본 논문은 고속 무선 통신을 위한 모뎀 설계에 관한 것이다. 고속 통신을 위한 기술에는 여러 가지가 있는데, 그 중 넓은 주파수를 사용하고 여타 서비스에 주파수 간섭을 일으키지 않는 기술인 MB-OFDM (Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식의 UWB (Ultra-Wideband) 모뎀의 SoC (System-on-Chip) 칩을 설계하였다. 개발된 모뎀 SoC 칩의 기저대역 시스템은 WiMedia에서 정의한 표준안을 따라서 설계되었다. 설계된 SoC 칩은 코어 부분인 FFT/lFFT (Fast Fourier Transform/lnverse Fast Fourier Transform), 송신부, 심볼동기 및 주파수 오프셋 추정부, 비터비 디코더, 그리고 기타 수신부등으로 구성되어 있다. 반도체 공정은 90nm CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 공정을 사용하였고, 칩 사이즈는 약 5mm x 5mm 이다. 2009년 7월 20일에 fab-out되었다.
본 논문은 고속 무선 통신을 위한 모뎀 설계에 관한 것이다. 고속 통신을 위한 기술에는 여러 가지가 있는데, 그 중 넓은 주파수를 사용하고 여타 서비스에 주파수 간섭을 일으키지 않는 기술인 MB-OFDM (Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식의 UWB (Ultra-Wideband) 모뎀의 SoC (System-on-Chip) 칩을 설계하였다. 개발된 모뎀 SoC 칩의 기저대역 시스템은 WiMedia에서 정의한 표준안을 따라서 설계되었다. 설계된 SoC 칩은 코어 부분인 FFT/lFFT (Fast Fourier Transform/lnverse Fast Fourier Transform), 송신부, 심볼동기 및 주파수 오프셋 추정부, 비터비 디코더, 그리고 기타 수신부등으로 구성되어 있다. 반도체 공정은 90nm CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 공정을 사용하였고, 칩 사이즈는 약 5mm x 5mm 이다. 2009년 7월 20일에 fab-out되었다.
This paper presents a modem chip design for high-speed wireless communications. Among the high-speed communication technologies, we design the UWB (Ultra-Wideband) modem SoC (System-on-Chip) Chip based on a MB-OFDM scheme which uses wide frequency band and gives low frequency interference to other c...
This paper presents a modem chip design for high-speed wireless communications. Among the high-speed communication technologies, we design the UWB (Ultra-Wideband) modem SoC (System-on-Chip) Chip based on a MB-OFDM scheme which uses wide frequency band and gives low frequency interference to other communication services. The baseband system of the modem SoC chip is designed according to the standard document published by WiMedia. The SoC chip consists of FFT/IFFT (Fast Fourier Transform/Inverse Fast Fourier Transform), transmitter, receiver, symbol synchronizer, frequency offset estimator, Viterbi decoder, and other receiving parts. The chip is designed using 90nm CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) procedure. The chip size is about 5mm x 5mm and was fab-out in July 20th, 2009.
This paper presents a modem chip design for high-speed wireless communications. Among the high-speed communication technologies, we design the UWB (Ultra-Wideband) modem SoC (System-on-Chip) Chip based on a MB-OFDM scheme which uses wide frequency band and gives low frequency interference to other communication services. The baseband system of the modem SoC chip is designed according to the standard document published by WiMedia. The SoC chip consists of FFT/IFFT (Fast Fourier Transform/Inverse Fast Fourier Transform), transmitter, receiver, symbol synchronizer, frequency offset estimator, Viterbi decoder, and other receiving parts. The chip is designed using 90nm CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) procedure. The chip size is about 5mm x 5mm and was fab-out in July 20th, 2009.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 MB-OFDM 방식의 UWB 모뎀을 설계하고 SoC로 구현한 결과를 소개하고 있다. 개발된 모뎀 SoC 칩의 기저대역 시스템은 WiMedia 에서 정의한 표준안을 따라서 설계되었다.
본 논문에서는 MB-OFDM 방식의 UWB 모뎀의 SoC 칩을 설계하였다. 개발된 모뎀 SoC 칩의 기저 대역 시스템은 WiMedia에서 정의한 표준안을 따라서 설계하였다.
제안 방법
90nm 공정을 사용했지만 layout상에서 타이밍이 잘 나오지 않는 부분이 몇 부분이 있었고 이를 극 복하기 위해서 합성 툴에서 최적화를 여러 번 수행 하였다
아래의 그림은 FFT의 fix-point시뮬레이션 결과를 보여준다. QPSK와 DCM 모드에 따라서 각각 시뮬 레이션을 했으며, FFT의 twiddle factor와 각 단에 서의 버터플라이 연산후의 데이터 비트의 크기에 따른 FFT-S] SQNR (Signal to Quantization Noise Ratio)를 계산하였다. 二同 6은 QPSK 모드에서의 결과이고, 그림 7은 DCM모드에서의 시뮬레이션 결 과이다.
본 논문에서는 MB-OFDM 방식의 UWB 모뎀의 SoC 칩을 설계하였다. 개발된 모뎀 SoC 칩의 기저 대역 시스템은 WiMedia에서 정의한 표준안을 따라서 설계하였다. 설계된 SoC는 2009년 3월30일에 fab-in되어 7월 20일에 fab-out되었다.
본 논문에서는 MB-OFDM 방식의 UWB 모뎀을 설계하고 SoC로 구현한 결과를 소개하고 있다. 개발된 모뎀 SoC 칩의 기저대역 시스템은 WiMedia 에서 정의한 표준안을 따라서 설계되었다. 설계된 SoC 칩은 코어 부분인 FFT/IFFT (Fast Fourier Transform/Inverse Fast Fourier Transform), 송신부, 심볼동기 및 주파수 오프셋 추정부, 비터비 디코더, 그리고 기타 수신부등으로 구성되어 있다.
각각의 주파수 오프셋이 양수이기 때문에 추정된 에러는 0에 근접한 일정한 값이고 누적치는 시간의 흐름에 대해서 계속 증가하여 주파수 오프 셋을 따라 가고 있음을 알 수 있다. 본 설계에서는 추정된 값이 누적할 때 적당량 크기를 조절하기 때문에 누적치가 일정한 선형이 되도록 하였다. 그렇 지 않으면 누적치가 출렁거리게 되어 성능에 영향을 줄 가능성이 크게 된다.
FFT에 입력되는 데이터는 Zero-suffix구간을 고려하여 overlap & add 과정을 필요로 한다. 이때, ADC의 샘플링 타이밍 오프셋(+-20ppm)을 고려하여 정확한 심볼의 시작지점보다 몇 샘플 더 앞을 심볼의 시작점으로 선택하여 FFT를 수행하도록 설 계하였고 시작지점은 소프트웨어로 제어가 가능하도 록 되어있다.
이때 사용되는 복소곱셈기 는 AGC에서 사용되는 것과 같은 구조이기 때문에 동작시간의 차이에 의해 서로 공유할 수 있도록 설 계되었다. 이러한 보상후에 남아 있는 캐리어 오프 셋은 FEQ (Frequency Equalizer) 뒤에서 다시 한번 잔류 오프셋 추정/보상을 하도록 하였다.
수신데이터는 S/P 블록을 통과하여 DFE (Digital- Front-End)로 입력된다. 입력된 데이터를 이용하여 패킷 검출 회로는 대략적인 심볼의 위치를 찾게 되 고, 이를 바탕으로 AGC (Auto Gain Control)을 수 행한다. AGC가 완료된 데이터는 수신기가 오버플 로우를 발생시키지 않고 올바르게 동작할 수 있는 상태가 된다.
디지털 회로의 대부분을 차지하는 PHY블록은 다음과 같은 형태로 구성되어 있다. 코어 블록인 IFFT/FFT는 256 포인트로 구현되어 있으며 핵심 연산부는 Radix-4 형태로 구현을 하였다. 본 모뎀은 송신과 수신이 동시에 이루어지는 형태가 아니므로 1개의 블록으로 송수신 동작형태에 따라서 FFT 또는 IFFT로 동작하게 된다.
대상 데이터
설계된 SoC 칩은 코어 부분인 FFT/IFFT (Fast Fourier Transform/Inverse Fast Fourier Transform), 송신부, 심볼동기 및 주파수 오프셋 추정부, 비터비 디코더, 그리고 기타 수신부등으로 구성되어 있다. 반도체 공정은 90nm CMOS (Complementary Metal-Oxide -Semiconductor) 공정을 사용하였고, 칩 사이즈는 약 5mm X 5mm이다. 본 논문에서 설계과정 및 결과는 UWB 모뎀을 설계하려는 산업체의 설계 기초 자료로 활용될 수 있다.
본 설계를 통한 회로는 90nm CMOS 공정으로 제작되었다. 사이즈의 최적화를 위해서 dual port 메모리의 경우 256byte를 넘지 않으면 register로 구 현을 하고 그 이상의 경우는 메모리 셀을 사용하여 구현하였다.
개발된 모뎀 SoC 칩의 기저대역 시스템은 WiMedia 에서 정의한 표준안을 따라서 설계되었다. 설계된 SoC 칩은 코어 부분인 FFT/IFFT (Fast Fourier Transform/Inverse Fast Fourier Transform), 송신부, 심볼동기 및 주파수 오프셋 추정부, 비터비 디코더, 그리고 기타 수신부등으로 구성되어 있다. 반도체 공정은 90nm CMOS (Complementary Metal-Oxide -Semiconductor) 공정을 사용하였고, 칩 사이즈는 약 5mm X 5mm이다.
이 시퀀스는 시간 축에서의 최대값이 클리핑이 생기지 않도록 적당하 게 선택된 값이며, 심볼동기에 사용이 된다. 설계된 모뎀에서는 오버 샘플링이 적용되어 표준안에서 제안된 128개의 값보다 2배 많은 256개의 값이 사용 이 되었는데, 심볼동기회로의 복잡도를 줄이기 위해 이 중 절반인 128개만이 사용되었다. PHY단에서는 TFC값에 따른 시퀀스를 모두 가지고 있고, MAC에서 내려온 정보에 따라서 특정 TFC에 해당하는 시 퀀스로 패킷 검출 및 심볼 동기과정을 수행하게 된다.
이론/모형
MB-OFDM UWB는 주파수 호핑 방식 [4] 도 포함이 되어 있기 때문에 주파수별 채널 왜곡을 각각 보상할 수 있도록 그림 8처럼 설계되었고, 채널추정은 식(1)에 따라서 계산된다. 나눗셈은 하드웨어 사이즈를 간략하 게 할 수 있도록 개발된 알고리즘을 사용하였다
성능/효과
이 회로는 병렬로 입력되는 데이터를 매 클럭 마다 곱셈기 및 덧셈기를 동작시켜야 하기 때문에 매우 복잡하게 구현될 수 있다. 따라서 곰셈기의 사 용을 최대한 억제하고, 다양한 채널 환경에서 심볼 동기 회로가 잘 동작할 수 있는 범위내에서 심볼동 기를 위한 데이터의 개수도 최소화하였다.
위의 그림 10은 잔류 캐리어 오프셋 주파수 추정 회로와 샘플링 주파수 오프셋 추정 회로의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 설계된 verilog코드는 각각 +40ppm의 주파수 오프셋이 있는 환경에 동작하고 있으며 초기 캐리어 주파수 오프셋이 추정 및 보상 된 후 약 l~2ppm의 잔류 캐리어 주파수 오프셋과 +40ppm의 샘플링 주파수 오프셋이 있는 상황에서 설계된 회로가 정상적으로 동작하고 있음을 보여주고 있다. 각각의 주파수 오프셋이 양수이기 때문에 추정된 에러는 0에 근접한 일정한 값이고 누적치는 시간의 흐름에 대해서 계속 증가하여 주파수 오프 셋을 따라 가고 있음을 알 수 있다.
가로축은 FFT의 twiddle factor의 비트수이고 세 로축 SQNRe dB 단위로 표시하였다. 시뮬레이션을 통해서 twiddle factor는 최소 8bit 이상이 필요 하고 lObit 이상이 되면 최적의 성능을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 버터플라이 연산후의 데이터 비트 8bit 이상이 되면 24dB 이상의 SQNR을 얻을 수 있다
후속연구
반도체 공정은 90nm CMOS (Complementary Metal-Oxide -Semiconductor) 공정을 사용하였고, 칩 사이즈는 약 5mm X 5mm이다. 본 논문에서 설계과정 및 결과는 UWB 모뎀을 설계하려는 산업체의 설계 기초 자료로 활용될 수 있다.
참고문헌 (10)
ECMA International, Standard ECMA-368, 'High rate ultra wideband PHY and MAC standard,' December 2007
J. G. Proakis, 'Digital Communications, 4th ed'. New York: McGraw-Hill, 2001
J. Terry and J. heiskala, 'OFDM Wireless LANs: A Theoretical and Practical Guide', SAMS, 2002
A. Batra et al., 'Design of a multiband OFDM system for realistic UWB channel environments,' IEEE Trans. Microw. Theory Tech., Vol. 52, No. 9, pp. 2123？2138, Sep. 2004
B. Sahu, D. Sen, R. V. Kumar, and S. Chakrabrti, 'A Frequency Offset Estimation Scheme for OFDM Based UWB Systems,' in Proc. IEEE TENCON 2006, pp. 1-4, Nov. 2006
S.W.Choi, S.S.Choi, '200Mbps Viterbi decoder for UWB', ICACT 2005, pp. 904-907
C. F. Liang, S. I. Liu, Y. H. Chen, T. Y. Yang, and G. K. Ma, 'A 14-band Frequency Synthesizer for MB-OFDM UWB Application,' in Proc. IEEE ISSCC 2006, pp 428-437, Feb. 2006
A. Batra, J. Balakrishnan, G. R. Aiello, J. R. Foerster, and A. Dabak, 'Design of a multiband OFDM system for realistic UWB channel environment,' IEEE Trans. Microw. Techn., Vol. 52, No. 9, pp. 2123？138, Sep. 2004
김정주, 왕우봉, 장경희, 'UWB MB-OFDM 시스템을 위한 심볼 타이밍및 반송파주파수 오프셋 추정 기법,' 한국통신학회논문지, Vol. 31, No. 3A, pp. 232-239, Mar. 2006
J. R. Foerster, et al., 'Channel modeling subcommittee report final,' IEEE P802.15 Working Group for Wireless Personal Area Networks (WPANs). Feb. 2003
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.