minidisputas

Document Sample
minidisputas Powered By Docstoc
					                 UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS

                                Håkon A. Hjortland

                                 Institutt for informatikk
                                   Universitetet i Oslo


                               Minidisputas 15/9-2006




Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   1 / 61
  Innhold


  1    Bakgrunn
         Introduksjon
         UWB
         Radar

  2    Sampler
         Prinsipp
         Systemnivå-simulering

  3    Implementasjon
         Krets
         Målinger



Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   2 / 61
Bakgrunn
  Introduksjon


    Innhold


     1   Bakgrunn
           Introduksjon
           UWB
           Radar

     2   Sampler
           Prinsipp
           Systemnivå-simulering

     3   Implementasjon
           Krets
           Målinger



  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   3 / 61
Bakgrunn
  Introduksjon


    Hva er kortholds UWB impuls-radar?




            Radar, men lavere effekt, kortere rekkevidde og høyere
            oppløsning enn f.eks. flyradar
            Sender ut korte radiopulser (ingen bærebølge), ser på
            refleksjoner fra objekter




  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   4 / 61
Bakgrunn
  Introduksjon


    Hvorfor kortholds UWB impuls-radar?


            Spennende anvendelser
                   Medisinsk (hjerte, lunge, hematoma, . . . )
                   Politi, militær: Se gjennom dører, vegger, . . .
                   Redningsarbeid: Se gjennom kollapsede bygninger,
                   snøskred, . . .
                   Sikring: Alarm “usynlig gjerde”
                   Avstandsmåling: Bil ryggedetektor, krasjdetektor, . . .
                   GPR (Ground Penetrating Radar): Landminer, rør, . . .
                   Og mye annet . . .
            Enkle systemer
            Lav effekt
            Billig CMOS kjapp nok



  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   5 / 61
Bakgrunn
  Introduksjon


    Inspirasjonskilder




            MIR (Micropower Impulse Radar) laget av McEwan
            Kontinuerlig-tid kvantisert amplitude signalbehandling brukt i
            masteroppgavene til Kjetil Meisal og Claus Limbodal




  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   6 / 61
Bakgrunn
  UWB


   Innhold


    1      Bakgrunn
             Introduksjon
             UWB
             Radar

    2      Sampler
             Prinsipp
             Systemnivå-simulering

    3      Implementasjon
             Krets
             Målinger



 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   7 / 61
Bakgrunn
  UWB


   “UWB båndet”


           UWB: Ultra Wide Band
           UWB-IR: Ultra Wide Band Impulse Radio
           Ulisensiert bånd nylig frigitt i USA
           3.1–10.6 GHz
           7.5 GHz båndbredde!
           Lav tillatt effekt, max 0.6 mW
           Spektralmasker definert (en for innendørsbruk, en for
           håndholdte enheter)
           Frekvens-skiftede Gaussiske pulser fyller spekteret fint



 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   8 / 61
Bakgrunn
  UWB


   Eksempler på frekvens-skiftede Gaussiske UWB-pulser

                                                          1



                                 Arbitrary amplitude
                                                                                                 Baseband Gaussian pulse
                 Monocycle                              0.5                                             Frequency shifted
                                      Signal (V)
                                                          0

                                                        -0.5

                                                         -1


                                                          1
                                 Arbitrary amplitude




                                                                                                 Baseband Gaussian pulse
                                                        0.5                                             Frequency shifted
                 FCC indoor
                                      Signal (V)




                                                          0

                                                        -0.5

                                                         -1


                                                          1
                                  Arbitrary amplitude
                                 Arbitrary amplitude




                                                                                                 Baseband Gaussian pulse
                  FCC handheld
                 FCC handheld




                                                        0.5                                             Frequency shifted
                                       Signal (V)




                                                        0.5
                                      Signal (V)




                                                           0
                                                           0
                                                        -0.5
                                                        -0.5
                                                          -1
                                                          -1 0    0.2         0.4               0.6             0.8            1
                                                                                    Time (ns)



             Figur: Eksempler på frekvens-skiftede Gaussiske UWB-pulser

 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)                                    UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS                      Minidisputas 15/9-2006   9 / 61
Bakgrunn
  UWB


   Spektrum for Gaussiske UWB-pulser
                                        -20
                                                                                                                            FCC indoor
                                                                                                                          FCC handheld
                                                                                                                        Constraint points
                                        -30              7.5 GHz bandwidth
                                                                                                  Center frequency: 6.85 GHz

                                        -40                                      3.1 GHz                10.6 GHz
                                                                                                                    −41.3 dBm/MHz
                EIRP power (dBm/MHz)




                                        -50                                                                         10 dB drop
                                                                       le
                                                           o  cyc
                                        -60            Mon
                                                                                                                    20 dB drop


                                        -70

                                                                                           ld
                                                                        or                dhe
                                                                    do
                                                                  in
                                                                                     han


                                        -80              F   CC
                                                                                      C
                                                                                   FC




                                        -90
                                                  Sweep of center
                                                  frequency
                                                  phase
                                       -100
                                           0.1                               1                        10                100                  1000
                                                                                                Frequency (GHz)



                                                 Figur: Spektrum for Gaussiske UWB-pulser

 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)                                               UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS                        Minidisputas 15/9-2006   10 / 61
Bakgrunn
  Radar


   Innhold


    1      Bakgrunn
             Introduksjon
             UWB
             Radar

    2      Sampler
             Prinsipp
             Systemnivå-simulering

    3      Implementasjon
             Krets
             Målinger



 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   11 / 61
Bakgrunn
  Radar


   Grunnleggende om radar



           Prinsipp: Send ut radioenergi, observer reflektert energi
           Reflektert energi går med 1/R 4
           Hovedproblem: Lav SNR
           Tradisjonell radar fikser dette ved bruk av høy effekt eller
           pulskoding (f.eks. Barker codes). Begge løsinger krever
           avansert elektronikk.
           Kortholdsradar: R liten ⇒ god nok SNR ⇒ enkel elektronikk




 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   12 / 61
Bakgrunn
  Radar


   Radar / impuls-radar grunnprinsipp


                                                                          Backscatter
                                           Target         Ideal signal         Noisy signal




       Transmitter                                                       +

                                                                Noise (σN )
                                                    (Radio interference / thermal noise)

                          Figur: Radar / impuls-radar grunnprinsipp




 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)     UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS        Minidisputas 15/9-2006   13 / 61
Sampler
  Prinsipp


    Innhold


     1   Bakgrunn
           Introduksjon
           UWB
           Radar

     2   Sampler
           Prinsipp
           Systemnivå-simulering

     3   Implementasjon
           Krets
           Målinger



  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   14 / 61
Sampler
  Prinsipp


    Samplerens oppgave




             Ingen bærebølge å demodulere ⇒ Er interessert i rå utlesing
             av signalet fra mottakerantennen
             Minimum 2 · 6.85 GHz = 13.7 GHz samplingsrate!
             Alternativt kun deteksjon av f.eks. første ekko (avstandsmåler)
             Sampling f.eks. hvert mikrosekund: Lite endring i de
             observerte objektene. Kan bruke dette til å midle ut støyen.




  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   15 / 61
Sampler
  Prinsipp


    Strobed sampler



                                                                      Backscatter
                                        Target         Ideal signal       Noisy signal


                                                             τ                  τ
                                                                              Vin                 Vin (τ )
     SendPulse       Transmitter                                      +

                                                             Noise (σN )
                                                 (Radio interference / thermal noise)       Sample

                                          τ



                                   Figur: Strobed sampler




  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)     UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS                  Minidisputas 15/9-2006   16 / 61
Sampler
  Prinsipp


    PDF (Probability Density Function) for en samplet verdi




                             Probability        Ideal Vin (τ )


                                                                 Noise (σN )


                                                                   Sampled Vin (τ )

             Figur: PDF (Probability Density Function) for en samplet verdi




  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)             UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS       Minidisputas 15/9-2006   17 / 61
Sampler
  Prinsipp


    Averaging sampler prinsipp


                                 Sample
                                                     Averaging sampler

                        Vin               Vin (τ )         1X        Vin   recovered (τ )
                                                           n n




                                  σN                               σN    recovered   < σN


                                       Averaging reduces noise

                                 Figur: Averaging sampler prinsipp




  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)         UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS         Minidisputas 15/9-2006   18 / 61
Sampler
  Prinsipp


    Analog average sampler (referanse-sampler)



                                 Sample
                                                     Analog average of
                                                     multiple samples

                         Vin              Vin (τ )     1X           Vin   recovered (τ )
                                                           Vin (τ )
                                                       n n


                     Figur: Analog average sampler (referanse-sampler)




  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)       UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS          Minidisputas 15/9-2006   19 / 61
Sampler
  Prinsipp


    Thresholded sampler — Passer til CMOS


                                   VT


                                             Thresholder               Flip-flop
                                 Vin
                                             +
                                                                           D   Q
                                             −


                                        VT
                                                                           Sample

                       Figur: Thresholded sampler — Passer til CMOS




  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)           UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS            Minidisputas 15/9-2006   20 / 61
Sampler
  Prinsipp


    Swept threshold sampler
                      Target
                                       VT


                                                                    τ
                                    Vin
                                                   +
                                                                            EN    Counter
                                                   −                                        Reset
              Transmitter                 VT

                                                                   τ
                                                                           Sample


                                          Sweep
                                                               1. Reset counter
             PRF = 1 MHz                                       2. Send 1000 pulses while sweeping
                                                                  VT from min to max
                                                               3. Read counter
                                            1 ms

                                               Control logic


                                 Figur: Swept threshold sampler

  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)      UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS              Minidisputas 15/9-2006   21 / 61
Sampler
  Prinsipp


    Swept threshold sampler — detaljer
                                                                                                                Threshold levels (VT )
                                                                                                                ∆VT = 0.1
                                                      1
                                                                                                                     +1σN = +1 · 0.1




                                  Vin
                                                                                                                     Ideal Vin
                                                                                                                     −1σN = −1 · 0.1
                                                      0
                                                                                               τ                 t

                                                                                               “Cross section” at t = τ


                                                                           Ideal Vin (τ ) = 0.65
                                                                                                               Threshold levels (VT )
                                                                                                               ∆VT = 0.1
                                                 Probability
                                  Vin (τ ) PDF




                                                                                                           Noise (σN = 0.1)


                                                               0                                       1 Noisy Vin (τ )


                                   First         run:              1   1   1   1   1   0   1   0   0   = 6/9   =⇒    Vin   recovered   = 0.65
                                 Second          run:              1   1   1   1   1   1   1   0   0   = 7/9   =⇒    Vin   recovered   = 0.75
                                  Third          run:              1   1   1   1   1   0   0   0   0   = 5/9   =⇒    Vin   recovered   = 0.55
                                 Fourth          run:              1   1   1   1   1   0   0   1   0   = 6/9   =⇒    Vin   recovered   = 0.65


                                                               Sampled values for each of                                  Noise in Vin recovered
                                                               the threshold levels                                           (σN recovered )



                           Figur: Swept threshold sampler — detaljer

  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)                                     UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS                                                  Minidisputas 15/9-2006   22 / 61
Sampler
  Prinsipp


    Stochastic resonance sampler



                            VT = 0.5


                                                           τ
                            Vin
                                         +
                                                                     EN   Counter
                                         −


                                 VT = 0.5                          Sample

                                 Figur: Stochastic resonance sampler




  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)         UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS       Minidisputas 15/9-2006   23 / 61
Sampler
  Prinsipp


    Stochastic resonance sampler — detaljer




                                  Probability
                                                         Ideal Vin (τ ) = 0.65

                                                                            Noise (σN = 0.1)


                                                0             0.5            1 Vin (τ )
                                                                         P(Vin (τ ) > 0.5) = 93%
                 P(Vin (τ ) > 0.5)




                                                                                          =⇒
                                 100%
                                                                    (0.65, 93%)       1000 samples:
                                 50%                                                  Counter ≈ 930
                                  0%
                                                0             0.5            1 Ideal Vin (τ )

                       Figur: Stochastic resonance sampler — detaljer



  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)                      UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS       Minidisputas 15/9-2006   24 / 61
Sampler
  Systemnivå-simulering


    Innhold


     1   Bakgrunn
           Introduksjon
           UWB
           Radar

     2   Sampler
           Prinsipp
           Systemnivå-simulering

     3   Implementasjon
           Krets
           Målinger



  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   25 / 61
Sampler
  Systemnivå-simulering


    Simulering




            Støy i signalet som skal samples: σN
            Gjør n repeterte samplinger og midler enkelsamplene
            Støy i gjenskapt signal etter midling: σN              recovered
            Er interessert i hvordan σN og n påvirker σN               recovered
            Systemnivå-simulering gjort i Octave (Matlab-klon)




  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS        Minidisputas 15/9-2006   26 / 61
Sampler
  Systemnivå-simulering


    Simulering: Forklaring av PDF-er


         Translated from counter value
              to Vin recovered (τ )
                                      PDF for a given ideal Vin (τ ).
                                      For instance: If the ideal Vin (τ ) = 0.65, what is
     max                1             the probability of Vin recovered (τ ) = 0.64,
                                      Vin recovered (τ ) = 0.65 or Vin recovered (τ ) = 0.66?
                                  recovered (τ )



                                      White = 0%
       Counter




                                      Black = 100%
                                  Vin




            0                               0
                   0       1                         0       1
                 Ideal Vin (τ )                    Ideal Vin (τ )


                                  Figur: Simulering: Forklaring av PDF-er


  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)                           UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   27 / 61
Sampler
  Systemnivå-simulering


    Simulering: Swept threshold PDF-er
                                  σN          PDFs of counter                 σN          PDFs of Vin   recovered (τ )




                                   3.2                                         3.2




                                    1                                           1




                                  0.32                                        0.32




                                   0.1                                         0.1




                                 0.032                                       0.032




                                  0.01                                        0.01




                                         10    100      1’000   10’000   n           10        100        1’000      10’000   n




                           Figur: Simulering: Swept threshold PDF-er

  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)            UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS                                                         Minidisputas 15/9-2006   28 / 61
Sampler
  Systemnivå-simulering


    Simulering: Stochastic resonance PDF-er
                                  σN          PDFs of counter                 σN          PDFs of Vin   recovered (τ )




                                   3.2                                         3.2




                                    1                                           1




                                  0.32                                        0.32




                                   0.1                                         0.1




                                 0.032                                       0.032




                                  0.01                                        0.01




                                         10    100      1’000   10’000   n           10        100        1’000      10’000   n




                          Figur: Simulering: Stochastic resonance PDF-er

  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)            UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS                                                         Minidisputas 15/9-2006   29 / 61
Sampler
  Systemnivå-simulering


    σN     recovered                                                        som funksjon av σN og n

                 σN recovered (max RMS error of Vin recovered(τ))




                                                                       1                                Stocha
                                                                                                                 stic res
                                                                      0.1                                                ona   nce
                                                                     0.01
                                                                    0.001
                                                                     10-4        An                      Sw
                                                                                   alo                     ept
                                                                     10-5              g                         thr
                                                                                            ave                     esh
                                                                     10-6                      r ag                    o ld
                                                                                                    e
                                                                                                                                                                     1
                                                                     10-7
                                                                                                                                                          0.1
                                                                     10-8
                                                                            1                                                                      0.01         σN
                                                                                10
                                                                                     100                                                   0.001
                                                                                            1000
                                                                                                   104     5
                                                                                                          10                        10-4
                                                                                                                 106
                                                                                             n                         107
                                                                                                                              108


                                                                            Figur: σN      recovered     som funksjon av σN og n

  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)                                                             UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS                         Minidisputas 15/9-2006   30 / 61
Sampler
  Systemnivå-simulering


    Hvis en gitt σN                                  recovered             ønskes, hvor høy må n være?

                                                     Desired σN recovered = 0.001, 0.00316, 0.01 (graphs from top to bottom)
                                              8
                                            10


                                            107


                                            106


                                            105
                  n (Samplings required)




                                            104


                                           1000


                                           100


                                            10


                                             1                                                           Stochastic resonance
                                                                                                              Swept threshold
                                                                                                              Analog average
                                            0.1
                                              10-4      0.001               0.01                0.1                  1             10
                                                                                       σN



               Figur: Hvis en gitt σN                               recovered        ønskes, hvor høy må n være?

  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)                            UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS                                Minidisputas 15/9-2006   31 / 61
Sampler
  Systemnivå-simulering


    Sammenligning av samplingsmetoder

                                                            Desired σN recovered = 0.001, 0.00316, 0.01 (graphs from top to bottom)
                  Ratio of samplings required   1000




                                                100




                                                 10

                                                            nStochastic resonance / nAnalog average
                                                                nSwept threshold / nAnalog average



                                                1.56

                                                  1
                                                  10-4         0.001                   0.01                0.1               1              10
                                                                                                      σN



                                                       Figur: Sammenligning av samplingsmetoder

  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)                                      UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS                               Minidisputas 15/9-2006   32 / 61
Sampler
  Systemnivå-simulering


    Gode samplere ved mye støy


            Swept threshold / stochastic resonance nesten like bra som
            analog average ved mye støy!
            Disse er relativt enkle, praktiske kretser, så dette resultatet er
            veldig interessant
            Tilfeldig oppdagelse, ikke planlagt eller forutsett
            Videre forskning: Sørge for at samplerne har mye input-støy
            selv om det egentlige input-signalet har lite støy. Gjøre dette
            uten å eksplisitt legge til støy. Idé: Mange parallelle, lav-strøm
            og støyete tersklere koblet på inngangen istedenfor én lav-støy
            LNA som trekker mye strøm.



  Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   33 / 61
Implementasjon
  Krets


    Innhold


    1    Bakgrunn
           Introduksjon
           UWB
           Radar

    2    Sampler
           Prinsipp
           Systemnivå-simulering

    3    Implementasjon
           Krets
           Målinger



 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   34 / 61
Implementasjon
  Krets


    Systemoversikt



            Swept threshold sampler implementert i 90 nm CMOS prosess
            64× parallell struktur. Sampler ved 64 forskjellige τ , gir bedre
            utnyttelse av utsendt energi.
            Digital serielt interface (SPI-lignende)
            Pulsgenerator laget av Håvard Moen
            LNA laget av Kjetil Meisal (sponset av Novelda)
            Terskler laget sammen med Claus Limbodal (sponset av
            Novelda)




 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   35 / 61
Implementasjon
  Krets


    Blokkskjema
                                                                            PulseSelect1
                                                                            PulseSelect2
                                SendPulse                                        Pulse generator
                                                                                             AntennaTx
                                                    MediumTune[6]
                                                    CoarseTune[6]
                                MOSI                                  τ
                                                                                   Sample
                                SCLK        “SPI”
                                 Exec                                                      64 × τ
                                                    ResetCounter
                                                    CounterFirstBit
                                                    CounterNextBit
                                                                                     64 × sampler
                                                    SignalOverride
                                                    SignalOverrideValue
                                                    ForceDistributeSignal
                                                                                               CounterBit
                                                       LNAout
                                                LNA             Thresholder
                                AntennaRx+
                                                                               Buffer
                                AntennaRx−




                                                        10 kΩ
                                Threshold




                                                Figur: Blokkskjema

 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)                UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS                             Minidisputas 15/9-2006   36 / 61
Implementasjon
  Krets


    Common-source terskler




                                          8 kΩ         8 kΩ
                                                              ×8
                                          0.6         0.6
                                          0.1         0.1



                                   Gain=2.5 Gain=2.5

                                Figur: Common-source terskler




 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)      UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   37 / 61
Implementasjon
  Krets


    Bode-plott for forskjellige forsterkerelementer

                      Gain

                                Inverter




                                Common source amplifier
                        2.5

                                                           13.6 GHz         f

                   Figur: Bode-plott for forskjellige forsterkerelementer



 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)        UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   38 / 61
Implementasjon
  Krets


    Programmerbart initial delay

                                In


                                     τ1                        τ2

                                                                            Out
                                     τ1                        τ2


                                     τ1                        τ2




                                          Medium tune               Coarse tune

                                 Figur: Programmerbart initial delay


 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)             UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS     Minidisputas 15/9-2006   39 / 61
Implementasjon
  Krets


    Digital sampler



       Sample                    τ                τ          τ




        Signal                                                             To counter




                                 Figur: Digital sampler




 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   40 / 61
Implementasjon
  Krets


    Skjematikk (ekskl. pulsgenerator og frontend)




                   Figur: Skjematikk (ekskl. pulsgenerator og frontend)

 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)    UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   41 / 61
Implementasjon
  Krets


    Layout
                                                                                  Pulse generator




                                                     Serial digital interface
                                    Other projects


                                                 Progammable initial delay

                                                                Delay line




                                   64× sampler                               Thresholder   LNA
                                               A single sampler and counter




                                         Figur: Layout

 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS                                     Minidisputas 15/9-2006   42 / 61
Implementasjon
  Krets


    Fotomikrograf av chip




                                Figur: Fotomikrograf av chip

 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)     UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   43 / 61
Implementasjon
  Målinger


    Innhold


    1    Bakgrunn
           Introduksjon
           UWB
           Radar

    2    Sampler
           Prinsipp
           Systemnivå-simulering

    3    Implementasjon
           Krets
           Målinger



 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   44 / 61
Implementasjon
  Målinger


    Måleoppsett



            Digital IO ved hjelp av TTL IO til USB interface modul
            Power fra USB
            Radaren kontrollert fra PC med ruby-script
            Måling med loop-kabel fra pulsgenerator til input
            Måling med antenne på pulsgenerator-output og på input
            LNA virket ikke, så “LNAout” debug-output ble brukt som
            input




 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   45 / 61
Implementasjon
  Målinger


    Bilde av måleoppsett




                                Figur: Bilde av måleoppsett

 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)    UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   46 / 61
Implementasjon
  Målinger


    Sweep av terskel

                                                                                                 Sorted
                                  With pulse        No pulse       Zoom           Zoom   (To compensate LF noise)
                 VT (threshold)




                                  0 Sample 63


                                  Black: Vin > VT
                                  White: Vin < VT



                                                       Figur: Sweep av terskel

 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)                         UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS        Minidisputas 15/9-2006   47 / 61
Implementasjon
  Målinger


    Sweep av initial delay τ for forskjellige kabellengder
                                                           Cable length
                                                   68 cm     95.5 cm ≈3 m




                                      Reflections




                                                                            Reflection




                 Figur: Sweep av initial delay τ for forskjellige kabellengder

 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)     UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS                       Minidisputas 15/9-2006   48 / 61
Implementasjon
  Målinger


    Måling av samplingsrate — 23 GHz sampler!

                                                                                                Short cable
                                                                                      Long cable (+27.5 cm)
                                      60




                                      40
                 Vin recovered (mV)




                                      20




                                       0


                                                         ∆Samples = 30.0

                                      -20



                                            0   10      20         30            40     50            60        70
                                                                        Sample



                                      Figur: Måling av samplingsrate — 23 GHz sampler!

 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)                        UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS                  Minidisputas 15/9-2006   49 / 61
Implementasjon
  Målinger


    Forskjellige pulser fra pulsgeneratoren
                                                                        Dark: Vin recovered low
                                                                        Light: Vin recovered high
                                Tx/Rx coupling on PCB/chip
                                                                                                                                           Strange behavior!
                                              No pulse        Pulse 0         Pulse 1       Pulse 2       Pulse 3




                                                                                                       0 Sample 63
                                                                                                                         0
                                   Correlated interference




                                                                                                                       τ (initial delay)
                                “Clutter map” subtracted



                                           Reflection




                                                                                                                              255 unit delays


                                                                          Non-linear behavior
                                                   (Correlated interference and pulse are not simply linearly added)




                         Figur: Forskjellige pulser fra pulsgeneratoren

 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)                 UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS                                                                                  Minidisputas 15/9-2006   50 / 61
Implementasjon
  Målinger


    Sammenligning oscilloscop-avlesning / radar-sampler

                                             Radar sampler curve manually DC-shifted and shifted in time to match oscilloscope curve
                                 150
                                                                                                                   Oscilloscope
                                                                                                                  Radar sampler

                                 100



                                  50
                   Signal (mV)




                                   0



                                  -50



                                 -100



                                 -150



                                 -200
                                        -1         -0.5            0            0.5               1         1.5            2           2.5
                                                                                      Time (ns)



                 Figur: Sammenligning oscilloscop-avlesning / radar-sampler

 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)                               UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS                               Minidisputas 15/9-2006   51 / 61
Implementasjon
  Målinger


    Måling av støy

                           Measurement:
                               CDF                                              PDF
          VT (threshold)




                                                           VT (threshold)
                                           Differentiate




                           0   Sample 63                                    0   Sample 63

                           White: P(Vin > VT ) = 100%                       Black: High probability
                           Black: P(Vin > VT ) = 0%                         Grey: Zero probability
                                                                            White: Negative probability
                                                                                   (erroneous measurement)

                                               Figur: Måling av støy


 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)                UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS                Minidisputas 15/9-2006   52 / 61
Implementasjon
  Målinger


    Støy målt til σN = 1.4 mV

                                                                                     Sweep of 64 samples
                 Probability density for Vin(τ) > VT offset




                                                              0




                                                              -15   -10        -5                0             5   10             15
                                                                                    VT offset from mean (mV)



                                                                    Figur: Støy målt til σN = 1.4 mV

 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)                                             UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS               Minidisputas 15/9-2006   53 / 61
Implementasjon
  Målinger


    Tidsdomene-måling av støy

                         100




                         80




                         60
                 Count




                         40




                         20




                          0
                               0   10   20   30     40      50      60   70   80      90
                                                         Time (s)



                                    Figur: Tidsdomene-måling av støy

 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)            UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS           Minidisputas 15/9-2006   54 / 61
Implementasjon
  Målinger


    FFT av tidsdomene-måling av støy

                                                                        Average of the FFTs of 10 sequences, each 99.2 s long

                                                                                                                          Averaged FFTs
                                                                                                          Averaged FFTs - smoothed curve
                                                  0
                 Normalized FFT magnitude (dB)




                                                 -10




                                                 -20




                                                 -30




                                                 -40
                                                   0.001         0.01                  0.1                    1                 10            100
                                                                                             Frequency (Hz)



                                                           Figur: FFT av tidsdomene-måling av støy

 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)                                           UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS                              Minidisputas 15/9-2006   55 / 61
Implementasjon
  Målinger


    Mye støy




            Mye støy i kretsen
            Pga. støyete terskler og manglende LNA
            8 kΩ motstand i terskleren — gir høy støyspenning
            Flicker noise — muligens fra transistor i terskleren med lite
            gate-areal (0.6 × 0.1 µm)




 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   56 / 61
Implementasjon
  Målinger


    Måling med forskjellig n
                                                                                                  n

                                                                        10        30     100            300          1’000         3’000




                            Swept threshold


                                                   LF-noise removed
                            Stochastic resonance




                                                                                                                                             100 repeated measurements
                                                   LF-noise removed




                                                                                                                               0 Sample 63
                                                                                               Measuring standard deviation of sample 5
                                                                                                            (σN recovered )




                                                                      Figur: Måling med forskjellig n

 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)                                                UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS                                 Minidisputas 15/9-2006      57 / 61
Implementasjon
  Målinger


    Swept threshold sampling med forskjellig n

                                                          σN = 0.0321
                                   1
                                                                                      Swept threshold
                                                                    Swept threshold, LF noise removed
                                                                                   Analytic expression




                                  0.1
                 σN recovered




                                 0.01




                                0.001
                                        1     10              100                     1000                10000
                                                               n



                                Figur: Swept threshold sampling med forskjellig n

 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)               UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS                      Minidisputas 15/9-2006   58 / 61
Implementasjon
  Målinger


    Stochastic resonance sampling med forskjellig n

                                                        σN = 0.32 (chosen)
                                   1
                                                                                 Stochastic resonance
                                                              Stochastic resonance, LF noise removed
                                                              Analytic expression (for swept threshold)




                                  0.1
                 σN recovered




                                 0.01




                                0.001
                                        1     10               100                    1000                10000
                                                                n



                      Figur: Stochastic resonance sampling med forskjellig n

 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)               UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS                      Minidisputas 15/9-2006   59 / 61
Implementasjon
  Målinger


    Måling av hånd i bevegelse foran radaren



                           Clutter map subtracted,
                 Readout      LF noise removed Amplified 50×
     0




                                                                      Hand inserted in front of antenna
     Time (s)




                                                                      Moving hand away from antenna
                                                                      Hand 30 cm away from antenna
                                                                      Moving hand towards antenna
                                                                      Removing hand
     350




                0 Sample 63


                           Figur: Måling av hånd i bevegelse foran radaren




 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)           UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS        Minidisputas 15/9-2006     60 / 61
Oppsummering



   Oppsummering




           Fungerende radar med 23 GHz sampler ble laget
           Oppdagelse: Enkle samplere som er gode ved mye støy
           Mye hvit støy og flicker noise
           Korrelert interferens (Sample output-pinne)
           Ulinearitet




 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO)   UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS   Minidisputas 15/9-2006   61 / 61

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Tags:
Stats:
views:1
posted:9/22/2012
language:
pages:61