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Abstrakt in Englisch

The present work covers the realization of an optical wireless transceiver for multiple gigabit per second in a small form factor for the integration in portable devices. The work aims to provide a bidirectional positioning-tolerant transceiver which can be used for docking stations or as connector replacement where radio frequency solution are not reliable or deliver not sufficient high data rates. The starting point of this work are IrDA-transceivers with data rates of few kilobit or megabit per second, which have been later replaced by faster and more comfortable radio frequency systems. Based on that, the motivation is to provide an optical wireless transceiver in the gigabit range. In the first part, the work investigates the electrical and optical transmission characteristics of the transceiver for short distances in the centimeter range. The work pursues the way of broadband intensity modulation based on laser diodes and shows the increasing challenges of a wide radiation angle with increasing data rates. The investigations start with the conception of available and integratable technologies. Optical and electrical relationships are analyzed and a suitable architecture is derived. This results in a link budget, which represents the scope of the communication range of the gigabit transceiver. In further steps, the transceiver is simulated and optimized regarding its optical properties. Based on the results of measurements of the realized transceivers, the communication quality is comprehensively displayed. In addition, the work emphasizes the challenging full-duplex communication in the investigations. Compared to half-duplex communication, on the first hand full-duplex communication challenges with crosstalk, but, on the other hand, it provides a simpler low-latency communication. In the second part, the present work deals with the system context of digital data processing and bidirectional optical communication. The work describes the embedding of the optical-wireless transceiver in a communication system. With the goal of miniaturizing the form factor, it will be investigated to what extent further protocol layers and standardized data interface can be integrated into the transceiver. Based on the creation of a framing logic as a chip, the area requirement is determined.

Abstrakt in Deutsch

Diese Arbeit befasst sich mit der Realisierung eines optisch-drahtlosen Transceivers für mehrere Gigabit pro Sekunde, mit einem kleinen Formfaktor zur Integration in tragbare Geräte. Ziel ist es einen bidirektionalen, positionierungstoleranten Transceiver zu ermög­lichen, der in Anwendung­en wie zum Beispiel in Docking-Stationen oder als Steckerersatz dienen kann, in denen bestehende Funklösungen nicht zuverlässig sind oder genügend hohe Datenraten bereitstellen können. Ausgangspunkt dieser Arbeit sind IrDA-Transceiver mit Datenraten von wenigen Kilobit bis Megabit pro Sekunde, die mit der Zeit von schnelleren und komfortableren Funksystemen verdrängt wurden. Die Moti­vation ist, diese Art der optisch-drahtlosen Transceiver im Gigabit-Bereich zu ermög­lichen. Die Arbeit untersucht im ersten Teil die elektrischen und optischen Übertragungseigen­schaften des Transceivers für kurze Distanzen im Zentimeterbereich. Die Arbeit verfolgt dabei den Weg der breit­bandigen Intensitätsmodulation auf Basis von Laserdioden und zeigt die steigenden Herausforderungen eines weiten Abstrahl­verhaltens bei zunehm­enden Datenraten. Die Untersuchungen beginnen mit der Kon­zeption verfügbarer und integrationsfähiger Technologien. Optische und elektrische Zusammenhänge werden analysiert und eine geeignete Architektur daraus abgeleitet. Dies mündet in ein Link‑Budget, welches den Parameterraum des Kommunikations­bereiches der Gigabit-Transceiver darstellt. In den weiteren Schritten wird der untersuchte Trans­ceiver mit seinen optischen Eigen­schaften simuliert und optimiert. Messergebnisse der reali­sierten Transceiver stellen die Kommunikationsqualität umfas­send dar. Die Arbeit legt in den Untersuchungen zusätzlich Wert auf die heraus­fordernde Vollduplex-Kommunikation. Im Vergleich zur Halbduplex-Kommuni­kation besitzt diese die Proble­matik des Übersprechens, jedoch sogleich einen vereinfachten und latenzärmeren Kommunikationsablauf. Die Ergebnisse zeigen eine erfolgreiche bidirektionale Übertragung für verschiedene Gigabit-Datenraten in Bezug zur Signal­leistung, der Reichweite und dem Abstrahlbereich. Im zweiten Teil geht die vorliegende Arbeit auf den Systemkontext der digitalen Datenverarbeitung und der bidirektionalen optischen Kommunikation ein. Die Arbeit beschreibt die Einbettung des optisch-drahtlosen Transceivers in ein Kommunikations­system. Mit dem Ziel der Miniaturisie­rung des Formfaktors wird untersucht, inwiefern sich weitere Protokollschichten und eine standardi­sierte Datenschnittstelle in den Transceiver integrieren lassen. Anhand der Erstel­lung einer Framing-Logik als Chip wird der Flächenbedarf ermittelt.