HIGH PERFORMANCE CMOS WIDE-BAND RF FRONT-END WITH SUBTHRESHOLD OUT OF BAND SENSING

In future, the radar/satellite wireless communication devices must support multiple standards and should be designed in the form of system-on-chip (SoC) so that a significant reduction happen on cost, area, pins, and power etc. However, in such device, the design of a fully on-chip CMOS wideband receiver front-end that can process several radar/satellite signal simultaneously becomes a multifold complex problem. Further, the inherent high-power out-of-band (OB) blockers in radio spectrum will make the receiver more non-linear, even sometimes saturate the receiver. Therefore, the proper blocker rejection techniques need to be incorporated. The primary focus of this research work is the development of a CMOS high-performance low noise wideband receiver architecture with a subthreshold out of band sensing receiver. Further, the various reconfigurable mixer architectures are proposed for performance adaptability of a wideband receiver for incoming standards. Firstly, a high-performance low- noise bandwidthenhanced fully differential receiver is proposed. The receiver composed of a composite transistor pair noise canceled low noise amplifier (LNA), multi-gate-transistor (MGTR) trans-conductor amplifier, and passive switching quad followed by Tow Thomas bi-quad second order filter based tarns-impedance amplifier. An inductive degenerative technique with low-VT CMOS architecture in LNA helps to improve the bandwidth and noise figure of the receiver. The full receiver system is designed in UMC 65nm CMOS technology and measured. The packaged LNA provides a power gain 12dB (including buffer) with a 3dB bandwidth of 0.3G – 3G, noise figure of 1.8 dB having a power consumption of 18.75mW with an active area of 1.2mm*1mm. The measured receiver shows 37dB gain at 5MHz IF frequency with 1.85dB noise figure and IIP3 of +6dBm, occupies 2mm*1.2mm area with 44.5mW of power consumption. Secondly, a 3GHz-5GHz auxiliary subthreshold receiver is proposed to estimate the out of blocker power. As a redundant block in the system, the cost and power minimization of the auxiliary receiver are achieved via subthreshold circuit design techniques and implementing the design in higher technology node (180nm CMOS). The packaged auxiliary receiver gives a voltage gain of 20dB gain, the noise figure of 8.9dB noise figure, IIP3 of -10dBm and 2G-5GHz bandwidth with 3.02mW power consumption. As per the knowledge, the measured results of proposed main-high-performancereceiver and auxiliary-subthreshold-receiver are best in state of art design. Finally, the various viii reconfigurable mixers architectures are proposed to reconfigure the main-receiver performance according to the requirement of the selected communication standard. The down conversion mixers configurability are in the form of active/passive and Input (RF) and output (IF) bandwidth reconfigurability. All designs are simulated in 65nm CMOS technology. To validate the concept, the active/ passive reconfigurable mixer configuration is fabricated and measured. Measured result shows a conversion gain of 29.2 dB and 25.5 dB, noise figure of 7.7 dB and 10.2 dB, IIP3 of -11.9 dBm and 6.5 dBm in active and passive mode respectively. It consumes a power 9.24mW and 9.36mW in passive and active case with a bandwidth of 1 to 5.5 GHz and 0.5 to 5.1 GHz for active/passive case respectively

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

Doppler Encoded Excitation Patterning (DEEP) Microscopy

Traditional optical imaging systems rely on lenses and spatially-resolved detection to probe distinct locations on the object. We develop a novel computational approach to 2D and 3D imaging that instead measures the object\u27s spatial Fourier transform using a single-element detector and without requiring precision optics. This wide-field technique can be used to image biological and synthetic structures in fluoresced or scattered light using coherent or broadband illumination. It employs dynamic structured illumination, acousto-optics, RF electronics, and tomographic algorithms to circumvent several trade-offs in conventional imaging, such as the dependence of the optical transfer function on the imaging lenses and the coupling of resolution and depth of field. We use Fourier optics concepts to derive the dynamic optical transfer function, evaluate different Fourier sampling strategies, and investigate and compare tomographic algorithms for 2D and 3D image synthesis. We also develop conceptual and analytical models to describe imaging of fluorescent as well as amplitude and phase scattering objects, the effects of broadband and spatially-incoherent illumination, and nonlinear wide-field super-resolution imaging. We consider sources of noise, analyze and simulate SNR behavior for several types of noise and Fourier sampling strategies, and compare the sensitivity of the technique to conventional imaging. We describe several experimental proof-of-concept systems and present two-dimensional high-resolution tomographic image reconstructions in both scattered and fluoresced light demonstrating a thousandfold improvement in the depth of field compared to conventional lens-based microscopy. Finally, we explore approaches for high-speed Fourier sampling and propose several related sensing techniques, including wide-field fluorescence imaging in scattering media

Network traffic management for the next generation Internet

Measurement-based performance evaluation of network traffic is a fundamental prerequisite for the provisioning of managed and controlled services in short timescales, as well as for enabling the accountability of network resources. The steady introduction and deployment of the Internet Protocol Next Generation (IPNG-IPv6) promises a network address space that can accommodate any device capable of generating a digital heart-beat. Under such a ubiquitous communication environment, Internet traffic measurement becomes of particular importance, especially for the assured provisioning of differentiated levels of service quality to the different application flows. The non-identical response of flows to the different types of network-imposed performance degradation and the foreseeable expansion of networked devices raise the need for ubiquitous measurement mechanisms that can be equally applicable to different applications and transports. This thesis introduces a new measurement technique that exploits native features of IPv6 to become an integral part of the Internet's operation, and to provide intrinsic support for performance measurements at the universally-present network layer. IPv6 Extension Headers have been used to carry both the triggers that invoke the measurement activity and the instantaneous measurement indicators in-line with the payload data itself, providing a high level of confidence that the behaviour of the real user traffic flows is observed. The in-line measurements mechanism has been critically compared and contrasted to existing measurement techniques, and its design and a software-based prototype implementation have been documented. The developed system has been used to provisionally evaluate numerous performance properties of a diverse set of application flows, over different-capacity IPv6 experimental configurations. Through experimentation and theoretical argumentation, it has been shown that IPv6-based, in-line measurements can form the basis for accurate and low-overhead performance assessment of network traffic flows in short time-scales, by being dynamically deployed where and when required in a multi-service Internet environment.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo