Mixed Analog/Digital Exploration and Design for Wireless Broadband Transceivers

摘要

De afgelopen 25 jaar is het draadloze gedeelte van de communicatiemarkt van een niche tot een economisch gezonde markt voor de massaconsumptie uitgegroeid. De eerste golf die gekenmerkt was door de doorbraak van de tweede-generatie mobiele telefonie met een nadruk op spraakcommunicatie, heeft de draadloze communicatie dicht bij de eindgebruiker gebracht. In de tweede golf werd de dienstverlening uitgebreid met echte multimediatoepassingen zoals interactieve video, spraak en geluid, games en breedbandig Internet. Deze diensten aan hoge snelheid hebben geleid tot een specifieke IP-gerichte familie van draadloze persoonlijke (WPAN) en lokale netwerken (WLAN) buiten de gekende 2G/3G evolutie. Omdat de diversiteit tussen oplossingen voor data- en audiovisuele communicatie en de competitie tussen conforme en propriëtaire oplossingen ondertussen eerder een blokkerende dan een stimulerende factor geworden zijn in de ontwikkeling van succesvolle producten is een derde golf noodzakelijk: het verenigen van beide domeinen in draagbare toestellen die in staat zijn om flexibel met meerdere standaarden om te gaan en op de kwaliteitsvereisten (QoS) voor echte multimedia diensten in te spelen. Eveneens kunnen we vaststellen dat de dominantie van desktop Personal Computers met vaste communicatieverbindingen meer en meer doorbroken wordt door talloze draagbare slimme toestellen: laptops, notebooks, personal digital assistants, en gaming-toestellen. Deze toestellen komen bij iedereen als eindgebruiker terecht en gaan de competitie aan met bedrade oplossingen. Daardoor zijn time-to-market, flexibiliteit bij de ontwikkeling en de productarchitectuur en een laag vermogensverbruik cruciaal. Dit alles moet aan een zeer lage ontwerp- en productiekost kunnen gebeuren. Dit proefschrift pakt de uitdagingen aan vanuit het perspectief van de systeemarchitect, die de juiste afwegingen tussen tijd, performantie en kost tracht te vinden. De systeemarchitect is zowel in een efficiënt ontwerpproces als ook in een competitief ontwerpresultaat geïnteresseerd. Reeds bij de opkomst van de tweede golf van communicatie aan hoge snelheid kwamen traditionele ontwerptechnieken aan hun grenzen. Deze waren vooral gekenmerkt door een vroege opsplitsing in ontwerpdomeinen en architecturale componenten met grote ontwerpmarges per domein als gevolg, wat uiteindelijk een rem zette op zowel de ontwerpefficiëntie als ook op de verhouding van performantie en kost in het eindproduct. Voor de twee meest kenmerkende ontwerpuitdagingen stellen wij oplossingen voor: hoe ontwerp je op een efficiënte manier een zender/ontvanger voor een draadloos lokaal netwerk (WLAN) en hoe kunnen we vanuit deze oplossing op een schaalbare manier naar een flexibele zender/ontvanger gaan voor meerdere standaarden? Wij verwezenlijken de gedachte van crossdisciplinair ontwerp van elektronische systemen op systeemniveau door voorbeelden in algoritme/architectuur co-design, gemengd analoog/digitaal algoritme/architectuur co-design en systeemexploratie over verschillende lagen van de communicatiearchitectuur (cross-layer) heen aan te halen. Er zijn drie karakteristieke onderwerpen in onze aanpak waarop we meerdere keren zullen terugkomen: een voorkeur voor schaalbare en zodanig herbruikbare architectuurconcepten, een bewijs van haalbaarheid door effectief ontwerp en experimentele validatie, en een doorgedreven analyse van de stappen in het ontwerpproces en de vertaling in een geheel ontwerpproces (design flow). Dit onderzoek leverde de eerste twee op OFDM gebaseerde basisband ASICs voor draadloze computernetwerken op, namelijk realisaties aan lage kost en tegelijkertijd hoge performantie (54 en 72 Mbit/s). Verder hebben wij praktische oplossingen uitgewerkt voor de signaalacquisitie in een gemengd analoge en digitale context, digitale technieken voor de compensatie van front-end niet-idealiteiten. Uiteindelijk werd een methodiek ontwikkeld voor applicatiegedreven ontwerp van gehele zenders en ontvangers. Op het vlak van ontwerpmethodologie hebben wij een praktisch gemengd analoog/digitaal ontwerpproces ontwikkeld. Daarbij kwamen er ook bijdrages tot de gedragsmodellering, co-simulatie en ontwerptechnologie op systeemniveau voor gemengd analoog-digitaal systemen aan bod. Uiteindelijk ontwikkelden wij een methode om optimalisatietechnieken gericht op meerdere objectieven toe te passen door de combinatie met technieken die gebruik maken van de differentiatie tussen ontwerptijd, calibratietijd en reële tijd. De toepasbaarheid werd aangetoond in een gemengd analoog/digitaal en een cross-layer context.