Enabling Blocks for Integrated CMOS UWB Transceivers

The last decades have seen an unrivaled growth and diffusion of mobile telecommunications. Several standards have been developed to this purposes, from GSM mobile phone communications to WLAN IEEE 802.11, providing different services for the the transmission of signals ranging from voice to high data rate digital communications and Digital Video Broadcasting (DVB). In this wide research and market field, this thesis focuses on Ultra Wideband (UWB) communications, an emerging technology for providing very high data rate transmissions over very short distances. In particular the presented research deals with the circuit design of enabling blocks for MB-OFDM UWB CMOS single-chip transceivers, namely the frequency synthesizer and the transmission mixer and power amplifier. First we discuss three different models for the simulation of chargepump phase-locked loops, namely the continuous time s-domain and discrete time z-domain approximations and the exact semi-analytical time-domain model. The limitations of the two approximated models are analyzed in terms of error in the computed settling time as a function of loop parameters, deriving practical conditions under which the different models are reliable for fast settling PLLs up to fourth order. Besides, a phase noise analysis method based upon the time-domain model is introduced and compared to the results obtained by means of the s-domain model. We compare the three models over the simulation of a fast switching PLL to be integrated in a frequency synthesizer for WiMedia MB-OFDM UWB systems. In the second part, the theoretical analysis is applied to the design of a 60mW 3.4 to 9.2GHz 12 Bands frequency synthesizer for MB-OFDM UWB based on two wide-band PLLs. The design is presented and discussed up to layout level. A test chip has been implemented in TSMC CMOS 90nm technology, measured data is provided. The functionality of the circuit is proved and specifications are met with state-of-the-art area occupation and power consumption. The last part of the thesis deals with the design of a transmission mixer and a power amplifier for MB-OFDM UWB band group 1. The design has been carried on up to layout level in ST Microlectronics 65nm CMOS technology. Main characteristics of the systems are the wideband behavior (1.6 GHz of bandwidth) and the constant behavior over process parameters, temperature and supply voltage thanks to the design of dedicated adaptive biasing circuits.

Experimental characterization of backscattering properties of UWB antennas in the presence of close objects

RTLS and RFID systems are becoming more and more important in several fields. When these systems meet the UWB technology, they can take advantage of each other strengths. Since nowadays a strong importance is given to the "green" technology, we chose to adopt a passive solution. In this case the backscattering modulation can be used to carry data. Therefore it is necessary to analyze the behavior of the antennas used as tags, when they are closed to dierent material objects. In particular, the antenna mode part has been deeply observed, as it is the crucial part of the signal regarding the backscatter modulation.

Sicurezza nelle reti di sensori wireless UWB: generazione di chiavi simmetriche da parametri fisici

Le reti di oggetti intelligenti costituiscono una realtà che si sta affermando nel mondo quotidiano. Dispositivi capaci di comunicare tra loro, oltre che svolgere la propria funzione primaria, possono comporre una nuvola che faccia riferimento al legittimo proprietario. Un aspetto fondamentale di questo scenario riguarda la sicurezza, in particolar modo per garantire una comunicazione protetta. Il soddisfacimento di questo requisito è fondamentale anche per altri punti come l'integrità dell'informazione condivisa e l'autenticazione. Lo strumento più antico e tutt'ora adatto alla riservatezza di una comunicazione è costituito dalla crittografia. Una tecnica crittografica è schematicamente composta da un algoritmo che, a seconda di una chiave e del messaggio in ingresso, restituisce in uscita un messaggio cifrato, il crittogramma. Questo viene poi inviato e al legittimo destinatario che, essendo in possesso della chiave e dell'algoritmo, lo converte nel messaggio originale. L'obiettivo è rendere impossibile ad un utente malevolo - non dotato di chiave - la ricostruzione del messaggio. L'assunzione che l'algoritmo possa essere noto anche a terze parti concentra l'attenzione sul tema della chiave. La chiave deve essere sufficientemente lunga e casuale, ma soprattutto deve essere nota ai due utenti che intendono instaurare la comunicazione. Quest'ultimo problema, noto come distribuzione della chiave, è stato risolto con il sistema RSA a chiave pubblica. Il costo computazionale di questa tecnica, specialmente in un contesto di dispositivi non caratterizzati da grandi potenze di calcolo, suggerisce però la ricerca di strade alternative e meno onerose. Una soluzione promettente ed attualmente oggetto di studio sembra essere costituita dalle proprietà del canale wireless. Un ponte radio è caratterizzato da una funzione di trasferimento che dipende dall'ambiente in cui ci si trova e, per il teorema di reciprocità, risulta essere lo stesso per i due utenti che l'hanno instaurato. Oggetto della tesi è lo studio ed il confronto di alcune delle tecniche possibili per estrarre una chiave segreta da un mezzo condiviso, come quello del canale wireless. Si presenterà il contesto in cui verrà sviluppato l'elaborato. Si affronteranno in particolare due casi di interesse, costituiti dalla attuale tecnologia di propagazione del segnale a banda stretta (impiegata per la maggior parte delle trasmissioni senza fili) per passare a quella relativamente più recente della banda Ultra-larga (UWB). Verranno poi illustrate delle tecniche per ottenere stringhe di bit dai segnali acquisiti, e saranno proposti dei metodi per la loro correzione da eventuali discordanze. Saranno infine riportate le conclusioni sul lavoro svolto e le possibili strade future.

Antipodal random sequences with prescribed second-order statistics: application to Compressive Sensing and UWB system based on DS-CDMA

It is usual to hear a strange short sentence: «Random is better than...». Why is randomness a good solution to a certain engineering problem? There are many possible answers, and all of them are related to the considered topic. In this thesis I will discuss about two crucial topics that take advantage by randomizing some waveforms involved in signals manipulations. In particular, advantages are guaranteed by shaping the second order statistic of antipodal sequences involved in an intermediate signal processing stages. The first topic is in the area of analog-to-digital conversion, and it is named Compressive Sensing (CS). CS is a novel paradigm in signal processing that tries to merge signal acquisition and compression at the same time. Consequently it allows to direct acquire a signal in a compressed form. In this thesis, after an ample description of the CS methodology and its related architectures, I will present a new approach that tries to achieve high compression by design the second order statistics of a set of additional waveforms involved in the signal acquisition/compression stage. The second topic addressed in this thesis is in the area of communication system, in particular I focused the attention on ultra-wideband (UWB) systems. An option to produce and decode UWB signals is direct-sequence spreading with multiple access based on code division (DS-CDMA). Focusing on this methodology, I will address the coexistence of a DS-CDMA system with a narrowband interferer. To do so, I minimize the joint effect of both multiple access (MAI) and narrowband (NBI) interference on a simple matched filter receiver. I will show that, when spreading sequence statistical properties are suitably designed, performance improvements are possible with respect to a system exploiting chaos-based sequences minimizing MAI only.

Studio di fattibilità di applicazione di radar UWB per controlli non distruttivi

Studio di fattibilità sull'utilizzo della tecnologia radar Ultra Wideband per il controllo non distruttivo di manufatti in materiale composito in fibra di carbonio. La tecnologia radar UWB permette, a differenza dei radar convenzionali, una maggiore risoluzione e un maggior quantitativo di informazioni estraibili dal segnale ricevuto come eco. Nella prima parte del lavoro ci si è concentrati sulla individuazione dell'eventuale presenza del difetto in lastre di materiale composito di differenti dimensioni. Le lastre vengono "illuminate" da un fascio di onde radar UWB dal cui eco si estraggono le informazioni necessarie per determinare la presenza o meno del difetto. Lo scopo è progettare le basi di un algoritmo che, qualora la lastra in esame presenti una certa difettologia, informi l'utente della presenza dell'anomalia. Nella seconda parte si è passati a scansionare la lastra con un radar UWB in modo tale da costruire un'immagine della stessa grazie alle informazioni ricevute dai segnali eco. Per fare questo è stata necessaria dapprima la costruzione di un movimentatore ad hoc in grado di muovere il radar lungo due dimensioni (per permetterne la scansione del piano della lastra). Il movimentatore, autocostruito, è gestibile da Matlab attraverso cavo USB. L'algoritmo di controllo gestisce sia la movimentazione che l'acquisizione dei segnali ricevuti e quindi la creazione del database, punto di partenza per la creazione dell'immagine della lastra. Rispetto alla prima fase del lavoro dove si cercava di sapere se ci fosse o meno il difetto, ora, si è in grado di determinare dimensione e posizione dello stesso.

Progetto di un sistema a microcontrollore per modulazione back-scattering uwb

La tesi tratta il progetto di una piattaforma di simulazione per modulazioni back-scatter UWB su un sistema a microcontrollore PIC. Il sistema utilizza uno switch a UWB per eseguire la modulazione, modificando le condizioni di carico d'antenna; il software implementa la modulazione attraverso la variazione del segnale di controllo dello switch e si interfaccia con l'utente attraverso l'uso di una periferica USB, permettendo la modifica runtime della configurazione. Si interfaccia inoltre con strumenti esterni attraverso segnali di sincronizzazione.

Target Tracking in UWB Multistatic Radars

Detection, localization and tracking of non-collaborative objects moving inside an area is of great interest to many surveillance applications. An ultra- wideband (UWB) multistatic radar is considered as a good infrastructure for such anti-intruder systems, due to the high range resolution provided by the UWB impulse-radio and the spatial diversity achieved with a multistatic configuration. Detection of targets, which are typically human beings, is a challenging task due to reflections from unwanted objects in the area, shadowing, antenna cross-talks, low transmit power, and the blind zones arised from intrinsic peculiarities of UWB multistatic radars. Hence, we propose more effective detection, localization, as well as clutter removal techniques for these systems. However, the majority of the thesis effort is devoted to the tracking phase, which is an essential part for improving the localization accuracy, predicting the target position and filling out the missed detections. Since UWB radars are not linear Gaussian systems, the widely used tracking filters, such as the Kalman filter, are not expected to provide a satisfactory performance. Thus, we propose the Bayesian filter as an appropriate candidate for UWB radars. In particular, we develop tracking algorithms based on particle filtering, which is the most common approximation of Bayesian filtering, for both single and multiple target scenarios. Also, we propose some effective detection and tracking algorithms based on image processing tools. We evaluate the performance of our proposed approaches by numerical simulations. Moreover, we provide experimental results by channel measurements for tracking a person walking in an indoor area, with the presence of a significant clutter. We discuss the existing practical issues and address them by proposing more robust algorithms.

Progettazione di un banco di prova per radar UWB per l'analisi non distruttiva dei danni sui materiali compositi

Breve introduzione sui radar, sistemi Ultra WideBand, controlli non distruttivi e progettazione di un banco di prova per radar UWB per l'analisi non distruttiva dei danni sui materiali compositi.

Studio e realizzazione di un filtro passa-banda a componenti parassiti per ricetrasmissioni wireless UWB di biosegnali

Questa tesi si occupa della progettazione, simulazione via software, caratterizzazione e realizzazione con microfresatrice di una tipologia di filtri passivi. Questo trattato si inserisce su una linea di ricerca già avanzata, che si occupa di studio e realizzazione di sistemi di ricetrasmissione wireless UWB di segnali provenienti da sensori per applicazioni biologiche. Lo scopo dello studio di questa tesi è l'ottimizzazione dell'efficienza del filtro, ovvero il miglioramento del rapporto segnale rumore R/S.

Analisi di algoritmi per reti di sensori radar uwb basati su misure sperimentali

In un sistema radar è fondamentale rilevare, riconoscere e cercare di seguire il percorso di un eventuale intruso presente in un’area di osservazione al fine ultimo della sicurezza, sia che si consideri l’ambito militare, che anche quello civile. A questo proposito sono stati fatti passi avanti notevoli nella creazione e sviluppo di sistemi di localizzazione passiva che possano rilevare un target (il quale ha come unica proprietà quella di riflettere un segnale inviato dal trasmettitore), in modo che esso sia nettamente distinto rispetto al caso di assenza dell’intruso stesso dall’area di sorveglianza. In particolare l’ultilizzo di Radar Multistatico (ossia un trasmettitore e più ricevitori) permette una maggior precisione nel controllo dell’area d’osservazione. Tra le migliori tecnologie a supporto di questa analisi vi è l’UWB (Ultra Wide-Band), che permette di sfruttare una banda molto grande con il riscontro di una precisione che può arrivare anche al centimetro per scenari in-door. L’UWB utilizza segnali ad impulso molto brevi, a banda larga e che quindi permettono una risoluzione elevata, tanto da consentire, in alcune applicazioni, di superare i muri, rimuovendo facilmente gli elementi presenti nell’ambiente, ossia il clutter. Quindi è fondamentale conoscere algoritmi che permettano la detection ed il tracking del percorso compiuto dal target nell’area. In particolare in questa tesi vengono elaborati nuovi algoritmi di Clustering del segnale ricevuto dalla riflessione sull’intruso, utilizzati al fine di migliorare la visualizzazione dello stesso in post-processing. Infine questi algoritmi sono stati anche implementati su misure sperimentali attuate tramite nodi PulsOn 410 Time Domain, al fine ultimo della rilevazione della presenza di un target nell’area di osservazione dei nodi.

Statistical mapping of real environments with uwb radars

In this master thesis I evaluated the performance of a Ultra-Wide Bandwidth (UWB) radar system for indoor environments mapping. In particular, I used a statistical Bayesian approach which is able to combine all the measurements collected by the radar, including system non-idealities such as the error on the estimated antenna pointing direction or on the estimated radar position. First I verified through simulations that the system was able to provide a sufficiently accurate reconstruction of the surrounding environment despite the limitations imposed by the UWB technology. In fact, the emission of UWB pulses is limited in terms of transmitted power by international regulations. Motivated by the promising results obtained through simulations, I successively carried out a measurement campaign in a real indoor environment using a UWB commercial device. The obtained results showed that the UWB radar system is capable of providing an accurate reconstruction of indoor environments also adopting not directional antennas.

Caratterizzazione sperimentale di sistemi per il ranging basati su tecnologia uwb

L'obiettivo di questa tesi è quello di fornire una panoramica sulla tecnologia UWB ed eseguire una caratterizzazione ranging.

Progetto di un sistema di collaudo per un tag RFID uwb integrato

La tesi è incentrata sul progetto di un PCB in grado di testare il corretto funzionamento del chip GRETA, un integrato dedicato, che implementa un nodo intelligente basato su harvesting RF. L'integrato implementa un sistema innovativo di comunicazione per RFID, che sfrutta la metodologia Green Tagging, per la trasmissione di sequenze RF. Vengono elaborate le diverse fasi di progettazione e di design pcb attraverso un programma di cad. Lo scopo è quello di realizzare un unico sistema perfettamente controllabile dall'utente, che attraverso i componenti messi a disposizione dalla scheda di testing, permetta di ricevere, inviare o escludere i segnali che afferiscono ai pin di Input/output del chip integrato. E' stata introdotta la possibilità di pilotare/testare separatamente le sottoparti interne al chip, con lo scopo di isolare eventuali malfunzionamenti.