Design Methodology for Image-Reject Low-Power Receivers for Wireless Communications

Entwurfsmethodologie für leistungsarme Empfänger mit Spiegelfrequenzunterdrückung für drahtlose Kommunikation

  • All receivers for wireless communications based on frequency down-conversion have to deal with the image band. The folding of image energy onto the carrier after down-conversion can significantly corrupt the signal-to-noise ratio of a receiver. Image-reject mixers remove the image energy providing performance in terms of gain, linearity and noise similar to a conventional mixer posing a better alternative to external/integrated image-reject band-pass filters. Additionally, IR mixers enable both non-concurrent and concurrent reception of two bands with a unique receiver, being the key component of dual receivers. In the literature, the design of IR mixers is focused on maximizing the image-reAll receivers for wireless communications based on frequency down-conversion have to deal with the image band. The folding of image energy onto the carrier after down-conversion can significantly corrupt the signal-to-noise ratio of a receiver. Image-reject mixers remove the image energy providing performance in terms of gain, linearity and noise similar to a conventional mixer posing a better alternative to external/integrated image-reject band-pass filters. Additionally, IR mixers enable both non-concurrent and concurrent reception of two bands with a unique receiver, being the key component of dual receivers. In the literature, the design of IR mixers is focused on maximizing the image-rejection ratio (IRR). At present the IRR achievable with an IR mixer is approximately in the same order as the degree of rejection attained by an external band-pass filter. However, the stumbling block that prevents the widespread use of IR mixers as a feasible integrated alternative to external band-pass filtering is the higher power dissipation compared to a conventional mixer. The lack of a complete analysis in terms of IR receivers and their requirements in terms of IR on one side, and the lack of a design approach that optimizes the required IR and a minimal power consumption striking a balance between these two somewhat opposed parameters on the other side, have motivated this research work. This work contributes in the following three main topics: IR receiver architectures, CMOS mixers for operation in IR mixers and low-power CMOS IR mixers. First, IR requirements of modern receiver architectures and possible IR topologies that fit into these receivers are studied. Based on this analysis, two novel IR dual receiver architectures are proposed, which give a power-optimized solution to the most challenging case of broadband dual receivers for positioning and navigation systems. Second, the mixer topologies best suited for integration within an IR topology are thoroughly studied in terms of the impact of each section of the mixer on the performance metrics of the mixer. Relying on this study, three mixer optimization cases are researched: multi-band operation, low-voltage low-power operation and DC-offset/flicker noise. All optimizations are backed up by measured data on four prototypes that show excellent matching to simulation. Third, a novel design methodology for low-power IR mixers is developed to address the lack of a power-aware optimization of IR mixers. This approach focuses on two complementary optimization aspects: a statistical optimization and a structural optimization. The design framework chosen is an indirect-conversion receiver for Industrial Scientific Medical at 433 MHz (ISM-433) for short-range telemetry, where both moderate/large IRR and low power dissipation are required, imposing the most challenging environment for CMOS IR mixer design. The Weaver IR mixer and offset-free Hartley IR mixer implemented show very good agreement between simulated and measured data, and validate the proposed methodology imposing an important headway to the state of the art in terms of power-optimized IR mixers.show moreshow less
  • Alle Empfänger für drahtlose Kommunikation basieren auf Frequenzumsetzung und müssen sich mit dem Problem der Spiegelfrequenz befassen. Die Faltung der Spiegelfrequenzenergie auf den Träger nach der Frequenzumsetzung kann das Signal-Rausch-Verhältnis des Empfängers deutlich verschlechtern. Mischer mit Spiegelfrequenzunterdrückung unterdrücken das Spiegelsignal und liefern ähnliche Verstärkung, Linearität und Rauschzahl wie konventionelle Mischer und sind deshalb eine bessere Alternative als externe/interne Bandpassfilter zur Spiegelunterdrückung. Zudem ermöglichen diese Mischer den nicht-gleichzeitigen und gleichzeitigen Empfang von zwei Bändern durch einen einzigen Empfänger. In der LiteratAlle Empfänger für drahtlose Kommunikation basieren auf Frequenzumsetzung und müssen sich mit dem Problem der Spiegelfrequenz befassen. Die Faltung der Spiegelfrequenzenergie auf den Träger nach der Frequenzumsetzung kann das Signal-Rausch-Verhältnis des Empfängers deutlich verschlechtern. Mischer mit Spiegelfrequenzunterdrückung unterdrücken das Spiegelsignal und liefern ähnliche Verstärkung, Linearität und Rauschzahl wie konventionelle Mischer und sind deshalb eine bessere Alternative als externe/interne Bandpassfilter zur Spiegelunterdrückung. Zudem ermöglichen diese Mischer den nicht-gleichzeitigen und gleichzeitigen Empfang von zwei Bändern durch einen einzigen Empfänger. In der Literatur ist der Entwurf von Mischern mit Spiegelfrequenzunterdrückung darauf ausgerichtet, das Spiegelfrequenzunterdrückungsverhältnis (Image Rejection Ratio IRR) zu maximieren. Derzeit ist das mit solchen Mischern erreichbare Spiegelfrequenzunterdrückungsverhältnis vergleichbar mit den externen Bandpässen. Der Grund, warum bisher wenig IR-Mischer als integrierte Alternative zu Mischern mit einem externen Bandpass eingesetzt werden, liegt an der bisherigen mangelnden Entwurfsmethodik, die ein Gleichgewicht zwischen notwendiger IRR und minimaler Leistungsaufnahme schafft. Dieser Mangel hat diese Forschung motiviert. Diese Arbeit trägt zu folgenden Themen bei: IR-Empfängerarchitekturen, CMOS Mischer zum Betrieb in IR-Mischern, und leistungsarme CMOS IR-Mischer. Zunächst werden die IR Anforderungen moderner Empfängerarchitekturen und mögliche passende IR Topologien untersucht. Darauf basierend werden zwei neuartige IR-Dual-Empfänger vorgeschlagen, die für den anspruchsvollen breitbandigen Dual-Empfang als leistungsoptimierte Lösung im Bereich Lokalisierung und Navigation bestens geeignet sind. Im zweiten Teil werden geeignete Mischertopologien zum Betrieb innerhalb von IR-Mischern ausführlich untersucht. Der Einfluss aller Teile des Mischers auf Mischerleistungsparametern wird behandelt. Darauf basierend, werden drei Optimierungsmöglichkeiten näher betrachtet: Multi-Band Betrieb, Low-voltage Low-power Betrieb und DC-Offset und Flickerrauschen. Die Gültigkeit aller Optimierungsrichtlinien wird durch Messungen an Prototypen gewährleistet. Alle Messungen stimmen sehr gut mit den entsprechenden Simulationen überein. Im dritten Teil wird eine neuartige Entwurfsmethodik für leistungsoptimierte Mischer zur Spiegelfrequnezunterdrückung vorgeschlagen. Diese Methode konzentriert sich auf zwei komplementäre Aspekte: statistische und strukturelle Optimierung. Als Rahmenbedingung für den Entwurf wurde ein Indirektumsetzungsempfänger bei 433 MHz für das Industrial Scientific Medical Band (ISM-433) für Nahbereichstelemetrie gewählt. Dort wird ein mittlerer bis hoher Wert für die IRR bei gleichzeitiger niedriger Leistungsaufnahme benötigt. Die Weaver- und offsetfreie Hartley-Mischer zur Spiegelfrequenzunterdrückung zeigen sehr gute Übereinstimmungen zwischen simulierten und gemessenen Ergebnissen. Sie bestätigen die vorgeschlagene Methodik und führen zu einer erheblichen Verbesserung des Stands der Technik im Bereich leistungsoptimierte Mischer zur Spiegelfrequenzunterdrückung.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

  • Export Bibtex
  • Export RIS

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author:Alfonso Carrera
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-7330
Series (Volume number):Forschungsberichte aus dem Lehrstuhl für Informationstechnik mit dem Schwerpunkt Kommunikationselektronik (2)
Advisor:Heinz Gerhäuser
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2007/11/26
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2007/06/11
Release Date:2007/11/26
Tag:CMOS RF; Image-reject mixers; integrated circuit design; low-power design; receiver architectures
SWD-Keyword:CMOS
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 60 Technik / 600 Technik, Technologie

$Rev: 13581 $