Design of a multi-standard IR-UWB transmitter with pulse shaping capabilities based on frequency transposition synthesis

Conception de émetteur ultra-large bande et multi-norme avec mise en forme d'enveloppe basé sur synthèse par tranposition en fréquence

• Auteur / Autrice : Felipe Artemio schoulten
• Direction : Jean Gaubert, Rémy Vauche
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur : spécialité Micro et Nanoélectronique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 28/01/2025
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IM2NP - Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence
• Jury : Président / Présidente : Florence Podevin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hassan Aboushady, Nathalie Deltimple, Christophe Viallon, André Augusto Mariano, Rémy VAUCHé, Jean Gaubert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hassan Aboushady, Nathalie Deltimple

Mots clés

Mots clés libres

Ultra-large bande

Emetteur

Multi-norme

Mise en forme d'enveloppe

Ultra-wideband

Transmitter

Multi-design

Pulse generator

Envelope Shaping

Résumé

Les communications dîtes ultra large-bande radio-impulsionnel (UWB) sont des communications sans fil adaptée aux applications à courte portée (environ 10 mètres) et permet une localisation en temps réel avec une précision de 5 cm. Cependant, son utilisation a été normalisée par certaines standards, notamment dans la norme IEEE 802.15.4, dédiée aux réseaux personnels sans fil (WPAN), et la norme IEEE 802.15.6, dédiée aux réseaux corporels sans fil (WBAN). Bien que les recherches sur les communications IR-UWB aient été largement menées, la conception d'un émetteur IR-UWB multi-norme reste un sujet important. Les standards IEEE WBAN et WPAN introduisent deux des masques d'émission radio-fréquence différentes à rentrer. De plus, la norme WBAN spécifie plusieurs bandes passantes différentes pour les canaux normalisés. Il est important de concevoir un émetteur IR-UWB qui intègre des capacités de mise en forme d'enveloppe et de réglage de fréquence pour générer des signaux qui adressent plusieurs normes. De plus, cette polyvalence devrait permettre à la réjection des lobes secondaires d'être suffisant pour protéger les canaux adjacents et compenser les variations PVT. Après avoir présenté les exigences spectrales de chaque norme, la modélisation et la caractérisation de l'enveloppe d'impulsion sont présentées. L'objectif est de rechercher une enveloppe facilement synthétisable et permettant d'obtenir une excellente réjection des lobes secondaires tout en respectant les masques radio-fréquence établis par WBAN et WPAN. Ensuite, suite à l'étude de mise en forme de l'enveloppe et une étude bibliographique sur les émetteurs IR-UWB, la conception de deux émetteurs IR-UWB multi-norme basés sur la synthèse de transposition de fréquence et l'oscillateur en anneau est proposée en technologie 28 nm. Le premier circuit a une mise en forme d'impulsion contrôlée par un générateur de forme d'onde arbitraire externe, tandis que le deuxième mettre au point un circuit de mise en forme d'enveloppe. Les résultats de mesure montrent que le circuit avec un circuit de mise en forme d'impulsions externe est capable de synthétiser des impulsions qui adresse tous les canaux de normes IEEE dans la bande de fréquences 3 GHz à 10,6 GHz. Par conséquent, il devient une solution optimale de mise en forme d'enveloppe et de réglage de fréquence, obtenant une réjection de lobes secondaires de 31,8 dB. D'autre part, les résultats de mesure indiquent que le circuit avec un circuit de mise en forme d'impulsions intégré peut générer des impulsions qui adresse des canaux IEEE de large bande passante dans la plage de fréquences de 1 à 8.7 GHz. De plus, il atteindre une réjection de lobes secondaires à 26.7 dB. Donc, ce circuit présente une plage de fréquences d'oscillation large ainsi qu'il a le potentiel de générer des impulsions qui rentrent dans tous les masques des normes IEEE.

Ultra-wideband impulse Radio (IR-UWB) is a wireless communication technology well-suited for short-range communications (about 10 meters) and allows real-time location with a precision of 5 cm. Its use has been standardized in some standards, especially in the IEEE 802.15.4, dedicated to Wireless Personal Area Networks (WPAN), and the IEEE 802.15.6, dedicated to Wireless Body Area Networks (WBAN). Although research on IR-UWB communications has been extensively conducted, the design of a multi-standard IR-UWB transmitter remains a significant topic. This is not an easy task since both the WBAN and WPAN IEEE standards introduce for 499.2 MHz channels having distinct spectral masks which must be respected in addition to local regulations. Additionally, the WBAN standard specifies several different bandwidths for the standardized channels. To respect these contraints, a strategy consists to design an IR-UWB transmitter based on frequency transposition able to tune central frequency and envelope of generated pulses. Additionally, this versatility should equally allow the compensation of the Process, Voltage, and Temperature (PVT) variations, and a high enough rejection of side-lobe to protect adjacent channels and neighboring wireless communications. After presenting the spectral requirements of each standard and some regulations, the modeling and characterization of pulse envelopes are presented. The objective is to find an envelope that can be easily synthesized while achieving a high side-lobe rejection and respecting the WBAN and WPAN spectral masks. Next, based on the envelope shape study and a literature survey on the IR-UWB transmitter, the design of two multi-standard IR-UWB transmitters based on frequency transposition synthesis is proposed in 28 nm technology. The first circuit has pulse shaping controlled by an external arbitrary waveform generator, whereas the second integrates a shaping circuit of the pulse envelope. A physical validation of the proposed designs has been done. The measurement results show that the first circuit with an external pulse shaping circuit can synthesize pulse addressing all IEEE standards channels in the 3-10.6 GHz frequency band. However, the measurement results indicate that the second circuit with an integrated pulse shaping circuit generates pulse addressing only large-bandwidth IEEE channels in the 1-8.7 GHz frequency band with a side-lobe rejection of 26.7 dB. Nevertheless, issues have been identified and can be corrected.