Noise shaping Asynchronous SAR ADC based time to digital converter

Time-to-digital converters (TDCs) are key elements for the digitization of timing information in modern mixed-signal circuits such as digital PLLs, DLLs, ADCs, and on-chip jitter-monitoring circuits. Especially, high-resolution TDCs are increasingly employed in on-chip timing tests, such as jitter and clock skew measurements, as advanced fabrication technologies allow fine on-chip time resolutions. Its main purpose is to quantize the time interval of a pulse signal or the time interval between the rising edges of two clock signals. Similarly to ADCs, the performance of TDCs are also primarily characterized by Resolution, Sampling Rate, FOM, SNDR, Dynamic Range and DNL/INL. This work proposes and demonstrates 2nd order noise shaping Asynchronous SAR ADC based TDC architecture with highest resolution of 0.25 ps among current state of art designs with respect to post-layout simulation results. This circuit is a combination of low power/High Resolution 2nd Order Noise Shaped Asynchronous SAR ADC backend with simple Time to Amplitude converter (TAC) front-end and is implemented in 40nm CMOS technology. Additionally, special emphasis is given on the discussion on various current state of art TDC architectures.Electrical and Computer Engineerin

Bio-inspired 0.35μm CMOS Time-to-Digital Converter with 29.3ps LSB

Time-to-digital converter (TDC) integrated circuit is introduced in this paper. It is based on chain of delay elements composing a regular scalable structure. The scheme is analogous to the sound direction sensitivity nerve system found in barn owl. The circuit occupies small silicon area, and its direct mapping from time to position-code makes conversion rates up to 500Msps possible. Specialty of the circuit is the structural and functional symmetry. Therefore the role of start and stop signals are interchangeable. In other words negative delay is acceptable: the circuit has no dead time problems. These are benefits of the biology model of the auditory scene representation in the bird's brain. The prototype chip is implemented in 0.35μm CMOS having less than 30ps single-shot resolution in the measurements.Hungarian National Research Foundation TS4085

Contribution to Efficient Use of Narrowband Radio Channel

Předkládaná práce se soustředí na problematiku využívání úzkopásmového rádiového kanálu rádiovými modemy, které jsou určené pro průmyslové aplikace pozemní pohyblivé rádiové služby, specifikované v dominantní míře Evropským standardem ETSI EN 300 113. Tato rádiová zařízení se používají v kmitočtových pásmech od 30 MHz do 1 GHz s nejčastěji přidělovanou šířkou pásma 25 kHz a ve většině svých instalací jsou využívána ve fixních nebo mobilních bezdrátových sítích. Mezi typické oblasti použití patří zejména datová telemetrie, aplikace typu SCADA, nebo monitorování transportu strategických surovin. Za hlavní znaky popisovaného systému lze označit komunikační pokrytí značných vzdáleností, dané především vysokou výkonovou účinnosti datového přenosu a využívaní efektivních přístupových technik na rádiový kanál se semiduplexním komunikačním režimem. Striktní požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu umožňují těmto zařízením využívat spektrum i v oblastech kmitočtově blízkým jiným komunikačním systémům bez nutnosti vkládání dodatečných ochranných frekvenčních pásem. Úzkopásmové rádiové komunikační systémy, v současnosti používají převážně exponenciální digitální modulace s konstantní modulační obálkou zejména z důvodů velice striktních omezení pro velikost výkonu vyzářeného do sousedního kanálu. Dosahují tak pouze kompromisních hodnot komunikační účinnosti. Úpravy limitů příslušných rádiových parametrů a rychlý rozvoj prostředků číslicového zpracování signálu v nedávné době, dnes umožňují ekonomicky přijatelné využití spektrálně efektivnějších modulačních technik i v těch oblastech, kde je prioritní využívání úzkých rádiových kanálů. Cílem předkládané disertační práce je proto výzkum postupů směřující ke sjednocení výhodných vlastností lineárních a nelineárních modulací v moderní konstrukci úzkopásmového rádiového modemu. Účelem tohoto výzkumu je efektivní a „ekologické“ využívání přidělené části frekvenčního spektra. Mezi hlavní dílčí problémy, jimiž se předkládaná práce zabývá, lze zařadit zejména tyto: Nyquistova modulační filtrace, navrhovaná s ohledem na minimalizaci nežádoucích elektromagnetických interferencí, efektivní číslicové algoritmy frekvenční demodulace a rychlé rámcové a symbolové synchronizace. Součástí práce je dále analýza navrhovaného řešení z pohledu celkové konstrukce programově definovaného rádiového modemu v rovině simulací při vyšetřování robustnosti datového přenosu rádiovým kanálem s bílým Gaussovským šumem nebo kanálem s únikem v důsledku mnohacestného šíření signálu. Závěr práce je pak zaměřen na prezentování výsledků praktické části projektu, v níž byly testovány, měřeny a analyzovány dvě prototypové konstrukce rádiového zařízení. Tato finální část práce obsahuje i praktická doporučení, vedoucí k vyššímu stupni využitelnosti spektrálně efektivnějších komunikačních režimů v oblasti budoucí generace úzkopásmových zařízení pozemní pohyblivé rádiové služby.he industrial narrowband land mobile radio (LMR) devices, as considered in this dissertation project, has been subject to European standard ETSI EN 300 113. The system operates on frequencies between 30 MHz and 1 GHz, with channel separations of up to 25 kHz, and is intended for private, fixed, or mobile, radio packet switching networks. Data telemetry, SCADA, maritime and police radio services; traffic monitoring; gas, water, and electricity producing factories are the typical system applications. Long distance coverage, high power efficiency, and efficient channel access techniques in half duplex operation are the primary advantages the system relays on. Very low level of adjacent channel power emissions and robust radio receiver architectures, with high dynamic range, enable for a system’s coexistence with various communication standards, without the additional guard band frequency intervals. On the other hand, the strict limitations of the referenced standard as well as the state of the technology, has hindered the increase in communication efficiency, with which the system has used its occupied bandwidth. New modifications and improvements are needed to the standard itself and to the up-to-date architectures of narrowband LMR devices, to make the utilization of more efficient modes of system operation practically realizable. The main objective of this dissertation thesis is therefore to find a practical way how to combine the favorable properties of the advanced nonlinear and linear digital modulation techniques in a single digital modem solution, in order to increase the efficiency of the narrowband radio channel usage allocated to the new generation of the industrial LMR devices. The main attention is given to the particular areas of digital modem design such as proposal of the new family of the Nyquist filters minimizing the adjacent channel interference, design and analysis of the efficient algorithms for frequency discrimination, fast frame and symbol

A fully integrated 24-GHz phased-array transmitter in CMOS

This paper presents the first fully integrated 24-GHz phased-array transmitter designed using 0.18-/spl mu/m CMOS transistors. The four-element array includes four on-chip CMOS power amplifiers, with outputs matched to 50 /spl Omega/, that are each capable of generating up to 14.5 dBm of output power at 24 GHz. The heterodyne transmitter has a two-step quadrature up-conversion architecture with local oscillator (LO) frequencies of 4.8 and 19.2 GHz, which are generated by an on-chip frequency synthesizer. Four-bit LO path phase shifting is implemented in each element at 19.2 GHz, and the transmitter achieves a peak-to-null ratio of 23 dB with raw beam-steering resolution of 7/spl deg/ for radiation normal to the array. The transmitter can support data rates of 500 Mb/s on each channel (with BPSK modulation) and occupies 6.8 mm /spl times/ 2.1 mm of die area

Initial Access in 5G mm-Wave Cellular Networks

The massive amounts of bandwidth available at millimeter-wave frequencies (roughly above 10 GHz) have the potential to greatly increase the capacity of fifth generation cellular wireless systems. However, to overcome the high isotropic pathloss experienced at these frequencies, high directionality will be required at both the base station and the mobile user equipment to establish sufficient link budget in wide area networks. This reliance on directionality has important implications for control layer procedures. Initial access in particular can be significantly delayed due to the need for the base station and the user to find the proper alignment for directional transmission and reception. This paper provides a survey of several recently proposed techniques for this purpose. A coverage and delay analysis is performed to compare various techniques including exhaustive and iterative search, and Context Information based algorithms. We show that the best strategy depends on the target SNR regime, and provide guidelines to characterize the optimal choice as a function of the system parameters.Comment: 6 pages, 3 figures, 3 tables, 15 references, submitted to IEEE COMMAG 201

An Energy and Performance Exploration of Network-on-Chip Architectures

In this paper, we explore the designs of a circuit-switched router, a wormhole router, a quality-of-service (QoS) supporting virtual channel router and a speculative virtual channel router and accurately evaluate the energy-performance tradeoffs they offer. Power results from the designs placed and routed in a 90-nm CMOS process show that all the architectures dissipate significant idle state power. The additional energy required to route a packet through the router is then shown to be dominated by the data path. This leads to the key result that, if this trend continues, the use of more elaborate control can be justified and will not be immediately limited by the energy budget. A performance analysis also shows that dynamic resource allocation leads to the lowest network latencies, while static allocation may be used to meet QoS goals. Combining the power and performance figures then allows an energy-latency product to be calculated to judge the efficiency of each of the networks. The speculative virtual channel router was shown to have a very similar efficiency to the wormhole router, while providing a better performance, supporting its use for general purpose designs. Finally, area metrics are also presented to allow a comparison of implementation costs