This thesis present fully integrated direct conversion transceiver designs for WLAN (IEEE 802.11.a/HiPERLAN2) operating in the frequency band of 5 GHz and ZigBee(IEEE 802.15.4) operating in the 868/915 MHz and 2.4 GHz bands. At first, architectural advantages and disadvantages of superheterodyne, low-intermediate frequency, and direct-conversion scheme is employed to implement lo-cost and highly integrated transceivers.
General overview of physical layer radio specifications are discussed for 5GHz WLAN and ZigBee standards. To derive the radio specifications, system level behavioral simulations are performed to see radio performances in terms of bit error rate, packet error rate, error vector magnitude, and signal constellation. The radio specifications include parameters such as noise figure, nonlinearity, channel filtering, phase noise of local oscillator, dynamic range, and bit resolutions of analog-to-digital and digital-to-analog converters. Several circuit topologies are employed to tackle the disadvantages of the direct conversion scheme. Low flicker noise down-conversion mixers and an offset clock generator are employed to tackle the problems of direct conversion scheme for 5 GHz WLAN application. Furthermore, the techniques of employing current reusing and off-chip inductors are adopted to reduce power consumption and die size for ZigBee applications. The radio transceiver chips for 5 GHz WLAN and ZigBee standards are implemented using 0.18$\mum$ CMOS technology.
In Appendix A, a wide band on-chip spiral inductor model for radio frequency integrated circuit is introduced, and its model parameter extraction methodology is described.
본 논문은 초고속 무선 데이터 통신표준인 5 GHz 대역에서 동작하는 무선랜과 저전력, 저가격의 센싱/제어를 위한 표준인 지그비를 위한 직접변환 방식의 무선송수신기의 설계에 관한 것이다. 이러한 표준은 오늘날 점점 더 지능화되어 가고 있는 가정에서의 무선 네트워크에서 특히 중요한 역할을 수행한다.
우선 무선송수신기의 구조는 기존에 널리 채택되었던 슈퍼헤테로다인 방식, 그리고 집적화를 높일 수 있는 직접변환 방식 및 낮은 중간주파수 (Low-IF)를 이용한 방식으로 대별된다. 각각의 방식은 서로 다른 장단점을 가지며, 본 논문에서는 집적화를 가장 높일 수 있으며 저자격화를 실현할 수 있는 잇점을 가진 직접변환장식에 의거하여 무선 송수신기가 설계되었다.
무선송수신기 설계에 앞서 5 GHz대역의 무선랜 및 지그비 표준의 물리계층의 무선송수신기의 요구사양에 대한 총괄적인 논의를 한 후에, 그러한 요구사양을 도출하기 위해 시스템 레벨에서의 모의실험을 하였다. 그러한 실험은 실제 무선송수신기의 제작에 앞서, 가상적인 무선송수신기를 모의실험을 할 수가 있으며, 성능지표로서 비트 에러, 패킷 에러, 에러벡터, 신호에 대한 품질을 평가할 수가 있다.
무선송수신기의 요구사양은 성능지표를 만족할 수 있도록 도출이 되어야 하며, 요구사양에는 잡음지수, 비선형 특성, 채널 필터링, 다이나믹 레인지, ADC/DAC의 요구되는 비트수 등등을 포함한다. 직접변환 방식의 문제점을 극복하기 위한 회로레벨에서 다양한 구조가 채택되었다. 그러한 예로서, 5 GHz 무선랜은 낮은 1/f 잡음 특성을 갖는 하향변환 주파수 변환기와, 국부발진기로부터의 풀링 및 커플링을 줄이기 위한 동작주파수의 2/3에 해당하는 주파수를 발생시키는 오프셋 가변전압 발진기를 채택하였다.
또한 저속, 저가격 및 저전력 네트워크인 지그비 무선송수신기에 대해서도 마찬가지로 시스템 레벨에서의 모의실험을 통해, 무선 송수신기의 요구사양을 도출하였다. 지그비의 요구사양은 다른 무선랜 표준의 경우에 비해 요구사양이 상당히 완화되어 있다. 특히 저전력의 무선송수신기를 구현하기 위한 전류재사용 기법과 오프칩 인덕터를 사용하는 기법을 사용하였다. 도출된 무선송수신기 요구사양에 따라, 두 가지 표준의 무선송수신기 칩이 0.18 마이크론 CMOS공정을 이용하여 실제로 구현되었다.