Conception et réalisation d'un transmetteur radio fréquence multistandard pour les communications sans fil et la radio-navigation

Les standards de communication cellulaires de deuxième génération, tel que le GSM, offrent les services de transfert de voix et d’autres services de données à faible débit. Le besoin à ajouter des services multimédia avec un très haut débit, dans les communications sans fil, a mené au développement des systèmes dits de troisième ou de quatrième génération tels que l’UMTS et le Wimax. Par ailleurs, les réseaux sans fil locaux et personnels comme le WLAN, le Bluetooth et le Zigbee sont devenus très populaires. De plus, ce formidable développement est arrivé en phase avec la démocratisation (dans les années 2000) des systèmes de radionavigation par satellite donnant aux usagers un outil simple, efficace et bon-marché pour un positionnement fiable et précis. L’union européenne a lancé un nouveau système de positionnement dit Galileo et les américains ont modernisé leur système de navigation par satellite GPS. Le présent travail de recherche est effectué dans le cadre d’une maîtrise en génie électrique. Dans un premier temps, les principes de fonctionnement et les normes des différents systèmes de communication sans fil et de radio navigation à implémenter sont étudiés et les spécifications et les exigences de chaque standard sont établies. Dans un deuxième temps, diverses architectures radiofréquences susceptibles de répondre aux spécifications établies et aux besoins de réaliser des transmetteurs multistandards performant et économiques sont étudiées. Dans un troisième temps, la conception d’un transmetteur radiofréquence qui supporte plusieurs standards de communication sans fil, notamment les standards GSM, UMTS, Bluetooth, Zigbee, IEEE802.11 b/g et Wimax, ainsi que des signaux de radionavigation de type GPS et Galileo, est menée. Le transmetteur conçu est enfin réalisé et testé

Design of a wideband variable gain amplifier

Synteettisapertuurinen tutka (SAR) on hyvin tunnettu tekniikka maanpinnan kuvantamiseen. Tässä diplomityössä on suunniteltu laajakaistainen säädettävä vahvistin, jota voidaan käyttää SAR:in suorasekoitusvastaanottimessa (DCR). Ensin näytetään kuinka tärkeät muuttujat, kuten esimerkiksi VGA:n vahvistus, kaistanleveys ja kohina, saadaan määritettyä vastaanottimen kokonaisvaatimuksista. Seuraavaksi esitetään yleisesti suunnittelutapa VGA:lle, jossa tunnistetaan VGA:n tärkeimmät suunnittelumoduulit. Laajakaistaiset asteet, joita voidaan käyttää VGA:n suunnittelussa, esitellään lyhyesti, kuten myös tekniikoita, joilla siirrosjännite saadaan kompensoitua. Seuraavaksi esitellään yksityiskohtaisesti kuinka VGA suunnitellaan. Työssä esitetään piensignaali- ja kohina-analyysit VGA:n vahvistusasteille kuten myös simulaatiotulokset. VGA on suunniteltu ja valmistettu 0.13 µm CMOS prosessilla. Piirikuvion jälkeiset simulaatiot on myös esitetty ja ne todentavat lopullisen piirikuvion toimivuutta. Lopuksi esitetään VGA:n mittaustulokset, jotka näyttävät, että halutut vahvistus ja kaistanleveys on saavutettu. Mikropiirin digitaalisen ohjauksen epätasaisesta toimivuudesta johtuen, VGA:n taajuusvasteessa näkyi vahvistuksen piikittämistä. VGA:n tulon kohinatiheyden mittaustulokset eri vahvistusasetuksilla on myös esitetty ja ne vastaavat hyvin simuloituja arvoja. Tulon 1 dB:n kompressiopiste ja tulon kolmannen kertaluvun keskinäismodulaatiosärön leikkauspiste on myös annettu VGA:lle. Yleisesti ottaen VGA:n toimintaa voidaan pitää onnistuneena SAR:ssa käytettävälle suorasekoitusvastaanottimelle.Synthetic Aperture Radar (SAR) is a well known technique for imaging the earth's surface. This thesis presents a wideband variable gain amplifier which can be used in the direct conversion receiver (DCR) for SAR. The thesis first introduces how to extract the important parameters i.e. gain, bandwidth and noise of the VGA from the overall receiver requirements. Next, a general design philosophy for the VGA is presented which identifies the main design modules in the amplifier. Also, a brief introduction to wideband stages and DC-offset compensation techniques is presented. Then a detailed explanation of the VGA design is given. Small-signal and noise analyses are presented for the VGA gain stages along with their simulation results. VGA post-layout simulation results are also shown to verify the functionality of the final layout drawn using 0.13 µm CMOS. At the end, measurement results for the VGA are given which show that the VGA achieved the desired gain and bandwidth. However, due to irregular operation of the digital control for the chip, the frequency response of the VGA showed gain peaking. The measured input noise density of the VGA at different gain settings is also given and it matched well with the simulated value. Moreover, the input 1 dB compression point and the third order input intercept point results for the VGA are also given. The overall operation of VGA was deemed satisfactory for the direct conversion receiver for SAR

Power-efficient current-mode analog circuits for highly integrated ultra low power wireless transceivers

In this thesis, current-mode low-voltage and low-power techniques have been applied to implement novel analog circuits for zero-IF receiver backend design, focusing on amplification, filtering and detection stages. The structure of the thesis follows a bottom-up scheme: basic techniques at device level for low voltage low power operation are proposed in the first place, followed by novel circuit topologies at cell level, and finally the achievement of new designs at system level. At device level the main contribution of this work is the employment of Floating-Gate (FG) and Quasi-Floating-Gate (QFG) transistors in order to reduce the power consumption. New current-mode basic topologies are proposed at cell level: current mirrors and current conveyors. Different topologies for low-power or high performance operation are shown, being these circuits the base for the system level designs. At system level, novel current-mode amplification, filtering and detection stages using the former mentioned basic cells are proposed. The presented current-mode filter makes use of companding techniques to achieve high dynamic range and very low power consumption with for a very wide tuning range. The amplification stage avoids gain bandwidth product achieving a constant bandwidth for different gain configurations using a non-linear active feedback network, which also makes possible to tune the bandwidth. Finally, the proposed current zero-crossing detector represents a very power efficient mixed signal detector for phase modulations. All these designs contribute to the design of very low power compact Zero-IF wireless receivers. The proposed circuits have been fabricated using a 0.5μm double-poly n-well CMOS technology, and the corresponding measurement results are provided and analyzed to validate their operation. On top of that, theoretical analysis has been done to fully explore the potential of the resulting circuits and systems in the scenario of low-power low-voltage applications.Programa Oficial de Doctorado en Tecnologías de las Comunicaciones (RD 1393/2007)Komunikazioen Teknologietako Doktoretza Programa Ofiziala (ED 1393/2007

Realizing mobile multimedia systems over emerging fourth-generation wireless technologies

Thesis (M.Eng.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Civil and Environmental Engineering, 2001.Includes bibliographical references (p. [161]-167) and index.by Pei-Jeng Kuo.M.Eng

Low-power CMOS front-ends for wireless personal area networks

The potential of implementing subthreshold radio frequency circuits in deep sub-micron CMOS technology was investigated for developing low-power front-ends for wireless personal area network (WPAN) applications. It was found that the higher transconductance to bias current ratio in weak inversion could be exploited in developing low-power wireless front-ends, if circuit techniques are employed to mitigate the higher device noise in subthreshold region. The first fully integrated subthreshold low noise amplifier was demonstrated in the GHz frequency range requiring only 260 μW of power consumption. Novel subthreshold variable gain stages and down-conversion mixers were developed. A 2.4 GHz receiver, consuming 540 μW of power, was implemented using a new subthreshold mixer by replacing the conventional active low noise amplifier by a series-resonant passive network that provides both input matching and voltage amplification. The first fully monolithic subthreshold CMOS receiver was also implemented with integrated subthreshold quadrature LO (Local Oscillator) chain for 2.4 GHz WPAN applications. Subthreshold operation, passive voltage amplification, and various low-power circuit techniques such as current reuse, stacking, and differential cross coupling were combined to lower the total power consumption to 2.6 mW. Extremely compact resistive feedback CMOS low noise amplifiers were presented as a cost-effective alternative to narrow band LNAs using high-Q inductors. Techniques to improve linearity and reduce power consumption were presented. The combination of high linearity, low noise figure, high broadband gain, extremely small die area and low power consumption made the proposed LNA architecture a compelling choice for many wireless applications.Ph.D.Committee Chair: Laskar, Joy; Committee Member: Chakraborty, Sudipto; Committee Member: Chang, Jae Joon; Committee Member: Divan, Deepakraj; Committee Member: Kornegay, Kevin; Committee Member: Tentzeris, Emmanoui

CMOS radio frequency circuits for short-range direct-conversion receivers

The research described in this thesis is focused on the design and implementation of radio frequency (RF) circuits for direct-conversion receivers. The main interest is in RF front-end circuits, which contain low-noise amplifiers, downconversion mixers, and quadrature local oscillator signal generation circuits. Three RF front-end circuits were fabricated in a short-channel CMOS process and experimental results are presented. A low-noise amplifier (LNA) is typically the first amplifying block in the receiver. A large number of LNAs have been reported in the literature. In this thesis, wideband LNA structures are of particular interest. The most common and relevant LNA topologies are analyzed in detail in the frequency domain and theoretical limitations are found. New LNA structures are presented and a comparison to the ones found in the literature is made. In this work, LNAs are implemented with downconversion mixers as RF front-ends. The designed mixers are based on the commonly used Gilbert cell. Different mixer implementation alternatives are presented and the design of the interface between the LNA and the downconversion mixer is discussed. In this work, the quadrature local oscillator signal is generated either by using frequency dividers or polyphase filters (PPF). Different possibilities for implementing frequency dividers are briefly described. Polyphase filters were already introduced by the 1970s and integrated circuit (IC) realizations to generate quadrature signals have been published since the mid-1990s. Although several publications where the performance of the PPFs has been studied either by theoretical calculations or simulations can be found in the literature, none of them covers all the relevant design parameters. In this thesis, the theory behind the PPFs is developed such that all the relevant design parameters needed in the practical circuit design have been calculated and presented with closed-form equations whenever possible. Although the main focus was on twoand three-stage PPFs, which are the most common ones encountered in practical ICs, the presented calculation methods can be extended to analyze the performance of multistage PPFs as well. The main application targets of the circuits presented in this thesis are the short-range wireless sensor system and ultrawideband (UWB). Sensors are capable of monitoring temperature, pressure, humidity, or acceleration, for example. The amount of transferred data is typically small and therefore a modest bit rate, less than 1 Mbps, is adequate. The sensor system applied in this thesis operates at 2.4-GHz ISM band (Industrial, Scientific, and Medical). Since the sensors must be able to operate independently for several years, extremely low power consumption is required. In sensor radios, the receiver current consumption is dominated by the blocks and elements operating at the RF. Therefore, the target was to develop circuits that can offer satisfactory performance with a current consumption level that is small compared to other receivers targeted for common cellular systems. On the other hand, there is a growing need for applications that can offer an extremely high data rate. UWB is one example of such a system. At the moment, it can offer data rates of up to 480 Mbps. There is a frequency spectrum allocated for UWB systems between 3.1 and 10.6 GHz. The UWB band is further divided into several narrower band groups (BG), each occupying a bandwidth of approximately 1.6 GHz. In this work, a direct-conversion RF front-end is designed for a dual-band UWB receiver, which operates in band groups BG1 and BG3, i.e. at 3.1 – 4.8 GHz and 6.3 – 7.9 GHz frequency areas, respectively. Clearly, an extremely wide bandwidth combined with a high operational frequency poses challenges for circuit design. The operational bandwidths and the interfaces between the circuit blocks need to be optimized to cover the wanted frequency areas. In addition, the wideband functionality should be achieved without using a number of on-chip inductors in order to minimize the die area, and yet the power consumption should be kept as small as possible. The characteristics of the two main target applications are quite different from each other with regard to power consumption, bandwidth, and operational frequency requirements. A common factor for both is their short, i.e. less than 10 meters, range. Although the circuits presented in this thesis are targeted on the two main applications mentioned above, they can be utilized in other kind of wireless communication systems as well. The performance of three experimental circuits was verified with measurements and the results are presented in this work. Two of them have been a part of a whole receiver including baseband amplifiers and filters and analog-to-digital converters. Experimental circuits were fabricated in a 0.13-µm CMOS process. In addition, this thesis includes design examples where new circuit ideas and implementation possibilities are introduced by using 0.13-µm and 65-nm CMOS processes. Furthermore, part of the theory presented in this thesis is validated with design examples in which actual IC component models are used.Tässä väitöskirjassa esitetty tutkimus keskittyy suoramuunnosvastaanottimen radiotaajuudella (radio frequency, RF) toimivien piirien suunnitteluun ja toteuttamiseen. Työ keskittyy vähäkohinaiseen vahvistimeen (low-noise amplifier, LNA), alassekoittajaan ja kvadratuurisen paikallisoskillaattorisignaalin tuottavaan piiriin. Työssä toteutettiin kolme RF-etupäätä erittäin kapean viivanleveyden CMOS-prosessilla, ja niiden kokeelliset tulokset esitetään. Vähäkohinainen vahvistin on yleensä ensimmäinen vahvistava lohko vastaanottimessa. Useita erilaisia vähäkohinaisia vahvistimia on esitetty kirjallisuudessa. Tämän työn kohteena ovat eritoten laajakaistaiset LNA-rakenteet. Tässä työssä analysoidaan taajuustasossa yleisimmät ja oleellisimmat LNA-topologiat. Lisäksi uusia LNA-rakenteita on esitetty tässä työssä ja niitä on verrattu muihin kirjallisuudessa esitettyihin piireihin. Tässä työssä LNA:t on toteutettu yhdessä alassekoittimen kanssa muodostaen RF-etupään. Työssä suunnitellut alassekoittimet perustuvat yleisesti käytettyyn Gilbertin soluun. Erilaisia sekoittajan suunnitteluvaihtoehtoja ja LNA:n ja alassekoittimen välisen rajapinnan toteutustapoja on esitetty. Tässä työssä kvadratuurinen paikallisoskillaattorisignaali on muodostettu joko käyttämällä taajuusjakajia tai monivaihesuodattimia. Erilaisia taajuusjakajia ja niiden toteutustapoja käsitellään yleisellä tasolla. Monivaihesuodatinta, joka on alunperin kehitetty jo 1970-luvulla, on käytetty integroiduissa piireissä kvadratuurisignaalin tuottamiseen 1990-luvun puolivälistä lähtien. Kirjallisuudesta löytyy lukuisia artikkeleita, joissa monivaihesuodattimen toimintaa on käsitelty teoreettisesti laskien ja simuloinnein. Kuitenkaan kaikkia sen suunnitteluparametreja ei tähän mennessä ole käsitelty. Tässä työssä monivaihesuodattimen teoriaa on kehitetty edelleen siten, että käytännön piirisuunnittelussa tarvittavat oleelliset parametrit on analysoitu ja suunnitteluyhtälöt on esitetty suljetussa muodossa aina kuin mahdollista. Vaikka työssä on keskitytty yleisimpiin eli kaksi- ja kolmiasteisiin monivaihesuodattimiin, on työssä esitetty menetelmät, joilla laskentaa voidaan jatkaa aina useampiasteisiin suodattimiin asti. Työssä esiteltyjen piirien pääkohteina ovat lyhyen kantaman sensoriradio ja erittäin laajakaistainen järjestelmä (ultrawideband, UWB). Sensoreilla voidaan tarkkailla esimerkiksi ympäristön lämpötilaa, kosteutta, painetta tai kiihtyvyyttä. Siirrettävän tiedon määrä on tyypillisesti vähäistä, jolloin pieni tiedonsiirtonopeus, alle 1 megabitti sekunnissa, on välttävä. Tämän työn kohteena oleva sensoriradiojärjestelmä toimii kapealla kaistalla 2,4 gigahertsin ISM-taajuusalueella (Industrial, Scientific, and Medical). Koska sensorien tavoitteena on toimia itsenäisesti ilman pariston vaihtoa useita vuosia, täytyy niiden kuluttaman virran olla erittäin vähäistä. Sensoriradiossa vastaanottimen tehonkulutuksen kannalta määräävässä asemassa ovat radiotaajuudella toimivat piirit. Tavoitteena oli tutkia ja kehittää piirirakenteita, joilla päästään tyydyttävään suorituskykyyn tehonkulutuksella, joka on vähäinen verrattuna muiden tavallisten langattomien tiedonsiirtojärjestelmien radiovastaanottimiin. Toisaalta viime aikoina on kasvanut tarvetta myös järjestelmille, jotka kykenevät tarjoamaan erittäin korkean tiedonsiirtonopeuden. UWB on esimerkki tällaisesta järjestelmästä. Tällä hetkellä se tarjoaa tiedonsiirtonopeuksia aina 480 megabittiin sekunnissa. UWB:lle on varattu taajuusalueita 3,1 ja 10,6 gigahertsin taajuuksien välillä. Kyseinen kaista on edelleen jaettu pienempiin taajuusryhmiin (band group, BG), joiden kaistanleveys on noin 1,6 gigahertsiä. Tässä työssä on toteutettu RF-etupää radiovastaanottimeen, joka pystyy toimimaan BG1:llä ja BG3:lla eli taajuusalueilla 3,1 - 4,7 GHz ja 6,3 - 7,9 GHz. Erittäin suuri kaistanleveys yhdistettynä korkeaan toimintataajuuteen tekee radiotaajuuspiirien suunnittelusta haasteellista. Piirirakenteiden toimintakaistat ja piirien väliset rajapinnat tulee optimoida riittävän laajoiksi käyttämättä kuitenkaan liian montaa piille integroitua kelaa piirin pinta-alan minimoimiseksi, ja lisäksi piirit tulisi toteuttaa mahdollisimman alhaisella tehonkulutuksella. Työssä esiteltyjen piirien kaksi pääkohdetta ovat hyvin erityyppisiä, mitä tulee tehonkulutus-, kaistanleveys- ja toimintataajuusvaatimuksiin. Yhteistä molemmille on lyhyt, alle 10 metrin kantama. Vaikka tässä työssä esitellyt piirit onkin kohdennettu kahteen pääsovelluskohteeseen, voidaan esitettyjä piirejä käyttää myös muiden tiedonsiirtojärjestelmien piirien suunnitteluun. Tässä työssä esitetään mittaustuloksineen yhteensä kolme kokeellista piiriä yllämainittuihin järjestelmiin. Kaksi ensimmäistä kokeellista piiriä muodostaa kokonaisen radiovastaanottimen yhdessä analogisten kantataajuusosien ja analogia-digitaali-muuntimien kanssa. Esitetyt kokeelliset piirit on toteutettu käyttäen 0,13 µm:n viivanleveyden CMOS-tekniikkaa. Näiden lisäksi työ pitää sisällään piirisuunnitteluesimerkkejä, joissa esitetään ideoita ja mahdollisuuksia käyttäen 0,13 µm:n ja 65 nm:n viivanleveyden omaavia CMOS-tekniikoita. Lisäksi piirisuunnitteluesimerkein havainnollistetaan työssä esitetyn teorian paikkansapitävyyttä käyttämällä oikeita komponenttimalleja.reviewe

Radiofrequency architectures and technologies for software defined radio

Six-port network is an interesting radiofrequency architecture with multiple possibilities. Since it was firstly introduced in the seventies as an alternative network analyzer, the six-port network has been used for many applications, such as homodyne receivers, radar systems, direction of arrival estimation, UWB (Ultra-Wide-Band), or MIMO (Multiple Input Multiple Output) systems. Currently, it is considered as a one of the best candidates to implement a Software Defined Radio (SDR). This thesis comprises an exhaustive study of this promising architecture, where its fundamentals and the state-of-the-art are also included. In addition, the design and development of a SDR 0.3-6 GHz six-port receiver prototype is presented in this thesis, which is implemented in conventional technology. The system is experimentally characterized and validated for RF signal demodulation with good performance. The analysis of the six-port architecture is complemented by a theoretical and experimental comparison with other radiofrequency architectures suitable for SDR. Some novel contributions are introduced in the present thesis. Such novelties are in the direction of the highly topical issues on six-port technique: development and optimization of real-time I-Q regeneration techniques for multiport networks; and search of new techniques and technologies to contribute to the miniaturization of the six-port architecture. In particular, the novel contributions of this thesis can be summarized as: - Introduction of a new real-time auto-calibration method for multiport receivers, particularly suitable for broadband designs and high data rate applications. - Introduction of a new direct baseband I-Q regeneration technique for five-port receivers. - Contribution to the miniaturization of six-port receivers by the use of the multilayer LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) technology. Implementation of a compact (30x30x1.25 mm) broadband (0.3-6 GHz) six-port receiver in LTTC technology. The results and conclusions derived from this thesis have been satisfactory, and quite fruitful in terms of publications. A total of fourteen works have been published, considering international journals and conferences, and national conferences. Aditionally, a paper has been submitted to an internationally recognized journal, which is currently under review