A low-power impulse radio ultra-wideband transceiver for short-range, high-speed wireless communications

Abstract

Esta tesis tiene como propósito el desarrollo de un transceptor inalámbrico que combine bajo consumo con alta velocidad aprovechando las peculiaridades de las comunicaciones de corta distancia Se estudiaron las diversas alternativas Ultra-Wideband (UWB)---Impulse Radio con bajo consumo así como OFDM y Direct Sequence con alto rendimiento---teniendo en cuenta los requisitos de bajo consumo y alta velocidad, así como las necesidades de corto alcance. Una vez se decidió la modulación a nivel sistema---Impulse Radio---, se realizó el análisis a nivel sistema para determinar la arquitectura de sistema óptima escogiendo entre la arquitectura coherente de mejores prestaciones o la arquitectura no coherente de menor complejidad. Además, el análisis del consumo de los receptores y transmisores Software Defined Radio (SDR) indicó que para un funcionamiento de muy bajo consumo se debía escoger la implementación analógica del sistema. Estas simulaciones a nivel sistema fue realizadas mediando un simulador de procesado numérico de la señal (Ptolemy). Esto nos permitió incluir las no idealidades del sistema---ruido, interferencias y efectos no lineales---pero también modelar los bloques necesarios desde sus especificaciones hasta el nivel transistor. Finalmente, los resultados obtenidos con estas simulaciones determinaron que la arquitectura coherente en cuadratura (QAC) sin LNA era la óptima para este ámbito de aplicación; ésta fue la arquitectura utilizada en el segundo prototipo fabricado. También se llevaron a cabo investigaciones adicional para reducir el consumo total a nivel sistema. Un modelado comportamental (Verilog-A y Matlab) del Time Base Generator (TBG) fue implementado para reducir los tiempos de simulación. Por otra parte, en el marco de esta tesis, se propusieron nuevas arquitecturas para los bloques de mayor consumo. Estas nuevas arquitecturas aprovechan una organización jerárquica del TBG que, con el dimensionamiento y organización adecuados, pueden dar lugar a un mínimo de consumo. También se realizó la optimización del rendimiento y del consumo de los diversos bloques de la cadena RF a nivel circuito usando simuladores de RF (SpectreRF y Agilent-ADS). En el primer prototipo fabricado se propusieron e implementaron técnicas novedosas para opimizar el consumo del LNA para IR-UWB. Al mismo tiempo, las topologías del Template Generator y del Mixer fueron modificadas para generar una nueva arquitectura combinada---diseñada específicamente para IR-UWB---que logra un menor consumo y mejor rendimiento que las soluciones previas de la literatura. Este nuevo circuito fue empleado en el segundo prototipo fabricado. A lo largo del trabajo de la tesis la diferentes ideas propuestas han sido validadas experimentalmente. Se implementó un primer prototipo que incorpora las versiones de bajo consumo del LNA y del Mixer, y una primera versión del Template Generator así como algunos de los bloques empleados en el TBG (como la Voltage Controlled Delay Line). Un segundo prototipo fue diseña y fabricado, el cual contenía el cabezal de RF completo y parte de los bloques de Banda Base. Ambos prototipos fueron fabricados usando una tecnología CMOS de 0.18 µm. Se realizaron medidas en diversas situaciones. El último prototipo presenta una consumo de energía por bit que es el ¿estado del arte¿ al ser comparado con los circuitos existentes en la literatura.