Design of a Discrete-Component Impulse-Radio Ultra Wide-Band (IR-UWB) Testbed and Design of a very Low-Power IR-UWB Transmitter in CMOS Technology

Edmund James Colli-Vignarelli
2012
This work presents, in a first part, a testbed for Impulse-Radio Ultra-Wideband (IR-UWB) communication for validating the possibility to do such radio communications. The UWB radio is a radio technique that consists to send extremely short impulses (few nano-seconds) which have a rich spectral content over several hundreds of MHz. The UWB radio we consider here works in the 4.0 to 4.5 GHz frequency range. The IR-UWB radio allows high datarates and small power consumption. In addition, it allows
more » ... localising precisely a mobile transmitter because UWB signal are similar to those of radar. As UWB radio is different than conventional narrow-band radio, the algorithms used for communication and synchronisation between UWB devices need to be reconsidered. The UWB testbed presented here allows validating and experimenting these algorithms in order to improve and publish them with significant results. There are several already published UWB testbed but few of them are described with enough details to be rebuilt as they are by other researchers or scientists in order to reproduce an experiment. In addition, building such a testbed requires an advanced knowledge not only in electronics and microwave theory but also on practical aspects of building such devices. However, many researchers have not this knowledge because they work on another field and thus, we provide a detailed description about the design and construction of the parts of the testbed in order to help anyone who wants to build the testbed. It is also possible to modify the design of the testbed in order that it works in another frequency range by following the methodology of design we used. The testbed is entirely designed with off-the-shelf discrete components and can be built at a relatively low price. We begin our work by presenting first a very simple but viable UWB testbed in order to understand the principles of UWB radio and to justify further design consideration made later in the work. We also present a mathematical i study of UWB signals that allows to rapidly determine their specifications in order to generate a true well shaped UWB signal. This work presents, in a second part, the design and construction of an integrated lowpower UWB transmitter in CMOS 0.18um technology. As UWB radio is by nature low-power, we present a novel architecture for generating an arbitrary signal by consuming the smaller as possible amount of energy. We use this architecture for generating the UWB impulse that we determined mathematically in order to have a shape that optimize the spread of energy in the available frequency range (4.0 to 4.5 GHz as for the testbed). We present three prototypes of the architecture where one is patented. Keyworks UWB, Ultra-Wideband, IR, Impulse-Radio, testbed, discrete-components, lowpower transmitter, CMOS 0.18um ii chercheurs puissent la reconstruire à l'identique afin de refaire ou d'améliorer une expérience. De plus, construire une telle plate-forme demande des connaissances avancées en électronique, et ce également en ce qui concerne la réalisation pratique des éléments de cette plate-forme. Or, à cause de leur spécialisation dans un autre domaine, de nombreux chercheurs n'ont pas forcément l'expertise ni l'équipement pour construire de telles plate-formes, c'est pourquoi nous avons veillé à donner tous les détails relatifs à la conception et la construction de cette plate-forme afin de guider quiconque souhaite la reproduire. Ainsi, il est également possible de iii modifier la conception électronique de la plate-forme pour la faire fonctionner dans une autre gamme de fréquences en suivant la méthodologie indiquée. La plate-forme est entièrement conçue avec des composants discrets disponibles dans le commerce et peut être construite pour un coût relativement bas. En préambule, nous présentons un premier prototype de plate-forme de test rudimentaire afin de comprendre les enjeux et difficultés et ainsi de justifier les choix de conception qui ont étés appliqués dans la plate-forme de test définitive. Nous présentons également une étude mathématique des signaux ULB permettant de calculer rapidement les caractéristiques que doit avoir un signal ULB pour être considéré comme tel. Cette thèse présente, dans second temps, la conception et la réalisation d'un émetteur ULB en technologie intégrée CMOS 0.18um à très basse consommation. La radio ULB étant par nature à basse consommation, nous présentons une architecture originale permettant de générer un signal arbitraire en utilisant le moins possible d'énergie. Nous utilisons cette architecture pour la génération d'un signal ULB que nous avons déterminé mathématiquement pour avoir une forme qui optimise la répartition de la puissance dans le spectre dans la gamme de fréquence considérée (de 4.0 à 4.5 GHz comme pour la plate-forme). Nous présentons trois variantes de l'architecture dont l'une constitue un brevet. Mots-clé ULB, Ultra-Large Bande, IR, Radio Impulsionelle, plate-forme de test, composants discrets, émetteur basse consommation, technologie intégrée CMOS 0.18um iv Remerciements Ce travail n'aurait pas été possible sans la collaboration et le soutien de nombreuses personnes que je souhaite remercier ici : • Je remercie d'abord mes directeurs de thèse, Dr Catherine Dehollain et Prof Jean-Yves Le Boudec, pour la qualité de leur encadrement et toutes les discussions que nous avons eues ensemble pour faire avancer ce travail. Leur disponibilité et leur soutien m'ont été précieux.
doi:10.5075/epfl-thesis-5307 fatcat:36qcry2y75az5fa3gvpqavvupi