Microelettronica per applicazioni wireless a corto...

16 Marzo 2007- Fiera della Microelettronica, Vicenza. Atti del convegno: “Microsistemi e sensori microelettronici per nuove applicazioni industriali”

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Intervento dal titolo

Microelettronica per applicazioni wireless a

corto raggio

A cura di

Andrea Neviani Università degli Studi di Padova

Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione (DEI)


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MICROELETTRONICA PER APPLICAZIONI WIRELESS A CORTO RAGGIO

In questo intervento vengono analizzate le principali caratteristiche tecniche e gli scenari applicativi della tecnologia di trasmissione radio a banda larga Ultra-Wide Band (UWB). Nella seconda parte dell’intervento vengono presentati alcuni esempi pratici di dispositivi microelettronici integrati per radio UWB sviluppati nell’ambito di progetti di ricerca condotti presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione (DEI) dell’Università di Padova. Un sistema di comunicazione radio viene convenzionalmente definito UWB quando la banda utilizzata dal segnale è superiore a 500 MHz o è superiore al 20% del valore della frequenza centrale del segnale stesso. L’interesse per le comunicazioni UWB è esploso dopo la decisione assunta nel 2002 dall’agenzia governativa che negli USA regola le trasmissioni radio e via cavo, la Federal Communications Commission (FCC), di rilasciare lo spettro tra 3.1 e 10.6 GHz per comunicazioni senza licenza, con il solo vincolo sulla massima densità di potenza (−41.3 dBm/MHz) emessa dai dispositivi che intendono trasmettere in questa banda. La larghezza di banda a disposizione (7.5 GHz) e l'emissione ridotta rendono questa tecnologia particolarmente adatta a comunicazioni a corto raggio e ad alta velocità (o basso consumo). Le potenzialità della tecnologia UWB la rendono il candidato ideale per un numero elevato di applicazioni, catalogabili grosso modo in due ambiti con caratteristiche complementari:

• Comunicazioni ad alta velocità (>100 Mb/s) e corto raggio (<10m)

o applicazioni multimediali personali e indoor (streaming di dati multimediali, backup di dischi, periferiche senza fili, intrattenimento audio e video a bordo di veicoli)

o prossima generazione di tecnologie complementari per WPAN: USB/1394 senza fili, Bluetooth 3.0, wireless TCP/IP (WiNET)

• Comunicazioni a bassa velocità (<1 Mb/s) e bassa potenza (<10 mW per nodo)

o reti di sensori mobili a bassissimo consumo con capacità di localizzazione (ad esempio, per la raccolta di dati ambientali, localizzazione tracking di persone e beni, monitoraggio di pazienti e persone anziane)

o domotica (controllo dell'illuminazione, ottimizzazione del condizionamento ambientale, monitoraggio dei locali)

o controllo di impianti e magazzini industriali (infrastruttura di comunicazione a basso costo per i sensori usati in ambito industriale, sistema di localizzazione per magazzini)

Perché queste potenzialità si concretizzino ci sono un certo numero di problemi tecnologici da risolvere, essenzialmente legati alla capacità di realizzare terminali UWB a costi inferiori e/o prestazioni superiori rispetto alle alternative offerte da altre tecnologie di comunicazione, come ZigBee per le reti a corto raggio e bassa potenza, e WiFi per le comunicazioni ad alta velocità. La riduzione dei costi passa necessariamente attraverso il livello di integrazione il più elevato possibile e l’utilizzo di tecnologie microelettroniche a basso costo, come la tecnologia CMOS. A livello di prestazioni dei ricetrasmettitori, vanno studiate soluzioni circuitali in grado di sfruttare appieno i vantaggi offerti dalla larga banda a disposizione per la trasmissione del segnale.


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Contatti:

Andrea Neviani Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione Università degli Studi di Padova Via Gradenigo 6/B, 35131- Padova Tel.: (+39) 049 8277600 Fax: (+39) 049 8277699 Email: [email protected] Web:http://www.dei.unipd.it/wdyn/?IDsezione=1


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A. Neviani MICROELETTRONICA, Fiera di Vicenza, 16 Marzo 2007

Microelettronica per applicazioni wireless a corto raggio

Andrea Neviani

Università di Padova

Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione

Via Gradenigo 6/B, 35131 Padova, Italy

A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo 2007 2

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Sommario

• Presentazione del gruppo di Microelettronica

• Comunicazioni a corto raggio: la tecnologia Ultra Wideband (UWB)

• Scenari di applicazione

• Confronto con altre tecnologie di comunicazione a corto raggio

• Interfaccia a radiofrequenza: problemi di progetto

• Esempi


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Gruppo di MicroelettronicaPersonale

STAFF2 professori ordinari (Enrico Zanoni, Alessandro Paccagnella)2 professori associati (Andrea Neviani, Gaudenzio Meneghesso) 4 ricercatori (Andrea Gerosa, Andrea Cester, Andrea Bevilacqua,

Daniele Vogrig)

ASSEGNISTI E POST-DOC3 assegnisti di ricerca (Giorgio Cellere, Augusto Tazzoli, Simone

Gerardin)

STUDENTI19 studenti di Dottorato20 - 30 progetti di tesi di Laurea specialistica all'anno


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ica • Affidabilità di dispositivi CMOS avanzati

– ossidi sottili per MOSFET submicrometrici e nanometrici– errori soft indotti da radiazione ionizzante– progetto e verifica di strutture di protezione da scariche

elettrostatiche (ESD)• Caratterizzazione elettrica e affidabilistica di dispositivi in

semiconduttori composti– effetti della riduzione delle dimensioni e delle impurezze (trappole)

in transistor FET a eterogiunzione (HEMT)– affidabilità di HEMT in nitruro di gallio (GaN)– affidabilità di diodi a emissione luminosa (LED) ad alta efficienza in

nitruro di gallio (GaN)• Progetto di circuiti integrati analogici e a radiofrequenza (RF)

– interfaccie analogico-digitali a basso rumore e basso consumo– ricetrasmettitori a radiofrequenza

Gruppo di MicroelettronicaAttività di ricerca


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Ultra Wideband (UWB): definizione

• può utilizzare diversi metodi di trasmissione:– Impulse Radio: ogni impulso occupa l'intera banda a disposizione – Multi-Carrier: usa un gruppo di portanti a banda stretta che

insieme superano i 500 MHz di larghezza di banda (p.e. OFDM)– Single-Carrier: informazione modulata introno a una singola

portante che viene distribuita su tutta la banda usando tecnichespread spectrum (p.e. DSSS)

fo

B

B > min{500MHz, 0.2·fo}

• tecnologia per la trasmissione radio a banda larga (>500 MHz e 20% della frequenza centrale)


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UWB: allocazione dello spettro

• Nel 2002 la FCC ha rilasciato la banda 3.1÷10.6 GHz per l'uso senza licenza

• Viene imposto un limite sull'emissione (-41.3dBm/MHz) pari a quello delle apparecchiature elettroniche generiche

• La larghezza di banda a disposizione (7.5 GHz) e l'emissione ridotta rendono questa tecnologia adatta a comunicazioni a corto raggio e alta velocità (o basso consumo)

7.5 GHz


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UWB: distanza e capacitàUWB si presta a due ambiti applicativi con caratteristiche complementari:• Comunicazioni ad alta velocità (> 100 Mb/s) e corto raggio (<10 m)

– applicazioni multimediali personali e indoor• Comunicazioni a bassa velocità (< 1 Mb/s) e bassa potenza

– reti di sensori mobili con capacità di localizzazione– controllo ambientale, domestico e industriale


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UWB: scenari di applicazioneReti personali (WPAN) ad alta velocità

• Applicazioni multimediali in ambito consumer• Obiettivo: eliminazione dei collegamenti via cavo

Backup di dischi

Stampa senzafili

Salvataggio di foto digitali

Trasferimento di file MP3

Trasferimentodi film e video

Video Streaming

Intrattenimento audio e video a bordo di

autoveicoli


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UWB: scenari di applicazioneReti a basso consumo e bassa velocità

• Concetto base: reti a basso costo di installazione, che si configurano da sole, e operano per tempi lunghi (anni) con intervento esterno ridotto o nullo

• Domotica– controllo dell'illuminazione, ottimizzazione del condizionamento

ambientale, monitoraggio dei locali

• Controllo di impianti e magazzini industriali– infrastruttura di comunicazione a basso costo per i sensori usati in

ambito industriale– sistema di localizzazione per magazzini

• Reti di sensori (fissi e mobili) con capacità di localizazione– reti a bassissimo consumo per la raccolta di dati ambientali,

localizzazione tracking di persone e beni, monitoraggio di pazienti e persone anziane


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Reti UWB ad alta velocità

• Primo tentativo di standardizzazione (IEEE 802.15.3a) abbandonato. Due proposte incompatibili:– proposta MBOA: basata su modulazione OFDM multi-banda

con meccanismo di Frequency-Hopping– proposta Motorola/XSI: basata su accesso multiplo a divisione

di codice (CDMA) con DSSS e modulazione PSK• Standardizzazione di fatto portata avanti dall'alleanza

industriale WiMedia:– basata sulla proposta MBOA (FH MB-OFDM)– ottimizzata per trasferimento dati a più di 100 Mb/s su brevi

distanze– pensata anche per la prossima generazione di tecnologie

complementari per WPAN: USB/1394 senza fili, Bluetooth 3.0, wireless TCP/IP (WiNET)


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Reti UWB ad alta velocitàfrequenze WiMedia

• banda disponibile suddivisa in 14 sottobande di ampiezza 528 MHze 5+1 gruppi

• modulazione OFDM basata su 128 sotto-portanti per sotto-banda • Frequency-hopping tra sotto-bande • Velocità: da 33.3 a 480 Mb/s


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Reti UWB a basso consumo

• Il gruppo IEEE 802.15.4 si occupa di definire uno standard per comunicazioni a basso data rate, complessità ridotta e basso consumo (operatività di mesi o anni)– Data rate di 250 kb/s, 40 kb/s e 20 kb/s – 16 canali nella banda ISM 2.4GHz, 10 canali nella banda 915MHz

e un canale nella banda 868MHz – E' il riferimento per l'alleanza ZigBee

• Il gruppo 4a lavora a una versione modificata dello standard per comunicazioni e localizzazione (con accuratezza di 1 metro o migliore), e potenza ultra ridotta– Due soluzioni: Impulse Radio UWB (operante nella banda UWB

3.1-10.6 GHz) and a Chirp Spread Spectrum (operante a 2.4GHz)– La Impulse Radio UWB, oltre alla comunicazione, permette la

localizzazione


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Reti UWB a basso consumoImpulse Radio

• E' stata la prima tecnica di trasmissione radio• Per il momento è utilizzata principalmente in applicazioni militari• La larghezza di banda dell'UWB (7.5 GHz) permette di avere impulsi

molto brevi (di duranta inferiore al ns)• Permette di semplificare notevolmente il ricetrasmettitore (riduzione

della potenza e dei costi)

7.5 GHz0.2 ns


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ica • Gli impulsi corti permettono misure di tempo di volo, e quindi

stime di distanza, con una precisione confrontabile con la durata dell'impulso

• Con una rete di nodi di posizione nota, è possibile determinare la posizione di nodi mobili tramite misure di tempo di volo e triangolazione

Reti UWB a basso consumoImpulse Radio - Localizzazione

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Reti personali (WPAN)Tecnologie alternative

• Reti ad alto data rate (>100 Mb/s)– IEEE 802.11n: appartiene alla famiglia delle tecnologie di

comunicazione per reti locali wireless (WLAN)– pensata per data rate fino a 540 Mb/s e raggio di 50 m– standard ancora in fase di definizione– architettura del ricetrasmettitore relativamente complessa (MIMO)

• Reti a basso data rate (< 1 Mb/s)– ZigBee: standard aperto basato su IEEE 802.15.4 – prevede reti fino a 65,536 nodi– usa 27 canali nelle bande 902-928 MHz e 2405-2480 MHz– data rate fino a 250 kb/s– metodo di localizzazione basato su misure di potenza ricevuta


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UWB: problemi di progettoCoesistenza con altri sistemi wireless

• Nelle vicinanze e all'interno della banda UWB cadono diversi sistemi a banda stretta che diventano potenziali interferenti

• Questo pone specifiche stringenti di linearità e selettività sul ricevitore

1.9 2.4 3.1 5 10.61.6banda UWB

-41 dBm/MHz band

a IS

M

WiF

i802

.11a

cellu

lari

GSM

GPS

Frequenza (GHz)

Potenza del

segnale


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UWB: problemi di progettoIntegrazione

• Per ridurre i costi:– minimo numero di componenti esterni (filtri, switch, componenti

passivi)– integrazione del sistema sul minimo numero di chip– tecnologia di fabbricazione a basso costo

• Soluzione:– tecnologia CMOS digitale

• Problemi:– dispositivi con prestazioni inferiori rispetto a transistor bipolari o

MOSFET con opzioni RF– induttori con basso fattore di qualità


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UWBAttività di ricerca del gruppo di Microelettronica

• Progetto di ricevitori UWB ad alto data rate– amplificatori a basso rumore (LNA)

– filtri per l'attenuazione degli interferenti

– mixer per la conversione di frequenza

– oscillatori multi-banda

– integrazione di reti passive per l'adattamento di impedenza e laconversione unipolare-differenziale

• Progetto di ricevitori UWB a basso data rate– studio di ricevitori non coerenti per comunicazioni Impulse Radio

– ricevitori per reti di sensori con capacità di localizzazione


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ica • Banda: 2.3—9.2 GHz

• Input match: < -10 dB in banda• Guadagno di potenza: 9.3 dB • Figura di rumore: 4 dB• Linearità (IIP3): -6.7 dBm• Potenza: 9 mW• Area: 1.1 mm2

Ricevitori UWBIl primo LNA CMOS (2003)

• chip progettato a UCB in tecnologia CMOS da 0.18 μm

• primo LNA UWB in tecnologiaCMOS


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Ricevitore UWB CMOSArchitettura e blocchi fondamentali

• trasformatore per passaggio unipolaredifferenziale

• rete di matching per l'adattamento di impedenza

• amplificatore a basso rumore

• filtro per l'attenuazione degli interferenti in banda

• oscillatore locale fast hopping

• mixer in quadratura ad alta linearità


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Ricevitore UWB CMOSRete di ingresso e LNA

• basso rumore ⇒ degenerazione induttiva (Ls) e rete di adattamento LC a larga banda in ingresso

• banda larga ⇒ carico shunt-peaking• reiezione di modo comune ⇒

architettura differenziale• area ⇒ induttori differenziali (LS, LL) e

trasformatore (L1-L2)• attenuazione degli interferenti ⇒ filtro

notch (Zn)


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Ricevitore UWB CMOSFiltro notch

• filtro LC integrato a doppia risonanza

• quando risuona, preleva parte del segnale di corrente e lo scarica a massa

• risonanza fissa a 2.4 GHz• risonanza regolabile tra 5 e 6 GHz


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Ricevitore UWB CMOSPrestazioni LNA

figura di rumore

guadagno di tensione

• tecnologia: CMOS digitale 0.13 μm

• area: 1.6 mm2

• potenza:

─ 24 mW (LNA)

─ 7.5 mW (filtro)


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Ricevitore UWB CMOSOscillatore a banda larga

• progettato per coprire i primi tre gruppi – 9 sottobande, con frequenze

centrali da 3432 a 7128 MHz

• basato su un trasformatore integrato– due modi di oscillazione– sintonizzazione fine con banco di

capacità

• prestazioni– tecnologia: CMOS digitale 0.13 μm– area: 0.65 mm2

– potenza: 1 ÷ 8 mW


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Conclusioni

• UWB è una tecnologia promettente per comunicazioni wireless a corto raggio– bassa complessità, basso consumo, basso costo

• Apre la strada a applicazioni complementari– mercato consumer: multimedia ad alto data rate

– reti wireless per il controllo ambientale: domotica, controllo industriale, reti eterogenee di sensori

• Principali sfide tecnologiche– integrazione

– riduzione del consumo di potenza/energia

– implementazione efficiente di algoritmi di localizzazione

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