Microelettronica per applicazioni wireless a corto raggio

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1 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) 39

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3 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. 41

4 Contatti: Andrea Neviani Dipartimento di Ingegneria dell Informazione Università degli Studi di Padova Via Gradenigo 6/B, Padova Tel.: (+39) Fax: (+39) Web: 42

5 Microelettronica per applicazioni wireless a corto raggio Andrea Neviani Università di Padova Dipartimento di Ingegneria dell Informazione Via Gradenigo 6/B, Padova, Italy A. Neviani MICROELETTRONICA, Fiera di Vicenza, 16 Marzo 2007 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 A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo

6 Personale STAFF 2 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-DOC 3 assegnisti di ricerca (Giorgio Cellere, Augusto Tazzoli, Simone Gerardin) STUDENTI 19 studenti di Dottorato progetti di tesi di Laurea specialistica all'anno A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo Attività di ricerca 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 A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo

7 Ultra Wideband (UWB): definizione tecnologia per la trasmissione radio a banda larga (>500 MHz e 20% della frequenza centrale) può utilizzare diversi metodi di trasmissione: B f o B > min{500mhz, 0.2 f o } 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 tecniche spread spectrum (p.e. DSSS) A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo UWB: allocazione dello spettro 7.5 GHz Nel 2002 la FCC ha rilasciato la banda GHz per l'uso senza licenza Viene imposto un limite sull'emissione (-41.3 dbm/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) A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo

8 UWB: distanza e capacità UWB 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 A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo UWB: scenari di applicazione Reti personali (WPAN) ad alta velocità Applicazioni multimediali in ambito consumer Obiettivo: eliminazione dei collegamenti via cavo Video Streaming Backup di dischi Stampa senza fili Trasferimento di file MP3 Intrattenimento audio e Salvataggio di Trasferimento video a bordo di foto digitali di film e video autoveicoli A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo

9 UWB: scenari di applicazione Reti 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 A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo Reti UWB ad alta velocità Primo tentativo di standardizzazione (IEEE a) 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) A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo

10 Reti UWB ad alta velocità frequenze WiMedia banda disponibile suddivisa in 14 sottobande di ampiezza 528 MHz e 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 A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo Reti UWB a basso consumo Il gruppo IEEE 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 GHz) and a Chirp Spread Spectrum (operante a 2.4GHz) La Impulse Radio UWB, oltre alla comunicazione, permette la localizzazione A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo

11 Reti UWB a basso consumo Impulse 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 GHz 0.2 ns A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo Reti UWB a basso consumo Impulse Radio - Localizzazione 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 t 1 t 2 t 3 A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo

12 Reti personali (WPAN) Tecnologie alternative Reti ad alto data rate (>100 Mb/s) IEEE n: 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 prevede reti fino a 65,536 nodi usa 27 canali nelle bande MHz e MHz data rate fino a 250 kb/s metodo di localizzazione basato su misure di potenza ricevuta A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo UWB: problemi di progetto Coesistenza 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 Potenza del segnale -41 dbm/mhz GPS 1.6 cellulari GSM banda ISM banda UWB Frequenza (GHz) A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo WiFi a 50

13 UWB: problemi di progetto Integrazione 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 A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo UWB Attività 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 la conversione 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 A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo

14 Ricevitori UWB Il primo LNA CMOS (2003) Banda: 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 mm 2 chip progettato a UCB in tecnologia CMOS da 0.18 μm primo LNA UWB in tecnologia CMOS A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo Ricevitore UWB CMOS Architettura e blocchi fondamentali trasformatore per passaggio unipolare differenziale rete di matching per l'adattamento di impedenza amplificatore a basso rumore filtro per l'attenuazione degli interferenti in banda mixer in quadratura ad alta linearità oscillatore locale fast hopping A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo

15 Ricevitore UWB CMOS Rete 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 (L S, L L ) e trasformatore (L 1 -L 2 ) attenuazione degli interferenti filtro notch (Zn) A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo Ricevitore UWB CMOS Filtro 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 A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo

16 Ricevitore UWB CMOS Prestazioni LNA tecnologia: CMOS digitale 0.13 μm area: potenza: 1.6 mm2 24 mw (LNA) 7.5 mw (filtro) guadagno di tensione figura di rumore A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo Ricevitore UWB CMOS Oscillatore 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 mm 2 potenza: 1 8 mw A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo

17 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 A. Neviani MICROELETTRONICA, Vicenza, 16 Marzo