Design Analog FIR Filter for UWB Frequency Band

Arafat, Saeed

UWB technology has drawn great attention after it was regulated in February 2002 in the USA by the FCC1 and in February 2007 in the EU. What makes UWB systems unique is their large instantaneous bandwidth where up to 7.5GHz in the USA or 2.5GHz in the EU are license-free operation for commercial systems. In recent years, more interest has been put into UWB technology worldwide from both industrial and academic research. However, there are still challenges in making this technology live up to its full potential. The FIR filter principle is widely used in DSP, for the realization of filter responses with prescribed frequency behavior. But only relatively few efforts have been made to produce a broadband analog FIR filter circuit for the microwave frequency range. The objective of this thesis is to develop a principle design of an analog FIR filter, which operates over the complete UWB band. In the course of the research different FIR filter concepts were studied and as a result several microwave components for UWB wireless communications applications were developed, in particular the new active node topology which replaces the earlier traveling wave topology in our FIR filter circuit. The final design was fabricated in MIC technology, and measurement results proved the possibility of building analog FIR filters in this technology and also validated the simulation results. Based on the characterization results for the active node prototype, designs for different applications for the analog FIR filter are presented such as adaptive analog filltering where a tunable analog filter is designed which operates over the complete UWB band and supports all filter types (highpass,lowpass, bandpass and bandstop). Eachfilter type is proven with a design example which tries to achieve useful results with a minimum filter order, thus keeping the circuit layout compact: The weighting coeffcients with small values (close to 0) are omitted, but the delay line continues for the next nonzero coeffcients. Another application is in transmit pulse shaping to fulfill the UWB spectrum mask requirements, with an extension to notch filters for transmit and receive which relieve the coexistence with existing narrowband radio systems and at the same time, protect the UWB receiver against interference coming from these. Additional degrees of freedom can be afforded when analog FIR filters are integrated in UWB antenna array beamforming networks: As one example for the more general concept of adaptive antenna, the generation of a frequency invariant radiation pattern for the EU UWB frequency band is presented and one example design proves the ability of insertion of frequency invariant pattern nulls in prescribed directions which can minimize (null) the received power from one or more interference sources.

Die UWB-Technologie hat große Aufmerksamkeit auf sich gezogen, nachdem sie im Februar 2002 in den USA von der FCC und im Februar 2007 in der EU reguliert wurde. Was UWB-Systeme einzigartig macht ist die Tatsache, dass ihre große relative Bandbreite von bis zu 7.5 GHz in den USA und 2.5 GHz in der EU lizenzfrei für kommerzielle Systeme benutzt werden darf. In den letzten Jahren wurde weltweit sowohl akademisch als auch industriell viel Forschung im Bereich UWB-Technologie betrieben. Bis zur Ausschöpfung ihres vollen Potentials gibt es jedoch immer noch Herausforderungen bei der Entwicklung dieser Technologie. Ziel dieser Arbeit ist es, einen prinzipiellen Aufbau eines analogen FIR-Filters, der über das gesamte UWB-Band betrieben werden kann, zu entwickeln. Das FIR-Filter-Prinzip ist in der Digitalen Signal-verabeitung, zur Realisierung von Filterantworten mit vorgegebenem Frequenzverhalten, weit verbereitet. Bisher wurde jedoch nur wenige Forschung in der Entwicklung von breitbandigen analogen FIR-Filterschaltungen für den Mikrowellen-Frequenzbereich betrieben. Während der Realisierung von analogen FIR-Filtern wurden unterschiedliche Konzepte untersucht und mehrere Mikrowellenkomponenten für drahtlose UWB-Kommunikationsanwendungen entwickelt, basierend auf der aktiven Knoten-Topologie. Mit dieser neuen Topologie wird das Wanderwellen-Konzept (Traveling Wave Concept) durch das Knoten-Konzept ersetzt. Der endgültige Filter-Entwurf wurde in MIC-Technologie umgestzt. Die Messergebnisse haben die Möglichkeit des Aufbaus analoger FIR-Filter in dieser Technologie bewiesen und die Simulationsergebnisse validiert. Basierend auf diesen Messergebnissen wurden Ausführungen für verschiedene Anwendungen für das analoge FIR-Filter hergestellt z.B. als adaptive analoge Filter. Dabei wurde ein abstimmbares analoges Filter vorgestellt, das über das gesamte UWB-Band betrieben werden kann und alle Filtertypen (Hochpass, Tiefpass, Bandpass und Bandsperre) unterstützt. Alle Filter-Typen wurden mit Designbeispielen validiert. Eine Reduktion der Filterordnung ist durch Weglassen der kleinen (nahe 0) Filterkoeffizienten möglich, wobei die dazu gehörige Verzögerung, zur Verzögerung des nächsten Elementes (Taps), mit einem Koeffizienten ungleich Null addiert wird. Eine weitere Anwendung ist die Optimierung der Sendeimpulse, um die Anforderungen an die UWB-Spektrumsmaske zu erfüllen. Dies erlaubt die Koexistenz von UWB-Systemen mit bestehenden Schmalbandfunksystemen und schützt gleichzeitig den UWB-Empfänger vor Störungen, die von diesen Systemen hervorgehen. Zusätzlich können FIR-Filter in Beamforming-Netzwerken eingesetzt werden, um ein frequenzinvariantes Strahlungsdiagramm für das EU UWB-Frequenzband zu erzeugen. Das Konzept der adaptiven Antenne und des adaptiven Nulling wurde dabei verwendet. Dieses minimiert die empfangene Leistung von einer oder mehreren Störquellen. Ferner wurde durch Designbeispiele die Einsatzmöglichkeit von frequenzinvarianten Nullstellen in Antennendiagram für vorgegebene Richtungen demonstriert.

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Arafat, Saeed: Design Analog FIR Filter for UWB Frequency Band. 2015.

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