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TANDEM IR-UWB Kommunikation für drahtlose Sensoren 8 A n n u A l R e p o R t 2 0 0 9 A u S G e w ä H L t e p r o J e K t e – S e L e C t e d p r o J e C t S Impuls-Radio-Ultra-Breitband-Technologie (IR-UWB) gewinnt wegen der enormen Bandbreite und wegen des geringen Energieverbrauchs zunehmend an Interesse für drahtlose Kommunikationssysteme, sowohl für die Forschung als auch für die Industrie. Außerdem ist damit auch eine genaue Lokalisierung im Bereich von cm möglich. Die Hauptanwendungsbereiche sind drahtlose Sensoren, wo der Energieverbrauch extrem gering sein muss. Im Projekt TANDEM soll ein hoch energieeffizientes IR-UWB-Kommunikationssystem entwickelt und implementiert werden, das kompatibel zum Standard IEEE 802.15.4a ist. Die Blockdiagramme für dieses System sind in Abb. 7 dargestellt. Es wird ein Transceiver mit einem nicht-kohärenten Empfänger in der Technologie SGB25V des IHP entwickelt. Das IR-UWB-Radio besteht aus zwei Teilen: aus dem Hochfrequenz-Teil und dem digitalen Basisband. Im Basisband werden die folgenden Signalverarbeitungsalgorithmen implementiert: Kanalkodierung & Dekodierung, Pulse Position Modulation & Demodulation und Binary Phase Shift Keying Modulation & Demodulation. Datenpakete beinhalten sogenannte Preamblesymbole um den Empfänger aufzusynchronisieren und den Verstärker zu regeln. Es wird eine Lösung für die Mandatory im High Band 7,9872 GHz entwickelt, welches für die Datenrate von 850 kbit /s spezifiziert ist. Innerhalb eines Symbols mit einer Dauer von 1024 ns werden 2 Bits übertragen, eines davon wird als Position von einem Burst aus 16 Chips von jeweils 2 ns Dauer dargestellt und der andere wird durch die Polarität repräsentiert. Deswegen muss der Empfänger erst die Position von dem Burst und danach die Polarität detektieren, um 2 Bits aus einem Symbol zu gewinnen. 2 ns Gaußsche Impulse werden dann auf 7,9872 GHz hoch gemischt. Reed Solomon und Faltungskodierungsschema werden im Basisband verwendet um Bitfehler am Empfänger zu minimieren. Die Preamble besteht aus einer Ternärsequenz (-1.0,1) mit der Länge 31, worin zwischen den Elementen 15 Nullstellen eingefügt werden. Die tANdeM Ir-uwB Communication for wireless Sensors Impulse radio ultra wideband (IR-uWB) wireless communication systems have been gaining increasing interests in both research and industry especially due to its enormous bandwidth and lower power consuming capabilities. Furthermore, a very accurate localisation in the cm range is possible with IR-uWB. the main application areas are wireless sensors where extremely energy efficient solutions are needed. With the tAnDeM project we aim to develop and implement a low power IR-uWB wireless communication system which is compatible to the standard Ieee 802.15.4a. the block diagram of the complete system is shown in Fig. 7. For simplicity reasons, a transceiver that contains a non-coherent receiver known as energy detector is developed with the technology SGB25V. the IR-uWB radio consist of two different parts mainly radio frequency front end and digital baseband. At the digital baseband, channel coding decoding, pulse position modulation (ppM), demodulation and binary phase shift keying (BpSK) modulation and demodulation are performed. the data packet contains some preamble symbols for synchronisation and gain setting purposes. Mandatory recommendation in high band is developed which suggests data rate to be 850 kbps. Within a symbol with the duration of 1024 ns, 2 bits are transmitted one is contained in the position of a burst consisting of 16 chips each with 2 ns duration and the other one is in the polarity. Hence, the receiver should detect first the position of a burst within a symbol if it is placed in the first or in the second half and second the polarity of the burst. 2 ns Gaussian pulses are then up-converted to the frequency 7.9872 GHz. Reed Solomon and convolution encoding schemes are used to improve the link performance by correcting the bit errors occurring at the receiver. As a preamble a ternary code (-1, 0,1) with the length of 31 is adopted and 15 zeros are inserted between the elements
A u S G e w ä H L t e p r o J e K t e – S e L e C t e d p r o J e C t S Abb. 7: IEEE 802.15.4a IR-UWB drahtloses Kommunikationssystem. Fig. 7: Ieee 802.15.4a IR-uWB wireless communication system. Preamble wird 16, 64, 1024 oder 4096 mal wiederholt. Der Empfänger kann kohärent und nicht-kohärent implementiert werden. Schwerpunkt ist dabei der nicht kohärente Empfänger, in dem die Empfangsenergie über ein Zeitintervall eingesammelt und keine Phasenrückgewinnung vom Träger benötigt wird. Die meisten Basisbandfunktionen wie z. B Kanalkodierung & Dekodierung, Modulation & Demodulation, Burstgenerierung, Korrelationen und Synchronisation sind mit einer Taktrate von 31,25 MHz realisiert um die Stromaufnahme zu reduzieren. Nur eine kleine Schaltung wird mit der 500-MHz-Rate betrieben um die digitalen Signale auf das RF-Frontend zu liefern. Neben einer Siliziumchipentwicklung für den Standard IEEE.802.15.4a wird eine Diskretkomponentenlösung entwickelt. Das vollständige Basisband mit dem Sender und Empfänger ist bereits als FPGA Lösung mit dem Virtex-5 LXT/SXT PCI Express Board bereit. Ein erster RF-Chip ist vorhanden, der in vielen Hinsichten die Anforderungen erfüllt. Das Endziel ist dabei die Erarbeitung einer Einchiplösung, bei der alle in Abb. 7 veranschaulichten Komponenten auf einem Chip integriert werden. Um dieses Ziel zu erreichen, wird im Empfänger eine Integratorschaltung verwendet, worin die Empfangsenergie über ein Intervall von 16 ns eingesammelt wird. Dieses ermöglicht es, einen langsamen A /D-Wandler einzusetzen, um ein 250 MHz breites Empfangssignal mit 62,4 MHz abzutasten. Für die Synchronisation werden zwei Korrelatoren verwendet, wobei einer um einen Abtast-Wert gegenüber dem anderen verzögert ist. Dieses System erzielt eine Synchronisationsgenauigkeit von 16 ns und kann die benötigte Bitfehlerwahrscheinlichkeit für ein geringes Signal-Rausch-Verhältnis erreichen. of it and finally it is repeated 16, 64, 1024 or 4096 times. the receiver can be implemented in two different ways coherently or non-coherently. Focal point on a simpler non-coherent receiver where the receive energy is collected over a certain time interval and no phase recovery of the carrier is necessary. Most of the baseband signal processing algorithms such as channel coding, decoding, modulation, demodulation, burst generation, correlation and synchronisation are realised with the clock rate of 31.25 MHz for reducing power consumption. only a small part is operating at 500 MHz clock to deliver the digital signal to the radio frequency (RF) front end at that rate. Beside making a chip design, an off-shelf component solution is developed. the complete baseband containing transmitter and receiver is implemented with Virtex-5 lXt / SXt pCI express Board and a first RF chip is already developed showing full functionality in a number of respects. the final goal is to develop a one chip solution where all components shown in Fig. 7 are integrated with competitive low power consumption. to achieve this, the receiver uses an integrating circuitry in which the receive signal is accumulated within 16 ns and as a consequence the following analogue to digital converter samples the 250 MHz bandwidth signal at the rate of 62.4 MHz. the synchronisation is performed with two correlators with one being delayed by one sample compared to the other one. this scheme offers a synchronisation accuracy of 16 ns and can achieve the required bit error rate performance for lower signal to noise ratio. A n n u A l R e p o R t 2 0 0 9 9
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