Ultra-wideband technology is emerging as a solution for the IEEE 802.15.3a (TG3a) standard. The purpose of this standard is to provide a specification for a low-cost, low complexity, low power, and high data-rate (up to a few Gbps) wireless connectivity among devices within personal operating space (up to 10-m). The data-rate must be high enough (at least 110 Mbps) to satisfy Wireless Personal-Area Networks (WPAN) communications.
UWB system is very unique system compared to previous narrowband systems in terms of its wide bandwidth and severe interferers’ environments. First, the bandwidth (3.1 to 10.6-GHz) of 7.5-GHz in the UWB system is the widest one among existing wireless system. All circuits for UWB systems are required to enough wideband bandwidth or high sampling speed. The 802.11a/b/g signals are critical interferers for the UWB system, because they just are far away a few hundreds MHz, which can’t be efficiently attenuated by pre-BPF. Accordingly, wide bandwidth and strong interferers, in the UWB system, give many design challenges to RF circuit designers for their hardware implementation.
This paper describes intensively RF design issues in the UWB system; wideband input matching, wide bandwidth, a fast-hopping frequency synthesizer, and so on. This paper also contains design examples such as wideband low noise amplifier, broadband amplifier, up- and down-conversion mixer, single-to-differential conversion scheme, and a fast hopping frequency synthesizer. Finally, an RF front-end receiver optimized for 3 ~ 5 GHz MB-OFDM UWB radio (Mode 1) are described for design and implementation. For the digital/analog system-on-chip (SoC), the proposed RF front-end receiver is implemented using 0.18 $\mum$ CMOS technology. It adopts double conversion architecture and also incorporates frequency planning that simplifies the design of the fast-hopping frequency synthesizer. The proposed frequency synthesizer has the fewest nonlinear components with one PLL for generating multi-LO tones, and operates at a lower frequency range than RF frequencies, suggesting low power and small sized chip approach. In additional, the double-conversion architecture does not show direct mixing problem between spurious tones and interferers. All research results will gives useful design solution and approaches to readers.
최근, 고속 멀티미디어 서비스에 대한 소비자의 기대가 증가하면서 초광대역 통신기술이 각광을 받고 있다. 초광대역 통신 기술은 7.5-GHz 의 대역폭을 이용하여 최대 10-m 거리에서 수 Gbps 까지 데이터를 전송할 수 있는 기술이다. 이 기술을 이용하면, 가정 및 사무실내의 인-도어(in-door) 환경에서 기존의 저속 및 고속 데이터 통신을 위해 사용되었던 모든 케이블을 제거 할 수 있다. 하지만, 초광대역 통신 기술은 초고속 통신을 위해 사용되는 초광대역 밴드폭과 인접한 다른 무선 통신시스템과의 간섭 문제 때문에 하드웨어 구현이 쉽지는 않는 분야이다.
초광대역 시스템에 적용되는 구성 블록들은 기존의 협대역 통신에서 사용되었던 회로들에 비해 약 100 배 이상의 대역폭을 가져야 하고, 인접한 전파 간섭자들을 효과적으로 차단 해야 한다. 이를 위해 2 장에서는 기존의 협대역 통신용 회로 설계에서는 요구되지 않았던, 초광대역 회로 설계에서 반드시 고려해야 할 주요한 기술적 문제들을 상세하게 서술 하였다. 또한 본 논문의 3 장에서는 초광대역 시스템에 적용 할 수 있는 초광대역 저잡음 증폭기, 주파수 상/하향 변환기, 단일 위상 신호를 차동 신호로 변환 시키는 방법등에 대해 새로운 구조의 회로들을 제안하였으며, 제안한 회로들은 모두 CMOS 공정을 이용하여 칩으로 제작되어 평가를 하였다. 3 장에서 소개된 초광대역 저잡음 증폭기는 최소의 수동 인덕터를 이용하여 광대역 입력 매칭을 얻었으며, 3 ~ 5-GHz 대역에서 기존의 초광대역 저잡음 증폭기 보다 노이즈 지수가 낮은 것이 특징이다. 특히, 3 장에서 정리된 개별 블록별 모든 측정 결과들은 향후 초광대역 회로 설계에 유용한 자료로 활용 될 수 있다. 또한, 3 ~ 5-GHz 주파수 대역을 지원할 수 있는 초광대역 고주파 수신부에 대한 설계 기법 및 제작 결과를 4 장에서 소개 하였다. 본 논문에서 소개하는 초광대역 고주파 수신부는 멀티-밴드 (MB-OFDM) 방식을 채택하고 있으며, 3 ~ 5 GHz 대역을 지원하고 최대 480 Mbps의 전송속도를 지원한다. 4 장에서 소개된 초광대역 고주파 수신부는 3 장에서 소개된 초광대역 회로들을 모두 적용 하였으며, 주파수 합성기의 구조를 간단하게 하기 위해 중간 주파수를 이용하였으며, 그 결과 제안하는 초광대역 고주파 수신부의 주파수 합성기 구조를 간단하게 할 수 있었고, 직접 변환 방식을 채택하였을 때 발생되는 시간에 따라 변하는 DC offset 문제를 줄일 수 있었다. 중간 주파수를 이용하면서 발생될 수 있는 이미지 문제는 칩 내/외부에서 추가의 노치(notch) 회로를 이용하여 90-dB 수준까지 이미지 신호의 크기를 감소 시킬 수가 있다. 본 논문에서 제안하는 초광대역 수신부는 송신부와 더불어 국내에서 최초로 0.18 $\mum$ CMOS 공정을 이용하여 구현되었으며, 측정 결과는 MBOA 제안서의 기준을 90% 만족 하였다. 그러나, 상용칩 수준으로 제작하기 위해서는 전력 소모 및 칩 면적에서 개선의 여지가 있다.
