차세대 자동차용 카메라 데이터 통신을 위한 비대칭 동시 양방향 송수신기의 설계

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2022.2. 정덕균.본 학위 논문에서는 차세대 자동차용 카메라 링크를 위해 높은 속도의 4레벨 펄스 진폭 변조 신호와 낮은 속도의 2레벨 펄스 진폭 변조 신호를 통신하는 비대칭 동시 양방향 송수신기의 설계 기술에 대해 제안하고 검증되었다. 첫번째 프로토타입 설계에서는, 10B6Q 직류 밸런스 코드를 탑재한 4레벨 펄스 진폭 변조 송신기와 고정된 데이터와 참조 레벨을 가지는 4레벨 펄스 진폭 변조 적응형 수신기에 대한 내용이 기술되었다. 4레벨 펄스 진폭 변조 송신기에서는 교류 연결 링크 시스템에 대응하기 위한 면적 및 전력 효율성이 좋은 10B6Q 코드가 제안되었다. 이 코드는 직류 밸런스를 맞추고 연속적으로 같은 심볼을 가지는 길이를 6개로 제한 시킨다. 비록 여기서는 입력 데이터 길이 10비트를 사용하였지만, 제안된 기술은 카메라의 다양한 데이터 타입에 대응할 수 있도록 입력 데이터 길이에 대한 확장성을 가진다. 반면, 4레벨 펄스 진폭 변조 적응형 수신기에서는, 샘플러의 옵셋을 최적으로 제거하여 더 낮은 비트에러율을 얻기 위해서, 기존의 데이터 및 참조 레벨을 조절하는 대신, 이 레벨들은 고정시키고 가변 게인 증폭기를 적응형으로 조절하도록 하였다. 상기 10B6Q 코드 및 고정 데이터 및 참조레벨 기술을 가진 프로토타입 칩들은 40 나노미터 상호보완형 메탈 산화 반도체 공정으로 제작되었고 칩 온 보드 형태로 평가되었다. 10B6Q 코드는 합성 게이트 숫자는 645개와 함께 단 0.0009 mm2 의 면적 만을 차지한다. 또한, 667 MHz 동작 주파수에서 단 0.23 mW 의 전력을 소모한다. 10B6Q 코드를 탑재한 송신기에서 8-Gb/s 4레벨 펄스 진폭 변조 신호를 고정 데이터 및 참조 레벨을 가지는 적응형 수신기로 12-m 케이블 (22-dB 채널 로스) 을 통해서 보낸 결과 최소 비트 에러율 108 을 달성하였고, 비트 에러율 105 에서는 아이 마진이 0.15 UI x 50 mV 보다 크게 측정되었다. 송수신기를 합친 전력 소모는 65.2 mW (PLL 제외) 이고, 성과의 대표수치는 0.37 pJ/b/dB 를 보여주었다. 첫번째 프로토타입 설계을 포함하여 개선된 두번째 프로토타입 설계에서는, 12-Gb/s 4레벨 펄스 진폭 변조 정방향 채널 신호와 125-Mb/s 2레벨 펄스 진폭 변조 역방향 채널 신호를 탑재한 비대칭 동시 양방향 송수신기에 대해 기술되고 검증되었다. 제안된 넓은 선형 범위를 가지는 하이브리드는 gmC 저대역 통과 필터와 에코 제거기와 함께 아웃바운드 신호를 24 dB 이상 효율적으로 감소시켰다. 또한, 넓은 선형 범위를 가지는 하이브리드와 함께 게인 감소기를 형성하게 되는 선형 범위 증폭기를 통해 4레벨 펄스 진폭 변조 신호의 선형성과 진폭의 트레이드 오프 관계를 깨는 것이 가능하였다. 동시 양방향 송수신기 칩은 40 나노미터 상호보완형 메탈 산화 반도체 공정으로 제작되었다. 상기 설계 기술들을 이용하여, 4레벨 펄스 진폭 변조 및 2레벨 펄스 진폭 변조 송수신기 모두 5m 채널 (채널 로스 15.9 dB) 에서 1E-12 보다 낮은 비트 에러율을 달성하였고, 총 78.4 mW 의 전력 소모를 기록하였다. 종합적인 송수신기는 성과 대표지표로 0.41 pJ/b/dB 와 함께 동시 양방향 통신 아래에서 4레벨 펄스 진폭 변조 신호 및 2레벨 펄스 진폭 변조 신호 각각에서 아이 마진 0.15 UI 와 0.57 UI 를 달성하였다. 이 수치는 성과 대표지표 0.5 이하를 가지는 기존 동시 양방향 송수신기와의 비교에서 최고의 아이 마진을 기록하였다.In this dissertation, design techniques of a highly asymmetric simultaneous bidirectional (SB) transceivers with high-speed PAM-4 and low-speed PAM-2 signals are proposed and demonstrated for the next-generation automotive camera link. In a first prototype design, a PAM-4 transmitter with 10B6Q DC balance code and a PAM-4 adaptive receiver with fixed data and threshold levels (dtLevs) are presented. In PAM-4 transmitter, an area- and power-efficient 10B6Q code for an AC coupled link system that guarantees DC balance and limited run length of six is proposed. Although the input data width of 10 bits is used here, the proposed scheme has an extensibility for the input data width to cover various data types of the camera. On the other hand, in the PAM-4 adaptive receiver, to optimally cancel the sampler offset for a lower BER, instead of adjusting dtLevs, the gain of a programmable gain amplifier is adjusted adaptively under fixed dtLevs. The prototype chips including above proposed 10B6Q code and fixed dtLevs are fabricated in 40-nm CMOS technology and tested in chip-on-board assembly. The 10B6Q code only occupies an active area of 0.0009 mm2 with a synthesized gate count of 645. It also consumes 0.23 mW at the operating clock frequency of 667 MHz. The transmitter with 10B6Q code delivers 8-Gb/s PAM-4 signal to the adaptive receiver using fixed dtLevs through a lossy 12-m cable (22-dB channel loss) with a BER of 1E-8, and the eye margin larger than 0.15 UI x 50 mV is measured for a BER of 1E-5. The proto-type chips consume 65.2 mW (excluding PLL), exhibiting an FoM of 0.37 pJ/b/dB. In a second prototype design advanced from the first prototypes, An asymmetric SB transceivers incorporating a 12-Gb/s PAM-4 forward channel and a 125-Mb/s PAM-2 back channel are presented and demonstrated. The proposed wide linear range (WLR) hybrid combined with a gmC low-pass filter and an echo canceller effectively suppresses the outbound signals by more than 24dB. In addition, linear range enhancer which forms a gain attenuator with WLR hybrid breaks the trade-off between the linearity and the amplitude of the PAM-4 signal. The SB transceiver chips are separately fabricated in 40-nm CMOS technology. Using above design techniques, both PAM-4 and PAM-2 SB transceivers achieve BER less than 1E-12 over a 5-m channel (15.9 dB channel loss), consuming 78.4 mW. The overall transceivers achieve an FoM of 0.41 pJ/b/dB and eye margin (at BER of 1E-12) of 0.15 UI and 0.57 UI for the forward PAM-4 and back PAM-2 signals, respectively, under SB communication. This is the best eye margin compared to the prior art SB transceivers with an FoM less than 0.5.CHAPTER 1 INTRODUCTION 1 1.1 MOTIVATION 1 1.2 DISSERTATION ORGANIZATION 4 CHAPTER 2 BACKGROUND ON AUTOMOTIVE CAMERA LINK 6 2.1 OVERVIEW 6 2.2 SYSTEM REQUIREMENTS 10 2.2.1 CHANNEL 10 2.2.2 POWER OVER DIFFERENTIAL LINE (PODL) 12 2.2.3 AC COUPLING AND DC BALANCE CODE 15 2.2.4 SIMULTANEOUS BIDIRECTIONAL COMMUNICATION 18 2.2.4.1 HYBRID 18 2.2.4.2 ECHO CANCELLER 20 2.2.5 ADAPTIVE RECEIVE EQUALIZATION 22 CHAPTER 3 AREA AND POWER EFFICIENT 10B6Q ENCODER FOR DC BALANCE 25 3.1 INTRODUCTION 25 3.2 PRIOR WORKS 28 3.3 PROPOSED AREA- AND POWER-EFFICIENT 10B6Q PAM-4 CODER 30 3.4 DESIGN OF THE 10B6Q CODE 33 3.4.1 PAM-4 DC BALANCE 35 3.4.2 PAM-4 TRANSITION DENSITY 35 3.4.3 10B6Q DECODER 37 3.5 IMPLEMENTATION AND MEASUREMENT RESULTS 40 CHAPTER 4 PAM-4 TRANSMITTER AND ADAPTIVE RECEIVER WITH FIXED DATA AND THRESHOLD LEVELS 45 4.1 INTRODUCTION 45 4.2 PRIOR WORKS 47 4.3 ARCHITECTURE AND IMPLEMENTATION 49 4.2.1 PAM-4 TRANSMITTER 49 4.2.2 PAM-4 ADAPTIVE RECEIVER 52 4.3 MEASUREMENT RESULTS 62 CHAPTER 5 ASYMMETRIC SIMULTANEOUS BIDIRECTIONAL TRANSCEIVERS USING WIDE LINEAR RANGE HYBRID 68 5.1 INTRODUCTION 68 5.2 PRIOR WORKS 70 5.3 WIDE LINEAR RANGE (WLR) HYBRID 75 5.3 IMPLEMENTATION 78 5.3.1 SERIALIZER (SER) DESIGN 78 5.3.2 DESERIALIZER (DES) DESIGN 79 5.4 HALF CIRCUIT ANALYSIS OF WLR HYBRID AND LRE 82 5.5 MEASUREMENT RESULTS 88 CHAPTER 6 CONCLUSION 97 BIBLIOGRAPHY 99 초 록 106박

Performance evaluation of currently available VLSI implementations satisfying U-interface requirements for an ISDN in South Africa.

A project report submitted to the Faculty of Engineering, University of the Witwatersrand, Johannesburg, in partial fulfilment of the requirements for the degree of Master of Science in Engineering.This project report examines the performance of three VLSI U-interface implementations satisfying the requirements of Basic Access on an ISDN. The systems evaluated are the Intel 89120,Siemens PEB2090 and STC DSP144, operating on 2BIQ, MMS4J and SU32 line codes respectively. Before evaluating the three abovementioned systems, a review of the underlying principles of U-interface technology is presented. Included in the review are aspects of transmission line theory, line coding, echo-cancellation, decision feedback equalisation, and pulse density modulation. The functional specifications of the three systems are then presented followed by a practical evaluation of each system. As an aid to testing the transmission systems, an evaluation board has been designed and built. The latter provides the necessary functionality to correctly activate each system, as well as the appropriate interfacing requirements for the error-rate tester. The U-interface transmission systems are evaluated on a number of test-loops, comprising sections of cable varying in length and gauge. Additionally, impairments are injected into data-carrying cables, in order to test the performance of each system in the presence of noise. The results of each test are recorded and analysed. Finally, a recommendation is made in favour of the 2BIQ U-interface. It is shown to offer superior transmission performance, at the expense of a slightly higher transmit-power level.Andrew Chakane 201

Design of adaptive analog filters for magnetic front-end read channels

Esta tese estuda o projecto e o comportamento de filtros em tempo contínuo de muito-alta-frequência. A motivação deste trabalho foi a investigação de soluções de filtragem para canais de leitura em sistemas de gravação e reprodução de dados em suporte magnético, com custos e consumo (tamanho total inferior a 1 mm2 e consumo inferior a 1mW/polo), inferiores aos circuitos existentes. Nesse sentido, tal como foi feito neste trabalho, o rápido desenvolvimento das tecnologias de microelectrónica suscitou esforços muito significativos a nível mundial com o objectivo de se investigarem novas técnicas de realização de filtros em circuito integrado monolítico, especialmente em tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Apresenta-se um estudo comparativo a diversos níveis hierárquicos do projecto, que conduziu à realização e caracterização de soluções com as características desejadas. Num primeiro nível, este estudo aborda a questão conceptual da gravação e transmissão de sinal bem como a escolha de bons modelos matemáticos para o tratamento da informação e a minimização de erro inerente às aproximações na conformidade aos princípios físicos dos dispositivos caracterizados. O trabalho principal da tese é focado nos níveis hierárquicos da arquitectura do canal de leitura e da realização em circuito integrado do seu bloco principal – o bloco de filtragem. Ao nível da arquitectura do canal de leitura, apresenta-se um estudo alargado sobre as metodologias existentes de adaptação de sinal e recuperação de dados em suporte magnético. Este desígnio aparece no âmbito da proposta de uma solução de baixo custo, baixo consumo, baixa tensão de alimentação e baixa complexidade, alicerçada em tecnologia digital CMOS, para a realização de um sistema DFE (Decision Feedback Equalization) com base na igualização de sinal utilizando filtros integrados analógicos em tempo contínuo. Ao nível do projecto de realização do bloco de filtragem e das técnicas de implementação de filtros e dos seus blocos constituintes em circuito integrado, concluiu-se que a técnica baseada em circuitos de transcondutância e condensadores, também conhecida como filtros gm-C (ou transcondutância-C), é a mais adequada para a realização de filtros adaptativos em muito-alta-frequência. Definiram-se neste nível hierárquico mais baixo, dois subníveis de aprofundamento do estudo no âmbito desta tese, nomeadamente: a pesquisa e análise de estruturas ideais no projecto de filtros recorrendo a representações no espaço de estados; e, o estudo de técnicas de realização em tecnologia digital CMOS de circuitos de transcondutância para a implementação de filtros integrados analógicos em tempo contínuo. Na sequência deste estudo, apresentam-se e comparam-se duas estruturas de filtros no espaço de estados, correspondentes a duas soluções alternativas para a realização de um igualador adaptativo realizado por um filtro contínuo passa-tudo de terceira ordem, para utilização num canal de leitura de dados em suporte magnético. Como parte constituinte destes filtros, apresenta-se uma técnica de realização de circuitos de transcondutância, e de realização de condensadores lineares usando matrizes de transístores MOSFET para processamento de sinal em muito-alta-frequência realizada em circuito integrado usando tecnologia digital CMOS submicrométrica. Apresentam-se métodos de adaptação automática capazes de compensar os erros face aos valores nominais dos componentes, devidos às tolerâncias inerentes ao processo de fabrico, para os quais apresentamos os resultados de simulação e de medição experimental obtidos. Na sequência deste estudo, resultou igualmente a apresentação de um circuito passível de constituir uma solução para o controlo de posicionamento da cabeça de leitura em sistemas de gravação/reprodução de dados em suporte magnético. O bloco proposto é um filtro adaptativo de primeira ordem, com base nos mesmos circuitos de transcondutância e técnicas de igualação propostos e utilizados na implementação do filtro adaptativo de igualação do canal de leitura. Este bloco de filtragem foi projectado e incluído num circuito integrado (Jaguar) de controlo de posicionamento da cabeça de leitura realizado para a empresa ATMEL em Colorado Springs, e incluído num produto comercial em parceria com uma empresa escocesa utilizado em discos rígidos amovíveis.This thesis studies the design and behavior of continuous-time very-high-frequency filters. The motivation of this work was the search for filtering solutions for the readchannel in recording and reproduction of data on magnetic media systems, with costs and consumption (total size less than 1 mm2 and consumption under 1mW/pole), lower than the available circuits. Accordingly, as was done in this work, the rapid development of microelectronics technology raised very significant efforts worldwide in order to investigate new techniques for implementing such filters in monolithic integrated circuit, especially in CMOS technology (Complementary Metal Oxide Semiconductor). We present a comparative study on different hierarchical levels of the project, which led to the realization and characterization of solutions with the desired characteristics. In the first level, this study addresses the conceptual question of recording and transmission of signal and the choice of good mathematical models for the processing of information and minimization of error inherent in the approaches and in accordance with the principles of the characterized physical devices. The main work of this thesis is focused on the hierarchical levels of the architecture of the read channel and the integrated circuit implementation of its main block - the filtering block. At the architecture level of the read channel this work presents a comprehensive study on existing methodologies of adaptation and signal recovery of data on magnetic media. This project appears in the sequence of the proposed solution for a lowcost, low consumption, low voltage, low complexity, using CMOS digital technology for the performance of a DFE (Decision Feedback Equalization) based on the equalization of the signal using integrated analog filters in continuous time. At the project level of implementation of the filtering block and techniques for implementing filters and its building components, it was concluded that the technique based on transconductance circuits and capacitors, also known as gm-C filters is the most appropriate for the implementation of very-high-frequency adaptive filters. We defined in this lower level, two sub-levels of depth study for this thesis, namely: research and analysis of optimal structures for the design of state-space filters, and the study of techniques for the design of transconductance cells in digital CMOS circuits for the implementation of continuous time integrated analog filters. Following this study, we present and compare two filtering structures operating in the space of states, corresponding to two alternatives for achieving a realization of an adaptive equalizer by the use of a continuous-time third order allpass filter, as part of a read-channel for magnetic media devices. As a constituent part of these filters, we present a technique for the realization of transconductance circuits and for the implementation of linear capacitors using arrays of MOSFET transistors for signal processing in very-high-frequency integrated circuits using sub-micrometric CMOS technology. We present methods capable of automatic adjustment and compensation for deviation errors in respect to the nominal values of the components inherent to the tolerances of the fabrication process, for which we present the simulation and experimental measurement results obtained. Also as a result of this study, is the presentation of a circuit that provides a solution for the control of the head positioning on recording/playback systems of data on magnetic media. The proposed block is an adaptive first-order filter, based on the same transconductance circuits and equalization techniques proposed and used in the implementation of the adaptive filter for the equalization of the read channel. This filter was designed and included in an integrated circuit (Jaguar) used to control the positioning of the read-head done for ATMEL company in Colorado Springs, and part of a commercial product used in removable hard drives fabricated in partnership with a Scottish company

Adaptive equalizers for multipath compensation in digital microwave communications

SIGLEAvailable from British Library Document Supply Centre- DSC:D82998 / BLDSC - British Library Document Supply CentreGBUnited Kingdo

Proceedings of the Fifth International Mobile Satellite Conference 1997

Satellite-based mobile communications systems provide voice and data communications to users over a vast geographic area. The users may communicate via mobile or hand-held terminals, which may also provide access to terrestrial communications services. While previous International Mobile Satellite Conferences have concentrated on technical advances and the increasing worldwide commercial activities, this conference focuses on the next generation of mobile satellite services. The approximately 80 papers included here cover sessions in the following areas: networking and protocols; code division multiple access technologies; demand, economics and technology issues; current and planned systems; propagation; terminal technology; modulation and coding advances; spacecraft technology; advanced systems; and applications and experiments