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High-speed data capturing components for Super Resolution Maximum Length Binary Sequence UWB Radar

Schnelle Komponenten des Datenerfassungsblocks für ein Super Resolution Maximum Length Binary Sequence UWB Radar-System

  • Within framework of UKoLoS project the new Super Resolution Maximum Length Binary Sequence UWB Radar (M-sequence radar) was developed. The radar consists of an M-sequence generator, transmitter front-end, receiver front-end, data capturing device and data processing blocks, whose design responsibilities were carried out by four institutions. In this thesis the design and measurements of the data capturing device components is described. Logically the data capturing device can be divided into three parts; a capturing part, realized with the high-speed analog-to-digital converter, a predictor, realized with the high-speed digital-to-analog converter and a subtraction amplifier, which in this particular work is integrated into the receiver front-end. The main challenge of the work is to implement the A/D converter, which works at full speed of the radar. Despite the radar architecture allows capturing data with undersampling, it leads to waste of transmitted energy. Therefore the ADC has to capture reflected signal with the full systemWithin framework of UKoLoS project the new Super Resolution Maximum Length Binary Sequence UWB Radar (M-sequence radar) was developed. The radar consists of an M-sequence generator, transmitter front-end, receiver front-end, data capturing device and data processing blocks, whose design responsibilities were carried out by four institutions. In this thesis the design and measurements of the data capturing device components is described. Logically the data capturing device can be divided into three parts; a capturing part, realized with the high-speed analog-to-digital converter, a predictor, realized with the high-speed digital-to-analog converter and a subtraction amplifier, which in this particular work is integrated into the receiver front-end. The main challenge of the work is to implement the A/D converter, which works at full speed of the radar. Despite the radar architecture allows capturing data with undersampling, it leads to waste of transmitted energy. Therefore the ADC has to capture reflected signal with the full system clock rate of 10 GHz and should have a full Nyquist 5 GHz effective resolution bandwidth. Implementation of the conventional 4-bit full flash ADC with specified bandwidth is not possible in the IHP SiGe BiCMOS technology because some critical blocks, namely the reference network, can not achieve 5 GHz effective resolution bandwidth. To overcome this problem a new configuration of the differential reference network is proposed. The new reference network has a segmented, free configurable architecture. As extreme case it can be realized as a full parallel network and in such configuration the maximal bandwidth can be achieved. The proposed network was implemented in the A/D converter and measured. The bandwidth of the ADC with new network is several times higher than the bandwidth of the conventional ADC,while keeping power dissipation the same. Further the proposed network has possibility to equalize the bandwidth in each output node and in that way optimize overall power dissipation. The other advantage is the possibility of electronic calibration of separate voltage shift in the network. The second component of the data capturing device is the D/A converter, which is required to have the accuracy which corresponds to full accuracy of the data capturing device, better than 0.2% in our case. Measurements showed that error due to mismatch of the components was 10 times higher than required. To meet the accuracy specification an external off-line calibration of the DAC was implemented. Using calibration the predictor errors less than 0.15% were achieved.show moreshow less
  • Im Rahmen des UKoLoS Projektes ist ein neues “Super Resolution Maximum Length Binary Sequence UWB Radar“-System (M-sequence radar) entwickelt worden. Das System besteht aus einem M-sequence-Generator, einer Sende- und einer Empfangsstruktur, einem Datenerfassungs- und einem Datenverarbeitungsblock. Die einzelnen Komponenten sind von vier verschiedenen Projektpartnern entwickelt worden. In dieser Arbeit wird der Entwicklungsprozess des Datenerfassungsblocks sowie die zugehörigen Messergebnisse vorgestellt. Der logische Aufbau des Datenerfassungsblocks lässt sich in zwei Teile gliedern. Der erste Teil dient der Datenerfassung und ist als schneller Analog-Digital-Wandler ausgeführt. Der zweite Teil hat die Funktion des Prädiktors. Dieser besteht aus einem schnellen Digital-Analog-Wandler und einer subtrahierenden Verstärkungseinheit. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Implementierung eines Analog-Digital-Wandlers, der bei voller Taktfrequenz des Radar-Systems von 10 GHz arbeitet. Obwohl die Architektur des Radar-Systems eineIm Rahmen des UKoLoS Projektes ist ein neues “Super Resolution Maximum Length Binary Sequence UWB Radar“-System (M-sequence radar) entwickelt worden. Das System besteht aus einem M-sequence-Generator, einer Sende- und einer Empfangsstruktur, einem Datenerfassungs- und einem Datenverarbeitungsblock. Die einzelnen Komponenten sind von vier verschiedenen Projektpartnern entwickelt worden. In dieser Arbeit wird der Entwicklungsprozess des Datenerfassungsblocks sowie die zugehörigen Messergebnisse vorgestellt. Der logische Aufbau des Datenerfassungsblocks lässt sich in zwei Teile gliedern. Der erste Teil dient der Datenerfassung und ist als schneller Analog-Digital-Wandler ausgeführt. Der zweite Teil hat die Funktion des Prädiktors. Dieser besteht aus einem schnellen Digital-Analog-Wandler und einer subtrahierenden Verstärkungseinheit. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Implementierung eines Analog-Digital-Wandlers, der bei voller Taktfrequenz des Radar-Systems von 10 GHz arbeitet. Obwohl die Architektur des Radar-Systems eine Datenerfassung bei Unterabtastung erlaubt, führt dies zum partiellen Verlust der gesendeten Energie. Daher soll der Analog-Digital-Wandler der Datenerfassungseinheit bei einer Abtastrate arbeiten, die der Taktfrequenz des Radar-Systems entspricht. Die übliche Implementierung des Analog-Digital-Wandlers als 4-bit full flash ist technologiebedingt nicht realisierbar, da die spezifizierte Bandbreite von 5GHz für das Referenznetzwerk in der eingesetzten 0.25-μm SiGe BiCMOS Technologie nicht erreicht werden kann. Als Lösungsansatz wird eine neue Konfiguration für das differentielle Referenznetzwerk vorgeschlagen. Dieses Netzwerk weist eine segmentierte Architektur auf. Im Grenzfall kann es als voll paralleles Netzwerk implementiert werden. Die vorgeschlagene Topologie des Netzwerks wurde in dem Analog-Digital-Wandler des Datenerfassungsblocks angewendet. Die sich ergebende Bandbreite des so implementierten Analog-Digital-Wandlers ist bei gleichem Leistungsverbrauch höher als die Bandbreite eines Standard-Wandlers,. Das Schaltungsprinzip des eingesetzten Referenznetzwerks ermöglicht eine Angleichung der Bandbreite einzelner Segmente und somit die Optimierung des Leistungsverbrauchs. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit den Spannungsabfall für jedes Segment separat elektronisch Kalibrieren zu können. Der Digital-Analog-Wandler, der als Prädiktor zum Einsatz kommt, soll eine Genauigkeit haben, die der des gesamten Datenerfassungsblocks entspricht. In dem hier vorgestellten System bedeutet dies eine Abweichung von weniger als 0.2%. Die Messungen haben gezeigt, dass der Fehler um einen Faktor 10 höher ist als in den Spezifikationen gefordert wird. Um den Anforderungen gerecht zu werden, wurde eine externe Kalibrierung implementiert. Hierdurch konnte der Fehler auf 0.15% reduziert werden.show moreshow less

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Metadaten
Author: Yevgen Borokhovych
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-24501
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Rolf Kraemer
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2011
Date of final exam:2011/11/15
Release Date:2012/06/04
Tag:Analog-Digital-Wandler; Digital-Analog-Wandler; Folge-HalteVerstärker; M-Sequenz UWB-Radar
Analog-to-digital converter; Full flash; Reference network; Track-and-hold amplifier
GND Keyword:Analog-Digital-Umsetzer; Digital-Analog-Umsetzer
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Systeme
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Systeme
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