Prijsuitreiking de heer E. Bechthum
Considerans, uitgesproken door prof.dr.ir. E.R.
Fledderus,
op de KIVI bijeenkomst te Delft op 18 mei 2016
Voorzitter, dames en heren,
In zijn vergadering van 29 januari 2016 heeft het bestuur van de Stichting
Wetenschappelijk Radiofonds Veder besloten de Vederprijs 2015 toe te kennen aan
dr.ir. Elbert Bechthum, "Voor zijn wetenschappelijk onderzoek en optimaal
ontwerp van een geïntegreerde mixer-DAC ten behoeve van breedbandige
multicarrier-transmissie."
Breedbandige multicarrier-transmissie houdt in dat er meerdere carriers door een
zender tegelijkertijd worden verzonden. Elke carrier heeft een bepaald
frequentiegebied, een kanaal, om daarin informatie van één of meer
gebruikers in te verzenden. Bij conventionele 'single carrier'-transmissie wordt
eerst op lage frequentie een carrier gemoduleerd. Dat vindt plaats in het
digitale domein. Dat levert dus een frequentieband, ook wel kanaal genoemd, maar
nog wel bij lage frequentie. Dat digitale signaal wordt dan omgezet naar analoog
met een DA converter. Vervolgens wordt dit omhoog gemoduleerd naar de
uiteindelijke hoge carrierfrequentie en worden met behulp van filters alle
frequentiecomponenten buiten de band goed weg gefilterd. Daarna wordt het via
een vermogensversterker versterkt zodat het via een antenne kan worden
uitgezonden.
Een voorbeeld is GSM; dit is ook het voorbeeld dat in het proefschrift van
Elbert Bechthum is gebruikt. In veel moderne smart phones zit ook (nog) een
GSM-radio en het signaal dat u op die manier ontvangt heeft al de hiervoor
genoemde stappen ondergaan alvorens het uitgezonden werd via één
van de antennes op de dichtstbijzijnde basisstation, zoals u die overal om u
heen kunt zien staan. Omdat er natuurlijk heel veel mensen om u heen ook
signalen ontvangen van dezelfde zender, worden al die signalen, nadat ze elk
versterkt zijn door een vermogensversterker bij elkaar opgeteld via 'power
combiners', alvorens het gecombineerde signaal via de antenne wordt uitgezonden.
Al die verschillende hardware-kanalen, de filters, de combiner, etc. zijn niet
efficiënt in hoeveelheid hardware, vragen ongelooflijk veel vermogen en
zijn duur in opzet en in onderhoud.
Dat brengt ons bij de breedbandige multicarrier-transmissie, die we eerder al
hebben genoemd, waarbij een aantal carriers tegelijkertijd worden verwerkt, door
één digitale basisbandmodulator, één DA,
één analoge
mixer en één vermogensversterker worden verwerkt. Ook het aantal
combiners en filters voor de antenne reduceert hiermee evenredig met het aantal
tegelijkertijd verwerkte signalen. Dat levert al met al dus een hoop winst op in
hardware- en vermogensefficiëntie, en in kosten voor opzet en onderhoud.
Echter, er is ook een nadeel; de combinatie van die frequentiebanden leidt tot
een veel bredere frequentieband die door die gemeenschappelijke hardware
verwerkt moet worden. Dat levert technisch gezien diverse problemen op. Zo moet
de maximale signaaluitsturing nu gedeeld worden door de diverse deelsignalen,
dus per signaal hebben we minder uitsturing ter beschikking, hetgeen slecht is
voor de signaalruisverhouding. De brede band levert ook veel meer ruis op, dus
de eisen aan de signaal-ruisverhouding worden nog hoger. Bovendien moeten de
banden nu, omdat geen externe filters meer mogelijk zijn, onderling erg goed
gescheiden blijven in het frequentiedomein, dus de spectrale zuiverheid moet erg
hoog zijn. Tot slot zijn de lineariteitseisen heel erg hoog, omdat de
deelsignalen anders met elkaar gaan interfereren. Voor de gecombineerde digitale
modulator is dit nog wel te doen. Zowel voor DA als voor de analoge mixer leidt
echter de combinatie van breedbandigheid en lineariteit tot extreem hoge eisen
die alleen met dedicated en complexe elektronica gerealiseerd kan worden. Ook de
flexibiliteit laat nog steeds te wensen over, omdat vanaf de mixer alles analoog
is. Dus wel veel winst, maar het kan nog steeds beter.
Een logische stap lijkt dan de mixer ook digitaal te maken en de omzetting naar
analoog pas daarna te doen. Voor de mixer kan dat, maar voor de DA betekent dit
dat deze op de omhoog gemoduleerde frequenties moet kunnen werken; die snelheden
zijn niet haalbaar, gegeven ook de lineariteitseisen.
En daarmee komen we aan de inbreng van Elbert Bechthum. Hij heeft bovenstaande
situatie goed geanalyseerd en is gekomen met een voorstel voor een gecombineerde
mixer/DA functie op één chip. Die combinatie betekent meer dan de
twee functies samenbrengen op een chip; dat zou nog steeds niet haalbaar zijn.
De clou zit hem in een zeer slimme verstrengeling van beide functies op
circuitniveau; je zou kunnen zeggen dat de mixer binnen in de DA conversie is
geïmplementeerd. De basisfunctie van een DA is dat van elk bit een analoge
stroom wordt gemaakt en dat die stromen worden opgeteld. Heel simpel gezegd kom
het er in het geval van Elbert Bechthum op neer dat er eerst allemaal
nauwkeurige, maar wel gelijke analoge stromen worden gemaakt, die al dan niet
aangezet worden op grond van de digitale informatie; met de signaalafhankelijke
optelling van al deze nauwkeurige eenheidsstroompjes, wordt echter nog gewacht.
Eerst worden die nu omhoog gemoduleerd door de mixer, die gevormd wordt door een
paar extra schakelende transistoren in het signaalpad. Daarna volgt de bitcode,
dus signaalafhankelijke optelling. Op deze manier ziet de mixer nog geen
signaalafhankelijke stromen en daarmee wordt de eis die gesteld wordt aan zijn
lineariteit sterk verlaagd. Dit is natuurlijk een sterk versimpelde weergave die
alleen de basisgedachte weergeeft. In de praktijk komt er veel meer bij kijken,
maar daar gaan we hier niet verder op in.
Wat Elbert heeft gedaan is voor alle multicarriersystemen bruikbaar,
bijvoorbeeld voor LTE waarbij we een bredere band hebben per gebruiker,
maar waarbij de lineariteitseisen wel minder hoog zijn. Elbert heeft echter voor
GSM gekozen, omdat daar de gecombineerde eisen het hoogst zijn. Hij heeft voor
breedbandige multicarrier GSM alles volledig uitgewerkt en tot/met implementatie
op IC geverifieerd. Hij heeft bovendien het frequentiebereik nog eens 2x
opgeschroefd, tot 4GHz; de huidige GSM gaat tot 1990 MHz, maar voor toekomstige
mobiele systemen wordt aan 4 GHz gedacht. In zijn geval kwam het dan neer op een
300 MHz band waarin meerdere van de 200 kHz GSM-kanalen in kunnen worden
geplaatst. Die 300 MHz band kan dan omhooggemoduleerd worden naar keuze ergens
in de totaalband van 400 MHz tot 4 GHz, zodat meerdere van deze systemen deze
totaalband van GSM verder kunnen invullen, alvorens door de antenne te worden
uitgezonden.
Door de verstrengelde en monolitische integratie heeft Elbert kunnen voldoen aan
diverse extreem hoge kwaliteitseisen en tegelijkertijd ook veel voordelen kunnen
bewerkstellingen: zeer lage initiële kosten door de hoge vorm van integratie,
zeer lage vermogensdissipatie, veelzijdige toepasbaarheid, flexibiliteit in
gebruik en goedkope beheerskosten door op afstand te herprogrammeren boards.
Zoals al eerder gezegd heeft Elbert zich bij de uitwerking en verificatie
gericht op GSM, omdat daar de eisen het hoogst zijn. Zijn werk is echter
generiek en voor veel multicarriersystemen bruikbaar, bijvoorbeeld voor LTE (met
bredere band per user, maar minder hoge lineariteitseisen). Verder geven zijn
uitgebreide analyses en classificaties, de nieuwe architecturen, een nieuwe vorm
van segmentatie, een nieuwe vorm van calibratie en de analyse van een
transformatorgebaseerde uitgang, het werk ook een hoge wetenschappelijke waarde.
Gezien het baanbrekende werk, zowel applicatief als wetenschappelijk gezien, en
gezien het feit dat het toepassingsgebied, de telecommunicatie, midden in het
aandachtsgebied van Veder ligt, heeft de Vedercommissie unaniem besloten om hier
de Vederprijs aan te verbinden.
Ik wil daarom nu graag het woord geven aan de voorzitter van het Vederfonds, en
ook nazaat van Veder, mw. Francoise Kosters, die de prijs nu zal gaan uitdelen.
Elbert Bechthum ontvangt zijn prijs uit handen van de voorzitter van het
Vederfonds.
Elbert Bechthum
bij zijn presentatie hierna.
|