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

Pourvali Kakhki, Amin (2022). A low-power agile coherent IR-UWB receiver with non-coherent-assisted synchronization. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Impulse Radio Ultra Wide Band (IR-UWB) has recently received significant attention for short-range wireless communication applications. The unique properties of IR-UWB systems have made them more prevalent in today’s wearable and Internet of Things (IoT), sensor nodes, healthcare devices and smartphones.

A variety of transceiver architectures in the IR-UWB system have been proposed by researchers over the past decade, including coherent and non-coherent architectures, which can improve one or more challenges associated with the IR-UWB systems. This thesis aims to realize a low-power efficient coherent IR-UWB system. In order to reduce the energy consumption of conventional coherent receivers, a hybrid synchronization algorithm for the coherent receivers is proposed. Prior to a coherent synchronization, the algorithm uses a non-coherent assisted synchronization to limit the search space. Compared to conventional coherent receivers, this method greatly reduces the amount of power used for receiver synchronization.

The proposed hybrid synchronization method begins with a non-coherent synchronization mechanism based on energy detection using On-Off Keying (OOK) modulation to coarsely synchronize the receiver by determining the correct integration window in which the received signal resides. Once the coarse synchronization level is achieved, a coherent template-based coherent correlation employing Binary Phase-Shift Keying (BPSK) modulation is carried-out for fine synchronization and to benefit from coherent payload decoding.

A prototype IR-UWB receiver operating from 3.5 to 5 GHz has been implemented in a TSMC 65 nm CMOS technology. Our proposed receiver architecture enabled us to compare our hybrid synchronization approach to two common receiver architectures, namely non-coherent energy detection and coherent detection receivers.

The receiver architecture utilizes a self-mixer for a non-coherent detection based on OOK modulation and a template correlation for a coherent detection based on BPSK modulation. Most blocks in the proposed receiver architecture, including the LNA, mixer and baseband circuitry are shared between the non-coherent and coherent modes to minimize the total power consumption and receiver area. A two-step coarse and fine acquisition mechanism is utilized to simplify the coherent synchronization and minimize the total required packet length. A multi-resolution Delay-Locked Loop (DLL) and a fast start-up Voltage Controlled Oscillator (VCO) provide the proper phase for the integration window and template generation.

The receiver consumes 6.8 mW in non-coherent mode and 8.8 mW in coherent mode when operating fully ON, excluding the power consumption of the buffers and the digital baseband processor. It achieves a -68 dBm, -70.5 dBm, and -70.8 dBm RF sensitivity at a 10−3 BER in the non-coherent, coherent, and proposed hybrid mode, respectively. Our proposed receiver architecture, in combination with the hybrid coherent synchronization algorithm, demonstrates that the proposed synchronization approach is capable of significantly reducing the overhead incurred by the preamble. The packet duration is reduced from 37.12 us dans le cas de corrélation cohérente à 24,42 us avec la méthode de synchronisation hybride proposée pour une charge utile de 1024 bits.

Titre traduit

Un récepteur IR-UWB cohérent agile à faible puissance avec synchronisation non cohérente assistée

Résumé traduit

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.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master’s degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 61-64).
Mots-clés libres:	ultra-wideband, impulse radio, coherent, non-coherent, synchronization, low power, template-based correlation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Nabki, Frédéric
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	27 févr. 2023 15:58
Dernière modification:	27 févr. 2023 15:58
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3184

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