Wireless sensor networks (WSN) have thus far been used for detection and tracking of static and mobile targets for surveillance and security applications. However, detection and tracking do not suffice for a complete satisfaction of these applications and an accurate target classification. To address this need, among various target classification methods, imaging of target yields the most valuable information. Nevertheless, imaging of mobile targets moving over an area requires networked and collaborative detection, tracking and imaging capabilities. With this regard, ultra-wideband (UWB) radar technology stands as a promising approach for networked target imaging over an area due to its unique features such as having no line-of-sight (LoS). However, the UWB wireless radar sensor network (WRSN) is yet to be developed for high quality imaging of mobile targets. In this thesis, an architecture for UWB wireless radar sensor network and a new collaborative mobile target imaging (CMTI) algorithm for UWB wireless radar sensor networks (WRSN) are presented. It is intended to accurately and efficiently obtain an image of mobile targets based on the collaborative eort of deployed UWB wireless radar sensor nodes. CMTI enables detection, tracking and imaging of mobile targets with a complete WRSN solution. CMTI exploits mobility of the target in the sensor field to build its own multi-static radar aperture. Performance evaluations reveal that CMTI obtains high quality radar image of mobile targets in WRSN with very low communication overhead and energy expenditure.

As one of the major building blocks in a wireless receiver, the Analog-to-Digital Interface (ADI) provides link and transition between the analog Radio Frequency (RF) frontend and the baseband Digital Signal Processing (DSP) module. The rapid development of the radio technologies raises new design challenges for the receiver ADI implementation. Requirements, such as power consumption optimization, multi-standard compatibility, fast settling capability and wide signal bandwidth capacity, are often encountered in a low voltage ADI design environment. Previous research offers ADI design schemes that emphasize individual merit. A systematic ADI design methodology is, however, not suffciently studied. In this work, the ADI design for two receiver systems are employed as research vehicles to provide solutions for different ADI design issues. A zero-crossing demodulator ADI is designed in the 0.35µm CMOS technology for the Bluetooth receiver to provide fast settling. Architectural level modification improves the process variation and the Local Oscillation (LO) frequency offset immunity of the demodulator. A 16.2dB Signal-to-Noise Ratio (SNR) at 0.1% Bit Error Rate (BER) is achieved with less than 9mW power dissipation in the lab measurement. For ADI in the 802.11b/Bluetooth dual-mode receiver, a configurable time-interleaved pipeline Analog-to-Digital-Converter (ADC) structure is adopted to provide the required multi-standard compatibility. An online digital calibration scheme is also proposed to compensate process variation and mismatching. The prototype chip is fabricated in the 0.25µm BiCMOS technology. Experimentally, an SNR of 60dB and 64dB are obtained under the 802.11b and Bluetooth receiving modes, respectively. The power consumption of the ADI is 20.2mW under the 802.11b receiving mode and 14.8mW under the Bluetooth mode. In this dissertation, each step of the receiver ADI design procedure, from system level optimization to the transistor level implementation and lab measurement, is illustrated in detail. The observations are carefully studied to provide insight on receiver ADI design issues. The ADI design for the Ultra-Wide Band (UWB) receiver is also studied at system level. Potential ADI structure is proposed to satisfy the wide signal bandwidth and high speed requirement for future applications.

none

No description available.

No description available.

Cette habilitation à diriger des recherches résume la majeure partie des activités que nous avons menées dans le domaine des systèmes communicants hautes fréquences, et qui nous ont permis d'en explorer l'élément central "synthèse de fréquences", dans ses déclinaisons intégrées sur silicium, véritables lignes directrices de nos travaux. Si la synthèse de fréquences est essentielle, c'est qu'elle permet aux différents standards de communication actuels (WiFi, Bluetooth, ZigBee, ...) et futurs (Wireless-HD, ...) d'exister et de cohabiter, de commuter entre les canaux des différents utilisateurs, et dans certaines techniques d'étalement de spectre, d'assurer des sauts de fréquences ultra rapides. De multiples aspects ont été abordés, dont l'originalité réside dans le croisement des approches analogiques, numériques, mixtes, basses et hautes fréquences, impliquant les niveaux composants, circuits et systèmes, depuis l'optimisation très ciblée de fonctions élémentaires jusqu'à une application de métrologie de bruit de phase totalement atypique car entièrement intégrée et reconfigurable, en passant par la remise en question d'architectures habituelles de synthèse visant à en résoudre certains défauts récurrents. En tout premier lieu, nous avons mené une activité de conception analogique " classique " d'oscillateurs intégrés, que notre participation à un projet européen nous a permis de coupler pour la première fois à des résonateurs à ondes acoustiques de volume (BAW) très sélectifs dans une approche SoC "above-IC" à 5 GHz. Ils ont affiché des performances en bruit de phase à l'état de l'art au moment de leur publication. À côté de cela, nous avons développé des activités autour de la boucle à verrouillage de phase (PLL), fonction complexe standard des synthèses de fréquences. Avec elles, nous avons pu mettre en oeuvre des techniques de conception originales dans la numérisation haute fréquence des fonctions de la boucle, diviseurs, comparateurs phase/fréquence et filt res, ce qui nous a permis de dépasser certaines limitations au regard des technologies standards utilisées, en termes de chemins critiques, de parasites et de fréquences de fonctionnement notamment. En nous intéressant à la numérisation du dernier bloc de la PLL, l'oscillateur contrôlé en tension (VCO), nous nous sommes tournés vers le synthétiseur de fréquences digital direct (DDS). C'est avec cette fonction, dont le domaine d'application se révéla bien plus large que le seul oscillateur numérique (NCO), que nous avons pu apporter les solutions les plus singulières, voire les plus osées, en totale rupture avec les habitudes du domaine basse fréquence dont elle est issue. Nous avons ainsi été les premiers à proposer une architecture basse consommation de plusieurs milliers de transistors et fonctionnant au-delà de la gamme RF (6 GHz) sur une technologie pourtant grand public. Un brevet nous a également permis de mettre en valeur un fonctionnement spécial du DDS, capable de lui faire générer facilement des impulsions ultra-large bande (UWB). Dans une dernière partie, nous avons abordé les systèmes de mesure sur puce, et en particulier la mesure intégrée de bruit de phase, paramètre dont la minimisation est essentielle à la qualité des systèmes communicants. Nous avons montré qu'il était possible de concevoir sur une technologie courante des fonctions analogiques d'instrumentation dont la contribution minime en bruit a pu permettre la création d'un banc de mesure de bruit de phase reconfigurable totalement intégré. Les déclinaisons de ce banc, décrites dans un brevet, le rendent capable aussi bien de mesurer le bruit de phase de sources de fréquences que celui résiduel de quadripôles. Nul doute que les micro et nano systèmes hétérogènes multiphysiques du futur sauront tirer bénéfice de tels bancs de mesure miniatures intégrés, autorisant un traitement du signal des plus fidèle car effectué "au plus proche" des différents capteurs à interroger. Notre contribution s' est toujours voulue volontairement appliquée, en gardant à l'esprit certaines notions élémentaires telles que le coût et la consommation raisonnés des techniques et technologies mises en oeuvre, que la quête de l'innovation et de l'excellence doit malgré tout motiver, mais que le Graal de la performance ultime peut facilement faire oublier.

Η περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων (RF) για σχεδίαση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων για τηλεπικοινωνιακά συστήματα αποτελεί ένα χώρο έντονης ερευνητικής δραστηριότητας. Το πρότυπο υπερευρείας ζώνης με την ονομασία Ultra Wideband (UWB), που καταλαμβάνει συχνότητες από 3.1-10.6 GHz, αποτέλεσε αντικείμενο της παρούσης έρευνας με σκοπό την σχεδίαση, κατασκευή και μέτρηση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με έμφαση στα κυκλώματα του μπροστινού τμήματος του UWB δέκτη. Η κατανόηση της λειτουργίας του πομποδέκτη και των παραμέτρων λειτουργίας σε επίπεδο συστήματος αποτέλεσε την αρχική προσέγγιση, με σκοπό τον καθορισμό των προδιαγραφών λειτουργίας των πιο κρίσιμων στοιχείων. Η ανάλυση έλαβε χώρα τόσο σε θεωρητικό επίπεδο όσο και σε επίπεδο εξομοίωσης και τα ηλεκτρονικά στοιχεία των υψηλών συχνοτήτων όπως είναι ο ενισχυτής χαμηλού θορύβου (Low Noise Amplifier - LNA) καθώς και ο μίκτης είναι τα πιο απαιτητικά στη σχεδίαση. Η έρευνα επικεντρώθηκε αρχικά στο κύκλωμα του ενισχυτή χαμηλού θορύβου , το οποίο ευρισκόμενο αμέσως μετά την κεραία λήψης, καλείται να ικανοποιήσει πολλές και αντικρουόμενες μεταξύ τους απαιτήσεις όσον αφορά το εύρος ζώνης, το κέρδος, την κατανάλωση ενέργειας και επιφανείας πυριτίου και το θόρυβο. Στα πλαίσια της μελέτης εξερευνήθηκαν και αξιολογήθηκαν οι υφιστάμενες τοπολογίες που έχουν εμφανιστεί στη βιβλιογραφία και επιλέχθηκαν δύο από αυτές για περεταίρω διερεύνηση. Το πρώτο ολοκληρωμένο που κατασκευάστηκε περιλαμβάνει τρεις ενισχυτές, οι δύο από αυτούς χρησιμοποιούν την τοπολογία κοινής πηγής με φίλτρο εισόδου και πηνίο στην πηγή (inductive source degeneration) και διαφέρουν στον τρόπο μέτρησης, όπου ο ένας ενισχυτής μετράται πάνω στο ολοκληρωμένο (on-wafer probing) και ο έτερος τοποθετείται σε πλακέτα (chip on board). Με τον τρόπο αυτό αποκτάται διαίσθηση όσον αφορά την επίδραση των παρασιτικών που υπεισέρχονται εξαιτίας των διασυνδέσεων των αγωγών (bondwires) μεταξύ ολοκληρωμένου και πλακέτας. Ταυτόχρονα για τον συγκεκριμένο ενισχυτή εφαρμόζεται και στρατηγική προστασίας από ηλεκτροστατικά φορτία (ESD). Ο τρίτος ενισχυτής βασίζεται στην τοπολογία ανάδρασης και αποτέλεσε προϊόν πρωτότυπης έρευνας και χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές διεύρυνσης του εύρους ζώνης λειτουργίας με χρήση επαγωγικών στοιχείων. Οι μετρήσεις που επακολούθησαν την κατασκευή αποδείχθηκαν επιτυχείς και κατά κανόνα υπήρξε σύγκλιση με την εξομοίωση. Ο τρίτος ενισχυτής παρουσιάζει την πιο ανταγωνιστική απόδοση και είναι ικανός να λειτουργήσει μέχρι τα 7GHz. Επακόλουθο της κυκλωματικής μελέτης των ενισχυτών χαμηλού θορύβου υπήρξε η εστίαση σε επίπεδο συστήματος για την κατασκευή του συνολικού RF τμήματος του δέκτη σε ολοκληρωμένο και για λειτουργία μέχρι τα 10.6GHz. Το σύστημα περιλαμβάνει τον LNA της τοπολογίας με ανάδραση και στη συνέχεια δύο πανομοιότυπα μονοπάτια αποτελούμενα το καθένα από μίκτη, υψιπερατό φίλτρο και απομονωτή εξόδου στα 50 Ω για τις ανάγκες της μέτρησης. Ως κύριες προκλήσεις ανέκυψαν ο σχεδιασμός του μίκτη και κυρίως της διεπαφής με τον LNA, ο οποίος παρέχει σήμα μονής εξόδου ενώ ο μίκτης λειτουργεί διαφορικά. Στα πλαίσια της διατριβής προτάθηκε μια τεχνική για κύκλωμα μετατροπής μονού σε διαφορικό σήμα (balun), η οποία συνδυαζόμενη με την τοπολογία του μίκτη που επελέγη, ουσιαστικά ενσωματώνεται στο μίκτη και παρέχει διαφορικά σήματα με πολύ καλή ακρίβεια στο πλάτος και τη φάση. Το balun βασίζεται στην τοπολογία του διαφορικού ζεύγους και επεκτείνει πάνω σε αυτήν με χρήση πηνίου που στο κέντρο του παρέχει έναν τρίτο ακροδέκτη διασύνδεσης στην τροφοδοσία. Καταυτόν τον τρόπο λαμβάνει χώρα σύζευξη μεταξύ των φορτίων του balun που εγγυάται την ακρίβεια των μεγεθών που προαναφέρθηκαν. Η τεχνική υποστηρίζεται από ενδελεχή μαθηματική ανάλυση και παρουσιάζονται συγκρίσεις μεταξύ θεωρίας και εξομοίωσης με σύγκλιση μεταξύ των. Ο μίκτης που κατέληξε η έρευνα ανήκει στην κατηγορία της συνδεσμολογίας folded cascode. Δεδομένων επίσης των περιορισμών που υπήρχαν στον εξοπλισμό μέτρησης εφαρμόστηκαν τεχνικές με πιο σημαντική την τροφοδότηση των σημάτων ταλαντωτή τα οποία εσωτερικά του ολοκληρωμένου μετατρέπονται σε διαφορικά και καθοδηγούνται για αποφυγή ασυμμετριών σε ισομήκης μεταλλικές γραμμές μεταφοράς. Σε όλα τα κρίσιμα σημεία έχει προβλεφτεί στρατηγική θωράκισης των υψίσυχνων σημάτων ενώ η τοποθέτηση ενός πολύ μεγάλου αριθμού στοιχείων στο πυρίτιο υπήρξε προϊόν συγκερασμού διαφορετικών απαιτήσεων στη χωροταξία τους με πολυάριθμες τεχνικές και εμπειρικούς κανόνες να έχουν εφαρμοστεί. Η τελική προτεινόμενη αρχιτεκτονική τύπου άμεσης μετατροπής παρόλα τα σχεδιαστικά ρίσκα που είχαν ληφθεί, λειτούργησε επιτυχώς μέχρι και τα 8.5GHz επισφραγίζοντας την συνολική προσπάθεια. / The domain of RF engineering for electronic circuits, targeting the application of telecommunication systems, constitutes a field of intense research activities. The UWB protocol that occupies a frequency spectrum between 3.1 and 10.6 GHz is the subject of the current work which aims to the design, fabrication and measurement of electronic circuits with emphasis put on the receiver’s RF front end. The initial focus of the research work targets the Low Noise Amplifier (LNA) circuit, a demanding and challenging circuit that being at the very front of the receiver’s chain, has to compromise among different and contradictory requirements, namely the extended bandwidth, the gain, the power and chip area consumption and the noise performance. Existing topologies in the literature were explored and classified and two among them were selected for further research. The first fabricated chip includes three LNAs, two of which apply the common source topology with input bandpass filter and inductive source degeneration and their difference lies in the measurement method. One amplifier is measured on wafer while the other is mounted on board. That way, intuition is acquired regarding the effect of the bondwires that act as the interface between the chip and the board. At the same time, ESD protection strategy is applied as the chip is more vulnerable to static currents. The third LNA is based on the feedback topology and constitutes a work of novelty, where bandwidth extension techniques were applied, comprising of inductive elements. The following measurement procedure was successful indicating an upper frequency of operation for the feedback LNA up to 7GHz. The focus of the work after the LNAs was shifted to system level for the implementation of the total RF front end of the receiver up to 10.6GHz. The system comprises an improved version of the feedback LNA followed by two identical paths, each one consisting of a mixer, a high pass filter and an output buffer at 50 Ohm for measurement purpose. The challenges that are mostly highlighted are the mixer design in conjunction with the necessary balun interface from the single ended output of the LNA to the differential mixer. A novel technique is proposed for the balun that builds on the differential pair topology and provides coupling between the load elements that both are implemented with a center tapped inductor. That way the designed balun achieves balanced outputs in terms of amplitude and phase. The technique is supported by mathematical analysis and the comparison between computed and simulated results show convergence. The resulting mixer that includes the balun belongs to the folded cascode differential connection. Moreover, given the limitations of the available measurement equipment, several layout techniques were applied; particularly in the issue of the external LO signal feeding. The two quadrature LO signals are provided in single ended form and traverse the chip by two equal length transmission lines that are separated at the center of the chip and reach the on chip single to differential converters that are placed close to the mixers. In every critical point, care is taken to shield the high frequency signals from interferences. In any case, the placing of a high number of individual elements that have different requirements on the same chip requires for compromises, while layout techniques and rules of thumb have been applied to the maximum extend. The final proposed architecture belongs to the direct conversion category and worked successfully up to the frequency of 8.5GHz. It achieves gain of 25dB, double sideband noise figure of 7dB and power consumption of 62.7 mW.

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2013. / ENGLISH ABSTRACT: This thesis is about the design, simulation and measuring of ultra wide band antennas for use in the Square Kilometre Array (SKA). The SKA is a radio astronomy project with one of the aims of detecting hydrogen particles in deep space. Several thousand antennas over a wide band of frequencies are needed to receive the radiation from these particles. This motivates the need for a low-cost ultra wide band antenna with the focus on the low frequency part of the SKA. In this thesis we present two design strategies: The first design strategy is for a printed LPDA on a substrate and design curves are generated. A scale model was built and measurements did not correlate with simulation results. This is due to manufacturing tolerances and assembly of the pyramidal structure. The second design strategy is for a full scale zig-zag antenna and design curves were also generated. The aim here is to produce a low-cost prototype by using brazing rods for the wire structure and mount it on a wooden frame. A full scale model was built and measurements on the roof produced much interference for the radiation pattern, but the reflection coefficient was good. We suggest doing measurements in an interference free environment in order to achieve the needed results. To conclude we suggest using the zig-zag antenna for the SKA. Some issues do however need more attention as the transformer has some losses, the cross polarisation is probably not good enough and the beamwidth does not reach the specification. We demonstrated a low cost prototype and there is the possibility of low-cost large scale manufacturing but this needs to be addressed. This has however not been analysed as many factors for large scale manufacturing are very difficult to predict beforehand and lies outside the scope of this thesis. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie tesis gaan oor die ontwerp, simulasie en opmeting van ultrawyebandantennas vir gebruik in die SKA ("Square Kilometre Array"). Die SKA is ’n radioastronomie projek met die doel om waterstof partikels op te spoor in die ruimte. Duisende antennas wat oor ’n wye band van frekwensies strek is nodig om die energie van die partikels op te vang. Hieruit is daar ’n aanvraag vir lae-koste ultrawyebandantennas met die fokus op die lae frekwensie deel van die SKA. In hierdie tesis word twee ontwerpstrategieë voorgestel: Die eerste ontwerpstrategie is vir ’n gedrukte logaritmies periodiese dipool reeks (LPDR) op ’n substraat tesame met ontwerpskurwes wat gegenereer word. ’n Skaal model is gebou en die gemete resultate stem nie ooreen met die simulasie nie. Dit kan toegeskryf word aan vervaardigingstoleransies en die aanmekaar sit van die piramide struktuur. Die tweede ontwerpstrategie is vir ’n vol skaal sigsag ("zig-zag") antenna met ontwerpskurwes wat ook gegenereer word. Die doel is om ’n lae-koste prototipe te bou deur sweissoldeerdraad te gebruik vir die draadstruktuur en dan op ’n hout raam te plaas. ’n Vol skaal model is gebou en metings op die dak het baie interferensie veroorsaak vir die stralingsveld, maar tog was die weerkaatskoëffisient goed. Ons stel voor om die metings te herhaal in ’n steuringvrye omgewing om sodoende die korrekte resultate te verkry. Om af te sluit stel ons voor om die sigsag antenna vir die SKA te gebruik. Sekere kwessies soos die transformator wat verlieserig is, die kruispolarisasie wat moontlik nie goed genoeg is nie en die bundelwydte wat nie die spesifikasie haal nie moet nog aandag geniet. Ons het ’n lae-koste prototipe gedemonstreer en daar is die moontlikheid om dit op grootskaalse vervaardiging ook goedkoop te doen, maar dit moet nog uigesorteer word. Dit was wel nie geanaliseer nie, siende dat vele faktore ’n rol speel by grootskaalse vervaardiging wat uiters moeilik is om voor die tyd te voorspel en buite die omvang van die tesis lê.

Dielectric resonator antenna (DRA) technologies are applicable to a wide variety of mobile wireless communication systems. The principal energy loss mechanism for this type of antenna is the dielectric loss, and then using modern ceramic materials, this may be very low. These antennas are typically of small size, with a high radiation efficiency, often above 95%; they deliver wide bandwidths, and possess a high power handling capability. The principal objectives of this thesis are to investigate and design DRA for low profile personal and nomadic communications applications for a wide variety of spectrum requirements: including DCS, PCS, UMTS, WLAN, UWB applications. X-band and part of Ku band applications are also considered. General and specific techniques for bandwidth expansion, diversity performance and balanced operation have been investigated through detailed simulation models, and physical prototyping. The first major design to be realized is a new broadband DRA operating from 1.15GHz to 6GHz, which has the potential to cover most of the existing mobile service bands. This antenna design employs a printed crescent shaped monopole, and a defected cylindrical DRA. The broad impedance bandwidth of this antenna is achieved by loading the crescent shaped radiator of the monopole with a ceramic material with a permittivity of 81. The antenna volume is 57.0  37.5  5.8 mm3, which in conjunction with the general performance parameters makes this antenna a potential candidate for mobile handset applications. The next class of antenna to be discussed is a novel offset slot-fed broadband DRA assembly. The optimised structure consists of two asymmetrically located cylindrical DRA, with a rectangular slot feed mechanism. Initially, designed for the frequency range from 9GHz to 12GHz, it was found that further spectral improvements were possible, leading to coverage from 8.5GHz to 17GHz. Finally, a new low cost dual-segmented S-slot coupled dielectric resonator antenna design is proposed for wideband applications in the X-band region, covering 7.66GHz to 11.2GHz bandwidth. The effective antenna volume is 30.0 x 25.0 x 0.8 mm3. The DR segments may be located on the same side, or on opposite sides, of the substrate. The end of these configurations results in an improved diversity performance.

Ultra wideband (UWB) communications has been a subject of much discussion over the last decade. The method of UWB has had a hard time to establish itself among other methods such as Bluetooth and WiFi but as internet of things (IoT) gains a foothold in our daily lives, UWB has presented some new application areas. These application areas are, among other things, self driving cars, energy efficient data transfer, health care applications, sensor networks and real time location systems. This project aims to use UWB communications to real-world applications, specifically, electrocardiography (ECG) - an application in health care in this project, and develop a prototype for the application. The prototype consists of two Android smart phones and two UWB modules (EVK1000 evaluation kits from DecaWave, Inc). Each smartphone connects a UWB module so that the two smart phones, one as sender and the other as receiver, can communicate directly through UWB radios. This is intended to serve as a proof-of-concept that UWB devices are well suited for short range data transfer applications. The result achieved by the project is an android application along with sending and receiving programs for the development boards by Decawave and additional information regarding UWB and its uses. The results also include a comparison of UWB, Bluetooth and WiFi as of todays standard. The goal of the project is to learn how android applications are programmed, how UWB is used in todays technology and how to program and use development boards presented by companies. The prototype has been built and shown that 12-lead simulated ECGsignals from the sender can be transfered to the receiver through the UWB communications. The work includes programming (in C) the two UWB modules for UWB communications, and Java for the android applications (programs) on the smart phones. The Android application is handling transmission of ECG signals to the sending UWB module and then receiving them from the receiving UWB module as well as displaying them on the receiver. The future work to continue the present project is to replace the sending smart phone by an ECG device that sends real ECG signals.