A low-power agile coherent IR-UWB receiver with non-coherent-assisted synchronization

Résumé

Impulse Radio Ultra Wide Band (IR-UWB) a récemment reçu une attention particulière pour les applications de communication sans fil à courte portée. Les propriétés uniques des systèmes IR-UWB les ont rendus plus répandus dans les résaux de capteurs sans fil et Internet of Things (IoT), les appareils intelligents et les téléphones intelligents d’aujourd’hui. Une variété d’architectures d’émetteurs-récepteurs IR-UWB ont été proposées par les chercheurs au cours de la dernière décennie, y compris des architectures cohérentes et non cohérentes qui peuvent améliorer une ou plusieurs propriétés associées aux systèmes IR-UWB. Ce mémoire vise à réaliser un système IR-UWB cohérent à faible consommation d’énergie. Afin de réduire la consommation énergétique des récepteurs cohérents classiques, un algorithme hybride de synchronisation des récepteurs cohérents est proposé. Préalablement à une synchronisation cohérente, l’algorithme utilise une synchronisation assistée non cohérente pour limiter l’espace de recherche. Par rapport aux récepteurs cohérents conventionnels, ce procédé réduit considérablement la quantité d’énergie utilisée pour la synchronisation. La méthode de synchronisation hybride proposée commence par un mécanisme de synchronisation non cohérent basé sur la détection d’énergie utilisant la modulation On-Off Keying (OOK) pour synchroniser grossièrement le récepteur en déterminant la bonne fenêtre d’intégration dans laquelle réside le signal reçu. Une fois que le niveau de synchronisation est atteint de façon grossière, une corrélation cohérente basée sur un modèle cohérent employant une modulation Binary Phase-Shift Keying (BPSK) est effectuée pour une synchronisation fine. Un prototype de récepteur IR-UWB fonctionnant de 3,5 à 5 GHz a été implémenté dans une technologie TSMC CMOS 65 nm. Notre architecture de récepteur proposée nous a permis de comparer notre approche de synchronisation hybride à deux architectures de récepteur courantes, à savoir les récepteurs de détection d’énergie non cohérents et ceux cohérents. L’architecture du récepteur utilise un auto-mélangeur pour une détection non cohérente basée sur la modulation OOK et une corrélation de modèle pour une détection cohérente basée sur la modulation BPSK. La plupart des blocs de l’architecture du récepteur proposée, y compris le LNA, le mélangeur et les circuits de bande de base, sont partagés entre les modes non cohérents et cohérents afin de minimiser la consommation d’énergie totale et la zone de réception. Un mécanisme d’acquisition grossière et fine en deux étapes est utilisé pour simplifier la synchronisation cohérente et minimiser la longueur de paquet totale requise. Un Delay-Locked Loop (DLL) avec multi-résolution et un Voltage Controlled Oscillator (VCO) avec démarrage rapide fournissent la phase appropriée pour la fenêtre d’intégration et la génération de modèles.Une DLL multi-résolution et un VCO à démarrage rapide fournissent la phase adéquate pour l’intégration et la génération d’impulsions modèles. Le récepteur consomme 6,8 mW en mode non cohérent et 8,8 mW en mode cohérent lorsqu’il est toujours activé, à l’exclusion de la consommation d’énergie des circuits tampons et du processeur de bande de base numérique. Il atteint une sensibilité RF de -68 dBm, -70,5 dBm et -70,8 dBm à un Bit Error Rate (BER) de 10−3 en mode non cohérent, cohérent et en mode hybride proposé, respectivement. Notre architecture de récepteur proposée, en combinaison avec l’algorithme de synchronisation hybride, démontre que l’approche de synchronisation proposée est capable de réduire considérablement le temps requis pour le préambule. La durée des paquets est réduite de 37,12 us in the solely coherent template correlation to 24.42 us with the proposed hybrid synchronization method for a 1024-bit payload.

Date	22 déc. 2022
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Frédéric Nabki (Directeur(-trice))