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Abstrakt in Englisch

Future wireless communications systems are envisioned to utilize the vast amount of available spectrum in the sub-terahertz bands above 100 GHz to provide data rates in the order of 100 Gbit/s and above. However, the analog-to-digital converter (ADC) power consumption is anticipated to be a significant bottleneck if conventional system designs are employed at these frequencies, e.g., because the ADC power consumption grows quadratically with the input bandwidth for wideband systems. Hence, we study two system designs aiming to mitigate the ADC bottleneck. First, we propose a holistic design of an acquisition system for a multivariate analog input process, with the goal to recover a random parameter vector, referred to as the task. Conventional designs commonly employ task-agnostic ADCs designed to minimize the mean squared error (MSE) in reconstructing the analog input signal. In contrast, we aim to jointly optimize the acquisition system in light of the task under a constraint on the bit rate at the output of the ADCs, which relates to the system’s implementation complexity and power consumption. We analytically characterize the MSE-minimizing analog and digital filters for a fixed ADC configuration and the corresponding minimum achievable MSE. From these analytical results, we obtain design guidelines for practical acquisition systems. A numerical study of the proposed design shows the potential for considerable savings in terms of the digital rate budget and for moderate ADC power consumption savings. Second, as an alternative approach, we consider shifting the resolution from the amplitude to the time domain, i.e., by employing 1-bit quantization and temporal oversampling. This is a very promising approach to mitigate the ADC bottleneck because the power consumption typically grows exponentially with the amplitude resolution measured in bits. It is also a good match for modern semiconductor processes that offer fast switching capabilities while providing only limited voltage headroom for amplitude processing. For such systems employing 1-bit quantization and temporal oversampling, we present a zero-crossing modulation (ZXM) transceiver design including an efficient mapping of bits onto the distance between zero-crossings, which encode the information, and a receiver generating soft information despite 1-bit quantization. The proposed transceiver is tailored and evaluated for a wideband line-of-sight channel model capturing transmission at the considered frequency bands. We show numerically that the proposed transceiver design outperforms state-of-the-art 1-bit temporal oversampling systems in terms of spectral efficiency and allows for significant ADC power consumption savings, hence, mitigating the ADC bottleneck. However, the improved energy efficiency comes at the cost of a reduced spectral efficiency compared to conventional systems employing high-resolution quantization.

Abstrakt in Deutsch

Zukünftige drahtlose Kommunikationssysteme werden vorrausichtlich das freie Spektrum in den Sub-Terahertz-Bändern oberhalb von 100 GHz nutzen um Datenraten in der Größenordnung von 100 Gbit/s und mehr zu ermöglichen. Es wird jedoch erwartet, dass die Leistungsaufnahme der Analog-Digital-Wandler (ADC) ein signifikanter Engpass für solche Systeme wird, wenn konventionelle Systemdesigns bei diesen Frequenzen eingesetzt werden, u. a., weil die ADC-Leistungsaufnahme quadratisch mit der Eingangsbandbreite für breitbandige Systeme wächst. Daher untersuchen wir in dieser Arbeit zwei Systemdesigns, die den ADC-Engpass möglicherweise überwinden könnten.

Zunächst schlagen wir ein ganzheitliches Design eines Erfassungssystems für einen multivariaten analogen Eingangsprozess vor, das darauf abzielt, einen zufälligen Parametervektor, das sogenannte Task, zu rekonstruieren. Konventionelle Systemdesigns verwenden typischerweise aufgabenunabhängige ADCs, die darauf ausgelegt sind, den mittleren quadratischen Fehler (MSE) bei der Rekonstruktion des analogen Eingangssignals zu minimieren. Im Gegensatz dazu zielen wir darauf ab, das Erfassungssystem im Hinblick auf das Task unter einer Restriktion an die Bitrate am Ausgang der ADCs ganzheitlich zu optimieren, wobei das Ratenbudget einen Einfluss auf die Komplexität und den Stromverbrauch des Systems hat. Wir charakterisieren analytisch die MSE-minimierenden analogen und digitalen Filter für eine feste ADC-Konfiguration und den entsprechenden minimal erreichbaren Fehler. Aus diesen analytischen Ergebnissen leiten wir Designrichtlinien für praktische Erfassungssysteme ab. Eine numerische Studie des vorgeschlagenen Designs zeigt das Potenzial für beträchtliche Einsparungen im Hinblick auf das digitale Ratenbudget und für moderate Einsparungen beim ADC-Stromverbrauch.

Zweitens betrachten wir den alternativen Ansatz, die Auflösung von der Amplituden- in die Zeitdomäne zu verlagern, indem wir am Empfänger 1-Bit-Quantisierung und zeitliche Überabtastung einsetzen. Dies ist ein sehr vielversprechender Ansatz um den ADC-Engpass zu entschärfen, da der ADC-Stromverbrauch typischerweise exponentiell mit der ADC-Amplitudenauflösung, gemessen in Bits, wächst. Dieser Ansatz eignet sich auch gut für moderne Halbleiterprozesse, die schnelle Schaltgeschwindigkeiten bieten, aber nur einen sehr begrenzten Voltage Headroom für die Amplitudenverarbeitung bereitstellen. Für solche Systeme mit 1-Bit-Quantisierung und zeitlicher Überabtastung stellen wir ein Transceiver-Design für ein Zero-Crossing-Modulation (ZXM)-System vor, welches eine effiziente Abbildung von Bits auf den Abstand zwischen Nulldurchgängen, welche die Informationen kodieren, beinhaltet, sowie einen Empfänger, der trotz 1-Bit-Quantisierung Soft-Informationen erzeugt. Der vorgeschlagene Transceiver wird für ein breitbandiges Line-of-Sight-Kanalmodell ausgelegt und evaluiert, welches die Übertragung auf den betrachteten Frequenzbändern erfasst. Wir zeigen numerisch, dass das vorgeschlagene Transceiver-Design den aktuellen Stand der Technik für Systeme mit 1-Bit-Quantisierung und zeitlicher Überabtastung in erreichbarer spektraler Effizienz übertrifft und signifikante Einsparungen beim ADC-Stromverbrauch ermöglicht, wodurch der ADC-Engpass überwunden werden kann. Die verbesserte Energieeffizienz geht jedoch einher mit einer reduzierten spektralen Effizienz im Vergleich zu konventionellen Systemen, welche hochauflösende Quantisierung verwenden.