This thesis presents a digitally-assisted subsampling receiver architecture, tightly integrating the noise properties with communication algorithms and circuit-level design to modify the existing trade-off between analog-to-digital conversion precision and signal-to-noise ratio. The proposed ultra-wideband (UWB) wireless receiver achieves comparable bit-error rate (BER) performance to traditional direct-conversion receivers while reducing the power consumption by nearly a factor of two.
We modeled a UWB communication system based on multiband orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) to estimate the performance enhancement and power reduction by the digitally-assisted subsampling. Our model represents the statistics of time-domain UWB signals over a wireless channel to reflect the impact of quantization noise at a receiver analog-to-digital converter (ADC).
In order to reduce quantization noise in ADC, we propose a fine tracking automatic dynamic range control for each OFDM symbol, after coarse automatic gain control is performed for the preamble symbols at the front of an OFDM frame. This dynamic range adjustment of the analog-to-digital conversion allows the reduction of ADC precision requirement while maintaining the quantization noise power. This new digital assistance is initiated from digital baseband back-end by decoding the peak magnitude of the next coming OFDM symbol, and is performed by setting ADC reference ladder circuit block. For system-level receiver design including analog front-end and digital back-end, we formulate a power-constrained BER optimization problem. With this optimization framework based on the UWB communication system model, we show that the energy-efficiency improvement from the ADC precision reduction, obtained by the digital assistance, heavily depends on OFDM symbol clipping level. With proper design specifications, it seems that the digital assistance would reduce required ADC precision, theoretically implying 50% ADC power reduction.
We also replaced the multiband PLL in conventional UWB architecture with a fixed-frequency PLL, using subsampling rather than direct-conversion, for the reduction of the PLL power consumption. The very short range and wide bandwidth of UWB communication make a traditionally unrealizable subsampling receiver architecture to be realizable, with small noise aliasing and better phase noise desensitivity. In order to eliminate unwanted aliased signals very efficiently and to reduce thermal noise and jitter-induced noise, we studied a new time-domain analog filter. The filter consists of two MOSFET switches, which are serially interconnected and driven by two different frequencies. The first MOSFET switch oversamples input signals by two-times while the second MOSFET switch resamples the first switch output when the first switch is in hold phase. Consequently, the filter efficiently rejects out-of-band signals and the second switch does not add noise aliasing.
To validate the digital assistance technique and the time-domain analog filter for efficient subsampling, we designed the front-end of a multiband UWB wireless receiver for 3.1-4.8 GHz band in 0.18㎛ CMOS process. This digitally-assisted subsampling receiver includes a single-ended low noise amplifier (LNA), an active balun, and two differential subsampling ADCs for I-channel and Q-channel. The LNA offers 11 dB gain for 3.1-4.8 GHz RF signals and 3.5 dB noise figure with 7 mW power dissipiation. The 4-bit 600-Msample/s subsampling ADC, which consumes 29.3 mW, quantizes -61 dBm RF output signals with a track-and-hold amplifier having 46 dB variable gain. The receiver sensitivity for 480 Mbit/s data rate within 2 meter is -60.0 dBm. The overall receiver power consumption by simulation is 96 mW. We fabricated two integral parts of the receiver: LNA and flash core of the subsampling ADC. Experimentally measured data will verify agreement with our theoretical analysis and simulated performance.
이 논문은 잡음(noise) 특성과 통신알고리즘 및 회로설계테크닉을 이용하여 아날로그-디지털 변환과 신호대잡음비 사이에 존재하는 상호관계를 변형하는 혼합모드 서브샘플링(digitally-assisted subsampling)을 이용한 수신기 구조를 제안한다. 설계된 초광대역 수신기는 기존의 직접변환구조의 수신기와 비슷한 비트에러율(BER) 성능을 가지면서 두 배 적은 전력을 사용한다.
제안된 기법에 의한 성능향상 및 전력감소를 예측하기위하여 다중밴드 직교주파수 분할 변조(OFDM)에 기반한 초광대역 통신시스템을 모델링하였다. 이 모델은 수신기 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 양자화 잡음 영향을 고찰하기 위하여 무선채널에서 전송되는 UWB 신호의 시간영역 특징을 나타낼 수 있다.
첫번째 연구로서, ADC의 양자화 잡음을 감소시키기위하여, OFDM 프레임의 프리앰블에 대한 자동이득조절이 실행된후, 각각의 OFDM 심볼에 대한 ADC 동작영역을 자동적으로 조절하는 기법을 제안하였다. ADC 동작영역을 조절함으로서 양자화 잡음의 전력을 증가시키지 않으면서 ADC 해상동를 낮출 수 있다. 이 새로운 디지털 어시스턴스(digital assistance) 기법은 디지털 베이스밴드 백엔드에서 다음 수신되는 OFDM 심볼의 피크정보를 디코딩하여, 이에 따라 아날로그-디지털 변환기의 기준전압회로를 설정하는 것이다. 아날로그 프론트엔드와 디지털 백엔드를 포함하는 시스템수준의 수신기 설계를 위해, 전력소모에 제한되는 BER 최적화 문제를 정의하였다. 초광대역 통신 시스템에 기반하는 이 최적화 프레임워크를 이용하여, 디지털 어시스턴스에 의해 아날로그-디지털 변환기의 해상도를 낮추어 얻어지는 전력감소는 OFDM 심볼의 clipping level에 의존하는 것임을 보였다. 적절한 설계사양에서 제안한 디지털 어시스턴스는 ADC 해상도를 한 비트 감소시켜 ADC 소모전력을 이론적으로는 50% 까지 감소시키게 될 것이다.
두번째 연구로서, PLL의 소모전력을 감소시키기위하여 서브샘플링(subsampling)을 이용하여 일반적인 direct-conversion UWB 수신기에서 사용되는 다중밴드 PLL을 단일주파수 PLL로 대체시킬수 있는 기법을 제안하였다. 매우 가까운 거리에서 사용되는 UWB 신호의 넓은 대역폭은 잡음 앨리어싱(aliasing)을 줄이고 jitter-induced 잡음에 대한 민감도를 떨어뜨림으로서 현재까지 구현불가능한 서브샘플링 수신기 구조를 실현가능하도록 하였다. 앨리어싱 신호을 매우 효과적으로 제거하고 열 잡음 및 jitter-induced 잡음을 감소시키기 위하여, 새로운 시간영역 아날로그 필터를 연구하였다. 필터는 서로 다른 주파수로 구동되며 직렬로 연결된 두 개의 MOSFET 스위치로 구현된다. 첫 번째 스위치는 입력신호를 두배로 oversampling 하며, 두번째 스위치는 첫번째 스위치가 hold 모드에 있을 때 첫번째 스위치의 출력을 resample 한다. 따라서, 필터는 대역 외 신호를 효과적으로 차단하며, 두번째 스위치는 잡음 앨리어싱을 유도하지 않는다.
제안한 두가지 기법을 검증하기위하여, 3.1-4.8 GHz 밴드에서 작동하는 UWB 수신기 프론트앤드를 0.18 um CMOS 공정에서 설계하였다. 설계된 혼합모드 서브샘플링 수신기는 저잡음 증폭기, 능동 발룬, 차동 서브샘플링 ADC로 구성되어있다. 저잡음 증폭기는 3.1-4.8 GHz 주파수 밴드에서 11 dB 의 이득과 3.5 dB 의 잡음지수를 가지며 7 mW 의 전력을 소모한다. 설계된 4 bit 600 Msample/s 서브샘플링 ADC는 29.3 mW를 소모하며 -61 dBm 크기의 무선신호를 46 dB 이득의 track-and-hold 증폭기를 사용하여 양자화한다. 수신기 감도는 2 미터이내에서 480 Mbit/s를 전송할 경우 -60.0 dBm 이며 시뮬레이션에의한 전체 수신기 프론트엔드의 전력소모는 96 mW 이다. 수신기의 핵심부분인 저잡음 증폭기와 서브샘플링 ADC의 flash 코어를 제작하였으며, 실험결과를 통해 이론적 해석결과와 시뮬레이션 성능과의 일치를 확인할 것이다.
