[논문]초고속 무선 통신을 위한 저전력 모뎀 SoC 설계

김용성; 임용석; 홍대기

초고속 무선 통신을 위한 저전력 모뎀 SoC 설계
Low Power SoC Modem Design for High-Speed Wireless Communications 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.9 no.2, 2010년, pp.7 - 10

김용성 (전자부품연구원) , 임용석 (전자부품연구원) , 홍대기 (상명대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we design a modem SoC (System on Chip) for low power consumption and high speed wireless communications. Among various schemes of high speed communications, an MB-OFDM (Multi Band-Orthogonal Frequency Division Multiplexing) UWB (Ultra-Wide-Band) chip is designed. The MB-OFDM uses wide-band frequency to provide high speed data rate. Additionally, the system imposes no interference to other services. The 90nm CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) technology is used for the SoC design. Especially, power management mode is implemented to reduce the power consumption.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 MB-OFDM 방식의 UWB 모뎀의 설계하고 이를 SoC (System on Chip)로 구현한 결과를 제시한다. 구현된 SoC는 고속의 데이터 율을 제공하기 위해 OFDM 시스템을 사용하며 다른 시스템에 간섭을 주지 않는다.
SoC 구현을 위해 90 nm COMS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 기술을 사용하였다. 본 설계에서는 특히 SoC의 저전력 소비를 구현하기 위한 전력 관리 모드를 구현하였다.

제안 방법

그러나 전력 소비가 많은 AFE Block에서의 RX/TX Data Path는 OFF 되어 소비전력을 최소화 한다. READY상태에서 데이터 송신을 위해서는 TX 상태로 전이 되고 이때 AFE의 RX Data Path는 OFF되어 잉여 소비를 최소로 하고, 수신을 위해서는 RX 상태로 전이 되어 AFE의 TX Data Path를 OFF 하여 전력소비를 최소화 하였다. TX상태 및 RX 상태에서의 동작을 완료하면 READY상태로 복귀하고 전송이 없으면 SLEEP 상태로 전이된다.
동적 전류 소비를 최소화하기 위해 본 설계에서는 Clock을 세분화 하여 그림 5와 같이 구현하였으며 기능별로 블록화 하여 각각의 블록에 따라 Power Management에서 관리하도록 처리되어 있다. 즉, Power Management는 마스터와의 스케줄링 결과에 따라 적절한 모드로 동작을 수행하기 위한 로직을 컨트롤한다.
수신부에서의 수신 데이타는 S/ P 블록을 통과하여 DFE(Digital-Front-End)로 입력된다. 입력된 데이터를 이용하여 패킷 검출 회로는 대략적인 심볼의 위치를 찾게 되고, 이를 바탕으로 AGC(Auto Gain Control)을 수행한다. S/P를 거친 수신 테이터는 심볼 동기회로, RF단에서 발생한 캐리어 오프셋을 보상하는 회로, 256 FFT, FEQ 및 Viterbi 복호기 등의 블록을 거쳐서 MAC 단으로 전송된다.
저전력 소비를 구현하기 위하여 본 설계에서는 그림 4의 다이어그램과 같이 파워 모드를 분류하여 구현하였다[4]. POR 상태에서 파워가 ON되면 외부 느린 클럭 소스로 동작을 하고 시스템 초기화 및 모뎀 초기화 과정을 수행한다.
모뎀 부분에서 PHY블록은 그림 2와 같은 형태로 구성되어 있다. 코어 블록인 IFFT/ FFT(Inverse Fast Fourier Transform/ Fast Fourier Transform)는 256 포인트로 구현되어 있으며 핵심 연산부는 Radix-4형태로 구현을 하였다.

대상 데이터

본 설계를 통한 회로는 인피니언 90 nm CMOS 공정으로 설계되었다. 그림 8은 본 설계에서 구현된 하드웨어의 FloorPlan을 나타낸 그림이다.

이론/모형

구현된 SoC는 고속의 데이터 율을 제공하기 위해 OFDM 시스템을 사용하며 다른 시스템에 간섭을 주지 않는다. SoC 구현을 위해 90 nm COMS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 기술을 사용하였다. 본 설계에서는 특히 SoC의 저전력 소비를 구현하기 위한 전력 관리 모드를 구현하였다.

성능/효과

그림 6는 각 모드에 따라 예측되는 파워 소비를 나타낸 결과이다. 결과에도 볼 수 있듯이 READY 및 SLEEP모드에서 예측되는 소비전력이 세분화된 전력 관리 스케줄링에 따라 많은 향상이 있었음을 보여준다.

후속연구

저전력 소비의 UWB 모뎀칩을 구현하기 위해서는 많은 방법이 소개되었지만 여전히 가장 핵심부는 알고리즘 단계에서의고려와 시스템 레벨에서 운용의 방법이다. 본 논문에서는 시스템 레벨에서 운용 시 전송모드의 특성을 적절히 배분하여 불필요한 동작을 최대한 줄임으로서 잉여 전력소비를 막고 시장 경쟁력을 확보할 수 있음을 기대할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	UWB란 어떤 기술방식인가?	최근 들어 통신, 방송을 중심으로 한 다양한 신규 무선 기술이 개발되어 서비스가 도입되고, 각종 산업에서 무선 서비스에 대한 수요가 급격히 확대됨에 따라 주파수에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 상황이다. UWB(Ultra-Wideband)는 낮은 전력으로 초 광대역 통신을 실현하는 근거리 무선통신기술로써 이러한 주파수 부족 현상을 넘어서서 신규 기술을 도입할 수 있는 획기적인 기술방식이다.
	주파수에 대한 수요가 증가하게 된 배경은?	최근 들어 통신, 방송을 중심으로 한 다양한 신규 무선 기술이 개발되어 서비스가 도입되고, 각종 산업에서 무선 서비스에 대한 수요가 급격히 확대됨에 따라 주파수에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 상황이다. UWB(Ultra-Wideband)는 낮은 전력으로 초 광대역 통신을 실현하는 근거리 무선통신기술로써 이러한 주파수 부족 현상을 넘어서서 신규 기술을 도입할 수 있는 획기적인 기술방식이다.
	송신부에서 송신데이터를 스크램블하고 컨볼루션 인코 더를 통과한 후 전송모드에 따라서 펑쳐링 과정을 거친 뒤 어떤 과정이 진행되는가?	송신부는 송신데이터를 스크램블하고 컨볼루션 인코 더를 통과한 후 전송모드에 따라서 펑쳐링 과정을 거친다. 그 후 인터리버를 거치고 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 또는 DCM(Dual Carrier Modulation)기법으로 변조된다[4]. 변조된심볼은 IFFT를 통과하여 AFE단으로 전송된다. 수신부에서의 수신 데이타는 S/ P 블록을 통과하여 DFE(Digital-Front-End)로 입력된다. 입력된 데이터를 이용하여 패킷 검출 회로는 대략적인 심볼의 위치를 찾게 되고, 이를 바탕으로 AGC(Auto Gain Control)을 수행한다. S/P를 거친 수신 테이터는 심볼 동기회로, RF단에서 발생한 캐리어 오프셋을 보상하는 회로, 256 FFT, FEQ 및 Viterbi 복호기 등의 블록을 거쳐서 MAC 단으로 전송된다.

참고문헌 (4)

MultiBand OFDM Alliance (MBOA) Special Interest Group (SIG) / Wimedia Alliance, Inc. (WiMedia), "Multi-Band OFDM Physical Layer Specification," Release 1.1, July, 2005.
J. G. Proakis, Digital Communications, 4th ed. New York: McGraw-Hill, 2001.
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.

상세보기
Alexandre Lewicki, "Power Consumption Analysis of a Bluetooth over Ultra Wideband System", IEEE 2007.

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