A Wideband Inductorless CMOS Front-End for Software Defined

The number of wireless communication links is witnessing tremendous growth and new standards are being introduced at high pace. These standards heavily rely on digital signal processing, making CMOS the first technology of choice. However, RF CMOS circuit development is costly and time consuming due to mask costs and design iterations. This pleads for a Software Defined Radio approach, in which one piece of flexible radio hardware is re-used for different applications and standards, downloadable and under software control. To the best of our knowledge, little work has been done in this field based on CMOS technology. Recently, a bipolar downconverter front-end has been proposed [1]. In CMOS, only wideband low-noise amplifiers have been proposed, and some CMOS tuner ICs for satellite reception (which have less stringent noise requirements because they are preceded by an outdoor low-noise converter). This paper presents a wideband RF downconverter frontend in 0.18 um CMOS (also published in [2]), designed in the context of a research project exploring the feasibility of software defined radio, using a combined Bluetooth/WLAN receiver as a vehicle. Usually, RF receivers are optimised for low power consumption. In contrast, we have taken the approach to optimise for flexibility. The paper discusses the main system and circuit design choices, and assesses the achievable performance via measurements on a front-end implemented in 0.18um CMOS. The flexible design achieves a 0.2-2.2 GHz -3 dB bandwidth, a gain of 25 dB with 6 dB noise figure and +1 dBm IIP3

High Dynamic Range RF Front End with Noise Cancellation and Linearization for WiMAX Receivers

This research deals with verification of the high dynamic range for a heterodyne radio frequency (RF) front end. A 2.6 GHz RF front end is designed and implemented in a hybrid microwave integrated circuit (HMIC) for worldwide interoperability for microwave access (WiMAX) receivers. The heterodyne RF front end consists of a low-noise amplifier (LNA) with noise cancellation, an RF bandpass filter (BPF), a downconverter with linearization, and an intermediate frequency (IF) BPF. A noise canceling technique used in the low-noise amplifier eliminates a thermal noise and then reduces the noise figure (NF) of the RF front end by 0.9 dB. Use of a downconverter with diode linearizer also compensates for gain compression, which increases the input-referred third-order intercept point (IIP3) of the RF front end by 4.3 dB. The proposed method substantially increases the spurious-free dynamic range (DRf) of the RF front end by 3.5 dB

Design of Tunable Low-Noise Amplifier in 0.13um CMOS Technology for Multistandard RF Transceivers

The global market of mobile and wireless communications is witnessing explosive growth in size as well as radical changes. Third generation (3G) wireless systems have recently been deployed and some are still in the process. 3G wireless systems promise integration of voice and data communications with higher data rates and a superior quality of service compared to second generation systems. Unfortunately, more and more communication standards continue to be developed which ultimately requires specific RF/MW and baseband communication integrated circuits that are designed for functionality and compatibility with a specific type of network. Although communication devices such as cellular phones integrate different services such as voice, Bluetooth, GPS, and WLAN, each service requires its own dedicated radio transceiver which results in high power consumption and larger PCB area usage. With the rapid advances in silicon CMOS integrated circuit technology combined with extensive research, a global solutionswhich aims at introducing a global communication system that encompasses all communication standards appears to be emerging. State of the art CMOS technology not only has the capability of operation in the GHz range, but it also provides the advantage of low cost and high level of integration. These features propel CMOS technology as the ideal candidate for current trends, which currently aim to integrate more RF/MW circuits on the same chip. Armed with such technology ideas such as software radio look more attainable than they ever were in the past. Unfortunately, realizing true software radio for mobile applications still remains a tremendous challenge since it requires a high sampling rate and a wide-bandwidth Analog-to-Digital converter which is extremely power hungry and not suitable for battery operated mobile devices. Another approach to realize a flexible and reconfigurable RF/MW transceiver that could operate in a diverse mobile environment and provides a multiband and multistandard solution. The work presented in this thesis focuses on the design of an integrated and tunable low-noise amplifier as part of software defined radio (SDR)

A New Application of Current Conveyors: The Design of Wideband Controllable Low-Noise Amplifiers

The aim of this paper is three-fold. First, it reviews the low-noise amplifier and its relevance in wireless communications receivers. Then it presents an exhaustive review of the existing topologies. Finally, it introduces a new class of LNAs, based on current conveyors, describing the founding principle and the performances of a new single-ended LNA. The new LNAs offer the following notable advantages: total absence of passive elements (and the smallest LNAs in their respective classes); wideband performance, with stable frequency responses from 0 to 3 GHz; easy gain control over wide ranges (0 to 20 dB). Comparisons with other topologies prove that the new class of LNA greatly advances the state of the art

Mask Programmable CMOS Transistor Arrays for Wideband RF Integrated Circuits

A mask programmable technology to implement RF and microwave integrated circuits using an array of standard 90-nm CMOS transistors is presented. Using this technology, three wideband amplifiers with more than 15-dB forward transmission gain operating in different frequency bands inside a 4-22-GHz range are implemented. The amplifiers achieve high gain-bandwidth products (79-96 GHz) despite their standard multistage designs. These amplifiers are based on an identical transistor array interconnected with application specific coplanar waveguide (CPW) transmission lines and on-chip capacitors and resistors. CPW lines are implemented using a one-metal-layer post-processing technology over a thick Parylene-N (15 mum ) dielectric layer that enables very low loss lines (~0.6 dB/mm at 20 GHz) and high-performance CMOS amplifiers. The proposed integration approach has the potential for implementing cost-efficient and high-performance RF and microwave circuits with a short turnaround time

Analog‐to‐Digital Conversion for Cognitive Radio: Subsampling, Interleaving, and Compressive Sensing

This chapter explores different analog-to-digital conversion techniques that are suitable to be implemented in cognitive radio receivers. This chapter details the fundamentals, advantages, and drawbacks of three promising techniques: subsampling, interleaving, and compressive sensing. Due to their major maturity, subsampling- and interleaving-based systems are described in further detail, whereas compressive sensing-based systems are described as a complement of the previous techniques for underutilized spectrum applications. The feasibility of these techniques as part of software-defined radio, multistandard, and spectrum sensing receivers is demonstrated by proposing different architectures with reduced complexity at circuit level, depending on the application requirements. Additionally, the chapter proposes different solutions to integrate the advantages of these techniques in a unique analog-to-digital conversion process

Subsampling receivers with applications to software defined radio systems

Este trabajo de tesis propone la utilización sistemas basados en submuestreo como una alternativa para la implementación de la etapa de down-conversion de los receptores de radio frecuencia (RF) empleados para aplicaciones multi-estándar y SDR (Software Defined Radio). El objetivo principal será el de optimizar el diseño en cuanto a flexibilidad y simplicidad, las cuales son propiedades inherentes en los sistemas basados en submuestreo. Por tanto, como reducir el número de componentes al mínimo es clave cuando un mismo receptor procesa diferentes estándares de comunicación, las arquitecturas basadas en submuestreo han sido seleccionadas, donde la reusabilidad de los componentes empleados es posible, así como la reducción de los costes totales de los receptores de comunicación y de los equipos de certificación que emplean estas arquitecturas. Un motivo adicional por el que los sistemas basados en submuestreo han sido seleccionados es el concerniente a la topología del receptor. Como la idea de la tecnología SDR es implementar todas las funcionalidades del receptor (filtrado, amplificación) en el dominio digital, el convertidores analógico-digital (ADC) deberá estar localizado en la cadena de recepción lo más cerca posible a la antena, siendo el objetivo final el convertir la señal directamente de RF a digital. Sin embargo, con los actuales ADC no es posible implementar esta idea debido al alto ancho de banda que necesitarían sin perder resolución para cubrir las especificaciones de los estándares de comunicaciones inalámbricas. Por tanto, los sistemas basados en submuestreo se presentan como la opción más adecuada para implementar este tipo de sistemas debido a que pueden muestrear la señal de entrada por debajo de la tasa de Nyquist, si se cumplen ciertas restricciones en cuanto a la elección de la frecuencia de muestreo. De este modo, los requerimientos del ADC serán relajados ya que, usando estas arquitecturas, este componente procesará la señal a frecuencias intermedias. Una vez se han introducido los conceptos principales de las técnicas de submuestreo, esta tesis doctoral presenta el diseño de una tarjeta de adquisición de datos basada en submuestreo con la finalidad de ser implementada como un receptor de test y certificación de banda ancha. El sistema propuesto proporciona una alta resolución para un elevado ancho de banda, a partir del uso de un S&H de bajo jitter y de un convertidor analógico digital ADC que trabaja a frecuencias intermedias. El sistema es implementado usando dispositivos comerciales en una placa de circuito impreso diseñada y fabricada, y cuya caracterización experimental muestra una resolución de más 8 bits para un ancho de banda analógico de 20 MHz. Concretamente, la resolución medida será mayor de 9 bits hasta una frecuencia de entrada de 2.9 GHz y mayor de 8 bits para una frecuencia de entrada de hasta 6.5 GHz, lo cual resulta suficiente para cubrir los requerimientos de la mayor parte de los actuales estándares de comunicaciones inalámbricas (GPS, GSM, GPRS, UMTS, Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX). Sin embargo, los receptores basados en submuestreo presentan algunos importantes inconvenientes, como son adicionales fuentes de ruido (jitter y plegado de ruido térmico) y una dificultad añadida para implementarlo en escenarios multi-banda y no lineales. Acerca del plegado de ruido en la banda de interés, esta tesis propone el uso de una técnica basada en una arquitectura de reloj múltiple con el objetivo de aumentar la resolución y cubrir un número mayor de estándares para su test y certificación. Empleando una frecuencia de muestreo mayor para el caso del S&H, se conseguirá reducir este efecto, aumentando la resolución en aproximadamente 0.5-1 bit respecto al caso de sólo usar una fuente de reloj. Las expresiones teóricas de esta mejora son desarrolladas y presentadas en esta tesis, siendo posteriormente corroboradas de modo experimental. Por otra parte, esta tesis también propone novedosas técnicas para la aplicación de estos sistemas de submuestreo en entornos multi-banda y no lineales, los cuales presentan desafíos adicionales por el hecho de existir la posibilidad de solapamiento entre la señal de interés y los otros canales de comunicación, así como de solapamiento con sus armónicos. De este modo, esta tesis extiende el uso de los sistemas basados en submuestreo para este tipo de entornos, proponiendo técnicas para la elección de la frecuencia óptima de muestreo que evitan el solapamiento entre señales, a la vez que consiguen incrementar la resolución del receptor. Finalmente, se presentará la optimización en cuanto a características de ruido de un receptor concreto para aplicaciones de banda dual en entornos no lineales. Dicho receptor estará basado en las técnicas de reloj múltiple presentadas anteriormente y en una estructura de multi-filtro entre el S&H y el ADC. El sistema diseñado podrá emplearse para diversas aplicaciones a ambos lados de la cadena de comunicación, tal como en receptores de detección de espectro para radio cognitiva, o implementando el bucle de realimentación de un transmisor para la linealización de amplificadores de potencia. Por tanto, la presente tesis doctoral cuenta con tres contribuciones diferenciadas. La primera de ellas es la dedicada al diseño de un prototipo de recepción multi-estándar basado en submuestreo para aplicaciones de test y certificación. La segunda aportación es la dedicada a la optimización de las especificaciones de ruido a partir de las técnicas presentadas basadas en reloj múltiple. Por último, la tercera contribución principal es la relacionada con la extensión de este tipo de técnicas a sistemas multi-banda en entornos no lineales. Todas estas contribuciones han sido estudiadas teóricamente y experimentalmente validadas

Current reuse topology in UWB CMOS LNA

Non