHB-Algorithmus, kodiert und für Schaltkreise getestet, die größer als einfache Leistungsverstärker mit nur einem Transistor sind. Um zu beweisen, dass diese und andere Konzepte, die sich die Forscher ausgedacht haben, wirklich funktionieren, wurden sie erfolgreich von Partnern in der Industrie und an der Fachhochschule Oberösterreich getestet.
Länder
Österreich, Niederlande