UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Håkon A. Hjortland Minidisputas 15/9-2006
advertisement
UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Håkon A. Hjortland Institutt for informatikk Universitetet i Oslo Minidisputas 15/9-2006 Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 1 / 61 Innhold 1 Bakgrunn Introduksjon UWB Radar 2 Sampler Prinsipp Systemnivå-simulering 3 Implementasjon Krets Målinger Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 2 / 61 Bakgrunn Introduksjon Innhold 1 Bakgrunn Introduksjon UWB Radar 2 Sampler Prinsipp Systemnivå-simulering 3 Implementasjon Krets Målinger Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 3 / 61 Bakgrunn Introduksjon Hva er kortholds UWB impuls-radar? Radar, men lavere effekt, kortere rekkevidde og høyere oppløsning enn f.eks. flyradar Sender ut korte radiopulser (ingen bærebølge), ser på refleksjoner fra objekter Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 4 / 61 Bakgrunn Introduksjon Hvorfor kortholds UWB impuls-radar? Spennende anvendelser Medisinsk (hjerte, lunge, hematoma, . . . ) Politi, militær: Se gjennom dører, vegger, . . . Redningsarbeid: Se gjennom kollapsede bygninger, snøskred, . . . Sikring: Alarm “usynlig gjerde” Avstandsmåling: Bil ryggedetektor, krasjdetektor, . . . GPR (Ground Penetrating Radar): Landminer, rør, . . . Og mye annet . . . Enkle systemer Lav effekt Billig CMOS kjapp nok Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 5 / 61 Bakgrunn Introduksjon Inspirasjonskilder MIR (Micropower Impulse Radar) laget av McEwan Kontinuerlig-tid kvantisert amplitude signalbehandling brukt i masteroppgavene til Kjetil Meisal og Claus Limbodal Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 6 / 61 Bakgrunn UWB Innhold 1 Bakgrunn Introduksjon UWB Radar 2 Sampler Prinsipp Systemnivå-simulering 3 Implementasjon Krets Målinger Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 7 / 61 Bakgrunn UWB “UWB båndet” UWB: Ultra Wide Band UWB-IR: Ultra Wide Band Impulse Radio Ulisensiert bånd nylig frigitt i USA 3.1–10.6 GHz 7.5 GHz båndbredde! Lav tillatt effekt, max 0.6 mW Spektralmasker definert (en for innendørsbruk, en for håndholdte enheter) Frekvens-skiftede Gaussiske pulser fyller spekteret fint Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 8 / 61 Bakgrunn UWB Monocycle FCC indoor Signal (V) Arbitrary amplitude Signal Signal(V) (V) Arbitrary Arbitraryamplitude amplitude FCC FCChandheld handheld Signal (V) Arbitrary amplitude Eksempler på frekvens-skiftede Gaussiske UWB-pulser 1 Baseband Gaussian pulse Frequency shifted 0.5 0 -0.5 -1 1 Baseband Gaussian pulse Frequency shifted 0.5 0 -0.5 -1 1 Baseband Gaussian pulse Frequency shifted 0.5 0.5 0 0 -0.5 -0.5 -1 -1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Time (ns) Figur: Eksempler på frekvens-skiftede Gaussiske UWB-pulser Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 9 / 61 Bakgrunn UWB Spektrum for Gaussiske UWB-pulser -20 FCC indoor FCC handheld Constraint points 7.5 GHz bandwidth -30 Center frequency: 6.85 GHz 3.1 GHz 10.6 GHz -50 10 dB drop cyc o Mon le 20 dB drop -70 ld -60 dhe or do F CC in han -80 -90 −41.3 dBm/MHz FC C EIRP power (dBm/MHz) -40 Sweep of center frequency phase -100 0.1 1 10 Frequency (GHz) 100 1000 Figur: Spektrum for Gaussiske UWB-pulser Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 10 / 61 Bakgrunn Radar Innhold 1 Bakgrunn Introduksjon UWB Radar 2 Sampler Prinsipp Systemnivå-simulering 3 Implementasjon Krets Målinger Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 11 / 61 Bakgrunn Radar Grunnleggende om radar Prinsipp: Send ut radioenergi, observer reflektert energi Reflektert energi går med 1/R 4 Hovedproblem: Lav SNR Tradisjonell radar fikser dette ved bruk av høy effekt eller pulskoding (f.eks. Barker codes). Begge løsinger krever avansert elektronikk. Kortholdsradar: R liten ⇒ god nok SNR ⇒ enkel elektronikk Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 12 / 61 Bakgrunn Radar Radar / impuls-radar grunnprinsipp Backscatter Target Ideal signal Noisy signal + Transmitter Noise (σN ) (Radio interference / thermal noise) Figur: Radar / impuls-radar grunnprinsipp Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 13 / 61 Sampler Prinsipp Innhold 1 Bakgrunn Introduksjon UWB Radar 2 Sampler Prinsipp Systemnivå-simulering 3 Implementasjon Krets Målinger Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 14 / 61 Sampler Prinsipp Samplerens oppgave Ingen bærebølge å demodulere ⇒ Er interessert i rå utlesing av signalet fra mottakerantennen Minimum 2 · 6.85 GHz = 13.7 GHz samplingsrate! Alternativt kun deteksjon av f.eks. første ekko (avstandsmåler) Sampling f.eks. hvert mikrosekund: Lite endring i de observerte objektene. Kan bruke dette til å midle ut støyen. Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 15 / 61 Sampler Prinsipp Strobed sampler Backscatter Target Ideal signal Noisy signal τ SendPulse τ + Transmitter Vin Vin (τ ) Noise (σN ) (Radio interference / thermal noise) Sample τ Figur: Strobed sampler Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 16 / 61 Sampler Prinsipp Probability PDF (Probability Density Function) for en samplet verdi Ideal Vin (τ ) Noise (σN ) Sampled Vin (τ ) Figur: PDF (Probability Density Function) for en samplet verdi Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 17 / 61 Sampler Prinsipp Averaging sampler prinsipp Sample Averaging sampler Vin Vin (τ ) 1X n n σN Vin σN recovered (τ ) recovered < σN Averaging reduces noise Figur: Averaging sampler prinsipp Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 18 / 61 Sampler Prinsipp Analog average sampler (referanse-sampler) Sample Vin Analog average of multiple samples Vin (τ ) Vin 1X Vin (τ ) n n recovered (τ ) Figur: Analog average sampler (referanse-sampler) Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 19 / 61 Sampler Prinsipp Thresholded sampler — Passer til CMOS VT Thresholder Vin Flip-flop + − D Q VT Sample Figur: Thresholded sampler — Passer til CMOS Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 20 / 61 Sampler Prinsipp Swept threshold sampler Target VT τ Vin Transmitter + − VT EN τ Counter Reset Sample Sweep PRF = 1 MHz 1 ms 1. Reset counter 2. Send 1000 pulses while sweeping VT from min to max 3. Read counter Control logic Figur: Swept threshold sampler Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 21 / 61 Sampler Prinsipp Swept threshold sampler — detaljer Threshold levels (VT ) ∆VT = 0.1 1 Vin +1σN = +1 · 0.1 Ideal Vin −1σN = −1 · 0.1 0 τ t “Cross section” at t = τ Probability Vin (τ ) PDF Ideal Vin (τ ) = 0.65 Noise (σN = 0.1) 1 Noisy Vin (τ ) 0 First Second Third Fourth Threshold levels (VT ) ∆VT = 0.1 run: run: run: run: 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 = 6/9 = 7/9 = 5/9 = 6/9 Sampled values for each of the threshold levels =⇒ =⇒ =⇒ =⇒ Vin Vin Vin Vin recovered recovered recovered recovered = 0.65 = 0.75 = 0.55 = 0.65 Noise in Vin recovered (σN recovered ) Figur: Swept threshold sampler — detaljer Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 22 / 61 Sampler Prinsipp Stochastic resonance sampler VT = 0.5 τ Vin + − VT = 0.5 EN Counter Sample Figur: Stochastic resonance sampler Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 23 / 61 Sampler Prinsipp Probability Stochastic resonance sampler — detaljer Ideal Vin (τ ) = 0.65 Noise (σN = 0.1) 0 0.5 1 Vin (τ ) P(Vin (τ ) > 0.5) = 93% =⇒ P(Vin (τ ) > 0.5) 100% (0.65, 93%) 50% 1000 samples: Counter ≈ 930 0% 0 0.5 1 Ideal Vin (τ ) Figur: Stochastic resonance sampler — detaljer Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 24 / 61 Sampler Systemnivå-simulering Innhold 1 Bakgrunn Introduksjon UWB Radar 2 Sampler Prinsipp Systemnivå-simulering 3 Implementasjon Krets Målinger Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 25 / 61 Sampler Systemnivå-simulering Simulering Støy i signalet som skal samples: σN Gjør n repeterte samplinger og midler enkelsamplene Støy i gjenskapt signal etter midling: σN recovered Er interessert i hvordan σN og n påvirker σN recovered Systemnivå-simulering gjort i Octave (Matlab-klon) Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 26 / 61 Sampler Systemnivå-simulering Simulering: Forklaring av PDF-er Vin Counter recovered (τ ) Translated from counter value to Vin recovered (τ ) PDF for a given ideal Vin (τ ). For instance: If the ideal Vin (τ ) = 0.65, what is the probability of Vin recovered (τ ) = 0.64, max 1 Vin recovered (τ ) = 0.65 or Vin recovered (τ ) = 0.66? White = 0% Black = 100% 0 0 0 1 Ideal Vin (τ ) 0 1 Ideal Vin (τ ) Figur: Simulering: Forklaring av PDF-er Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 27 / 61 Sampler Systemnivå-simulering Simulering: Swept threshold PDF-er PDFs of counter σN 3.2 3.2 1 1 0.32 0.32 0.1 0.1 0.032 0.032 0.01 0.01 10 100 1’000 PDFs of Vin σN 10’000 n 10 100 recovered (τ ) 1’000 10’000 n Figur: Simulering: Swept threshold PDF-er Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 28 / 61 Sampler Systemnivå-simulering Simulering: Stochastic resonance PDF-er PDFs of counter σN 3.2 3.2 1 1 0.32 0.32 0.1 0.1 0.032 0.032 0.01 0.01 10 100 1’000 PDFs of Vin σN 10’000 n 10 100 recovered (τ ) 1’000 10’000 n Figur: Simulering: Stochastic resonance PDF-er Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 29 / 61 Sampler Systemnivå-simulering som funksjon av σN og n recovered σN recovered (max RMS error of Vin recovered(τ)) σN Stocha 1 0.1 stic res ona nce 0.01 0.001 10-4 An alo g 10-5 10-6 Sw ept ave r ag e 10-7 thr esh o ld 1 0.1 10-8 1 10 0.01 100 1000 104 n Figur: σN Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) recovered σN 0.001 5 10 106 107 108 10-4 som funksjon av σN og n UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 30 / 61 Sampler Systemnivå-simulering Hvis en gitt σN recovered ønskes, hvor høy må n være? Desired σN recovered = 0.001, 0.00316, 0.01 (graphs from top to bottom) 8 10 107 n (Samplings required) 106 105 104 1000 100 10 1 0.1 10-4 Stochastic resonance Swept threshold Analog average 0.001 0.01 0.1 1 10 σN Figur: Hvis en gitt σN Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) recovered ønskes, hvor høy må n være? UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 31 / 61 Sampler Systemnivå-simulering Sammenligning av samplingsmetoder Desired σN recovered = 0.001, 0.00316, 0.01 (graphs from top to bottom) Ratio of samplings required 1000 100 10 nStochastic resonance / nAnalog average nSwept threshold / nAnalog average 1.56 1 10-4 0.001 0.01 0.1 1 10 σN Figur: Sammenligning av samplingsmetoder Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 32 / 61 Sampler Systemnivå-simulering Gode samplere ved mye støy Swept threshold / stochastic resonance nesten like bra som analog average ved mye støy! Disse er relativt enkle, praktiske kretser, så dette resultatet er veldig interessant Tilfeldig oppdagelse, ikke planlagt eller forutsett Videre forskning: Sørge for at samplerne har mye input-støy selv om det egentlige input-signalet har lite støy. Gjøre dette uten å eksplisitt legge til støy. Idé: Mange parallelle, lav-strøm og støyete tersklere koblet på inngangen istedenfor én lav-støy LNA som trekker mye strøm. Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 33 / 61 Implementasjon Krets Innhold 1 Bakgrunn Introduksjon UWB Radar 2 Sampler Prinsipp Systemnivå-simulering 3 Implementasjon Krets Målinger Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 34 / 61 Implementasjon Krets Systemoversikt Swept threshold sampler implementert i 90 nm CMOS prosess 64× parallell struktur. Sampler ved 64 forskjellige τ , gir bedre utnyttelse av utsendt energi. Digital serielt interface (SPI-lignende) Pulsgenerator laget av Håvard Moen LNA laget av Kjetil Meisal (sponset av Novelda) Terskler laget sammen med Claus Limbodal (sponset av Novelda) Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 35 / 61 Implementasjon Krets Blokkskjema PulseSelect1 PulseSelect2 SendPulse Pulse generator AntennaTx MOSI SCLK Exec MediumTune[6] CoarseTune[6] τ “SPI” ResetCounter CounterFirstBit CounterNextBit Sample 64 × τ 64 × sampler SignalOverride SignalOverrideValue ForceDistributeSignal CounterBit LNAout LNA Thresholder AntennaRx+ AntennaRx− Buffer 10 kΩ Threshold Figur: Blokkskjema Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 36 / 61 Implementasjon Krets Common-source terskler 8 kΩ 8 kΩ 0.6 0.1 0.6 0.1 ×8 Gain=2.5 Gain=2.5 Figur: Common-source terskler Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 37 / 61 Implementasjon Krets Bode-plott for forskjellige forsterkerelementer Gain Inverter 2.5 Common source amplifier 13.6 GHz f Figur: Bode-plott for forskjellige forsterkerelementer Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 38 / 61 Implementasjon Krets Programmerbart initial delay In τ1 τ2 τ1 τ2 τ1 τ2 Medium tune Out Coarse tune Figur: Programmerbart initial delay Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 39 / 61 Implementasjon Krets Digital sampler Sample τ τ τ To counter Signal Figur: Digital sampler Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 40 / 61 Implementasjon Krets Skjematikk (ekskl. pulsgenerator og frontend) Figur: Skjematikk (ekskl. pulsgenerator og frontend) Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 41 / 61 Implementasjon Krets Layout Pulse generator Serial digital interface Other projects Progammable initial delay Delay line 64× sampler Thresholder LNA A single sampler and counter Figur: Layout Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 42 / 61 Implementasjon Krets Fotomikrograf av chip Figur: Fotomikrograf av chip Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 43 / 61 Implementasjon Målinger Innhold 1 Bakgrunn Introduksjon UWB Radar 2 Sampler Prinsipp Systemnivå-simulering 3 Implementasjon Krets Målinger Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 44 / 61 Implementasjon Målinger Måleoppsett Digital IO ved hjelp av TTL IO til USB interface modul Power fra USB Radaren kontrollert fra PC med ruby-script Måling med loop-kabel fra pulsgenerator til input Måling med antenne på pulsgenerator-output og på input LNA virket ikke, så “LNAout” debug-output ble brukt som input Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 45 / 61 Implementasjon Målinger Bilde av måleoppsett Figur: Bilde av måleoppsett Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 46 / 61 Implementasjon Målinger Sweep av terskel No pulse Zoom Zoom Sorted (To compensate LF noise) VT (threshold) With pulse 0 Sample 63 Black: Vin > VT White: Vin < VT Figur: Sweep av terskel Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 47 / 61 Implementasjon Målinger Sweep av initial delay τ for forskjellige kabellengder 68 cm Cable length 95.5 cm ≈3 m Reflections Reflection Figur: Sweep av initial delay τ for forskjellige kabellengder Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 48 / 61 Implementasjon Målinger Måling av samplingsrate — 23 GHz sampler! Short cable Long cable (+27.5 cm) 60 Vin recovered (mV) 40 20 0 ∆Samples = 30.0 -20 0 10 20 30 40 50 60 70 Sample Figur: Måling av samplingsrate — 23 GHz sampler! Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 49 / 61 Implementasjon Målinger Forskjellige pulser fra pulsgeneratoren Dark: Vin recovered low Light: Vin recovered high Tx/Rx coupling on PCB/chip No pulse Strange behavior! Pulse 0 Pulse 1 Pulse 2 Pulse 3 0 Sample 63 “Clutter map” subtracted 0 τ (initial delay) Correlated interference Reflection 255 unit delays Non-linear behavior (Correlated interference and pulse are not simply linearly added) Figur: Forskjellige pulser fra pulsgeneratoren Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 50 / 61 Implementasjon Målinger Sammenligning oscilloscop-avlesning / radar-sampler Radar sampler curve manually DC-shifted and shifted in time to match oscilloscope curve 150 Oscilloscope Radar sampler 100 Signal (mV) 50 0 -50 -100 -150 -200 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time (ns) Figur: Sammenligning oscilloscop-avlesning / radar-sampler Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 51 / 61 Implementasjon Målinger Måling av støy Measurement: PDF Differentiate 0 Sample 63 VT (threshold) VT (threshold) CDF 0 White: P(Vin > VT ) = 100% Black: P(Vin > VT ) = 0% Sample 63 Black: High probability Grey: Zero probability White: Negative probability (erroneous measurement) Figur: Måling av støy Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 52 / 61 Implementasjon Målinger Støy målt til σN = 1.4 mV Probability density for Vin(τ) > VT offset Sweep of 64 samples 0 -15 -10 -5 0 VT offset from mean (mV) 5 10 15 Figur: Støy målt til σN = 1.4 mV Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 53 / 61 Implementasjon Målinger Tidsdomene-måling av støy 100 80 Count 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 Figur: Tidsdomene-måling av støy Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 54 / 61 Implementasjon Målinger FFT av tidsdomene-måling av støy Average of the FFTs of 10 sequences, each 99.2 s long Averaged FFTs Averaged FFTs - smoothed curve Normalized FFT magnitude (dB) 0 -10 -20 -30 -40 0.001 0.01 0.1 1 10 100 Frequency (Hz) Figur: FFT av tidsdomene-måling av støy Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 55 / 61 Implementasjon Målinger Mye støy Mye støy i kretsen Pga. støyete terskler og manglende LNA 8 kΩ motstand i terskleren — gir høy støyspenning Flicker noise — muligens fra transistor i terskleren med lite gate-areal (0.6 × 0.1 µm) Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 56 / 61 Implementasjon Målinger Måling med forskjellig n n 100 300 1’000 3’000 0 Sample 63 100 repeated measurements LF-noise removed 30 LF-noise removed Stochastic resonance Swept threshold 10 Measuring standard deviation of sample 5 (σN recovered ) Figur: Måling med forskjellig n Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 57 / 61 Implementasjon Målinger Swept threshold sampling med forskjellig n σN = 0.0321 1 Swept threshold Swept threshold, LF noise removed Analytic expression σN recovered 0.1 0.01 0.001 1 10 100 n 1000 10000 Figur: Swept threshold sampling med forskjellig n Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 58 / 61 Implementasjon Målinger Stochastic resonance sampling med forskjellig n σN = 0.32 (chosen) 1 Stochastic resonance Stochastic resonance, LF noise removed Analytic expression (for swept threshold) σN recovered 0.1 0.01 0.001 1 10 100 n 1000 10000 Figur: Stochastic resonance sampling med forskjellig n Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 59 / 61 Implementasjon Målinger Måling av hånd i bevegelse foran radaren Clutter map subtracted, LF noise removed Amplified 50× 0 Readout 350 Time (s) Hand inserted in front of antenna Moving hand away from antenna Hand 30 cm away from antenna Moving hand towards antenna Removing hand 0 Sample 63 Figur: Måling av hånd i bevegelse foran radaren Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 60 / 61 Oppsummering Oppsummering Fungerende radar med 23 GHz sampler ble laget Oppdagelse: Enkle samplere som er gode ved mye støy Mye hvit støy og flicker noise Korrelert interferens (Sample output-pinne) Ulinearitet Håkon A. Hjortland (Ifi, UiO) UWB Impulse Radar in 90 nm CMOS Minidisputas 15/9-2006 61 / 61