Circuitos integrados de radiofrecuencia Prof. Cameron Charles CE Junior Seminar November 13, 2007

Circuitos integrados de Circuitos integrados de radiofrecuenciaradiofrecuencia

Prof. Cameron CharlesProf. Cameron Charles

CE Junior Seminar

November 13, 2007

Slide 2CE Junior SeminarNovember 13, 2007

Cameron Charles

Visión general

• Introducción a los RFICs(circuitos integrados

de radiofrecuencia)

• Laboratorio de Utah-RFIC

• Proyectos de investigación– Radios de baja potencia para Sensores

Wireless.– Radios de ultra banda ancha para

Biotelemetria.


Cameron Charles

¿Que es un RFIC?

• “Un circuito integrado que usa inductores”

• Ciruitos integrados analógicos que operan en altas frecuencias, típicamente para comunicaciones

• Ejemplo: móbiles


Cameron Charles

Conceptos-Radio

• Examinar el diagrama de bloques en una rádio.

• Tener en cuenta el transmisor, el recibidor es inverso.


Cameron Charles

¿Porque Upconvert?

• La salida del microfono está entre en el rango de 0-3 KHz.– Efficient Antennas have length ~ λ/4 – Spectrum is allocated to avoid interference


Cameron Charles

Operación del Mixer

• El Mixer transforma la señal de entrada a una frecuencia más alta por medio de la multiplicación:

cos(ω1)·cos(ω2) = cos(ω1-ω2 )+cos(ω1+ω2)


Cameron Charles

Mixer

• El Mixer reescala la señal de voz en el ancho de banda basico a el oscilador de frecuencia.


Cameron Charles

Power Amplifier

• Amplifica la señal a un nivel superior para que la antena pueda conducirla.


Cameron Charles

Filter

• Elimina emisiones falsas que podrían interferir con otras.


Cameron Charles

Antena

• Externa a el RFIC

• Convierte señales de corriente/voltaje a ondas electromagnèticas irradiadas.


Cameron Charles

Implementación completa RFIC

• 12.5 mm2 en 0.18 μm a través Proceso CMOS


Cameron Charles

Vista general

• Introduction to RFICs

• Utah RFIC Lab

• Research Projects– Low-power radios for Wireless Sensing– Ultra-Wideband radios for Bio-telemetry


Cameron Charles

Laboratorio RFIC UTAH

• Fundado en el pasado 2007• Investigamos nuevas estructuras para

arquitecturas de circuitos y técnicas para los bloques funcionales para el RFIC.

• Métodos de investigación:1. Analizar problemas de circuitos, encontrando la solución

2. Alto nivel de simulación en Matlab

3. Simulación de niveles de circuitos en Cadencia

4. Representación física de circuitos en Cadencia

5. Envio a producción (e.j., MOSIS)

6. Test and characterize the returned IC

7. Publicación de resultados en revistas de prestigio.


Cameron Charles

Miembrosdel RFIC-Lab• 3 PhD students, 1 MS student, 2 undergrads, and 1

visiting scholar

Ondrej Novak (PhD)

UWB for bio-telemetry

Jeff Spiegel (PhD)

Reconfigurable Frequency Synthesizers

Ahmed Ragab (PhD)

Low-power radios for wireless sensing

Wei Wu (PhD)

UWB for bio-telemetry

Manohar Nagaraju (MS)

Process Variation in DLLs

Roger White (UG)

Phase-locked loops

Tyler Squire (UG)

Phase-locked loops


Cameron Charles

Vista general

• Introduction to RFICs

• Utah RFIC Lab

• Research Projects– Low-power radios for Wireless Sensing– Ultra-Wideband radios for Bio-telemetry


Cameron Charles

¿Porque una red de sensores?

• Un amplio rango de aplicaciones:– Monitorización industrial

• Control de procesos manufacutrados

– Construcción automatizada• Regulación de temperatura,luz,etc.

– Ventajas comerciales• Control de inventario(RFID)

– Monitorización del entorno• Facilidades en la investigación

biológica


Cameron Charles

¿Porque Wireless?

• Mobilidad de nudos de sensores– Pueden ser usados para el seguimiento de animales

• Reducción de tamaños y costes– Altos niveles de integración caracterizados por pocos

componetes y reducidos costes.

• Menos intrusivo– Eliminado los cableados el impacto mediambiental

se reduce al ser monitorizado.

• Despliegue a larga escala– Bajo costes y pequeño tamaño facilita la densidad de

redes ad-hoc.


Cameron Charles

Anatomia de un nudo WSN


Cameron Charles

Hardware WSN comercila

• Crossbow Mica2– Conexión en placa de sensores– Consumo: 90 mW– Vida aproximadamente de varios días con

operaciones continuas(menos con placas de sensores).

– Construidos con hardware “off-the-shelf” – Media de datos 40 kbps


Cameron Charles

Hardeware integrado WSN

• Alto nivel de integración– Bajo coste y tamaño

• Bajo consumo de energia– Radios con un consumo de

energía por debajo del mW.

Operation Published Off-the-shelf

8b A/D conv 0.031 nJ 13.5 nJ

8b μP inst 0.012 nJ 0.20 nJ

Tx/Rx 8b 32 nJ 2500 nJ


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Aplicación motivadora

• Monitorización del flujo de temperatura en Red Butte Canyon

• Trabajando con el grupo Dr. Neal Patwari y la facultad para el departamento de biología

• Despliegue de una red test este pasado verano

•Uso de Crossbow Motes con termopares para medir el flujo de temperatura cada 10 minutos.

•Los datos fuern trasmitidos a un nodo codificador que registro las medidas.


Cameron Charles

Objetivos para futuros trabajos

• Develop power scavenging add-ons to extend system lifetime

• Investigación de radios de bajo consumo para reducir el consumo general.

• Despliegue de una red mas amplia de sensores con cadacidades adicionale de sensorización.

• Niveles de viento– Absorción de agua en arboles


Cameron Charles

Vista general

• Introducción a RFICs

• Laboratoria de Utah RFIC

• Proyectos de investigación– Radios de bajo consumo para sistemas

wireless– radios de ultra-ancho de banda para

Bio-telemetria


Cameron Charles

Que es ultra ancho de banda?

• El espectro moderno de frecuencias es un bonito lugar repleto de frecuencias.

• Nosotros queremos transmitis en convenientes bandas de frecuencias sin interferir con otros usuarios.– Transmitir en un nivel suficientemente bajo de

energia para aparecer como ruido para otros usuarios


Cameron Charles

¿Que hay sobre la tarifa de datos?• Problema: Muy bajo nivel de energia implica baja

velocidad de datos.

• Observación: Velocidad de datos depende de ambos factores energía y ancho de banda.

• Solucion: Compensar para niveles bajo de energía con altos anchos de banda.

• El FCC define una señal UWB como una que tiene ancho de banda > 500 MHz


Cameron Charles

¿Como puedo realizar señale UWB?• Técnicas estandares de modulación están

limitadas a estrechos anchos de banda debidos a la variación de canales.

• Dos alternativas:

– UWB basados en impulsos

– UWB basadas en OFDM


Cameron Charles

Meritos relativos de UWB

• OFDM:– Alta complejidad(→ Alta energía)– Capacidad para alta velocidad de datos– Muy recomendables para aplicaciones de

usuarios(ej: wireless USB)

• Basadas en impulsos– Arquitecturas simples(→ baja energía)– Más apropiada para aplicaciones nicho donde

la energía es una preucupación importante.


Cameron Charles

Aplicaciones motivadoras• Protesis visuales mantienen la promesa de

restaurar la visión de los ciegos

• Objetivo: Necesidad de alta velocidad de datos para transferirs la adecuada información visual a el simulador


Cameron Charles

Transferencia de datos en estrechos anchos de banda.• Tranferencia de energía para implantar sobre

conexiones inductivas.• Transmisión de datos para modulacion de

portadores de energía.

• Problema: limitada a ~1 Mb/s por restriciones en transporte de frecuencia y circuito de resonancia.

• Solución: Transmisión de edatos sobre diferentes enlaces de datos.• Complicación: Transporte de energía presenta una significativa

fuente de interferencias.


Cameron Charles

Solución UWB• Usar impulso UWB para altas velocidades de datos y

baja energía.• Aprovechar fuentes de energía “interferencias” para

sincronización.– Transmitir ráfagas de pulsos sobre los bordes de los portadores

de energía


Cameron Charles

Prueba de una prototipo

• Prototipo fabricado en IC a través de MOSIS– El testeado comenzará la siguiente semana


Cameron Charles

Gracias por escuchar!

• ¿Alguna pregunta?

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