Systemdesign eines Dualband-Multimode-Wireless LAN-HF-Transceivers

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2007-03-30
Issue Year
2007
Authors
Pimingsdorfer, Dieter
Editor
Abstract

This Thesis discusses system design and system simulation and the specification for the development of a wireless LAN (WLAN) RF transceiver. The transceiver chip has dualband and multimode functionality and supports three different WLAN modes in the frequency bands at 2.4 and 5 GHz fully compliant to the IEEE standards 802.11a, 802.11b and 802.11g. The RF transceiver is based on a homodyne architecture and is manufactured in a 0.25 µm bipolar-CMOS (BiCMOS) process of Infineon Technologies. The common approaches for the definition of the RF transceiver’s characteristic parameters are usually based on uncertain estimations and approximations. The suchlike derived specifications often turn out to be too pessimistic or over-specified. This causes negative effects on the one hand on the power consumption of the chip and therefore on battery times, on the other hand on the chip area and thus on the costs. The specifications of the digital baseband receiver are generally based on quite complex and time consuming bit error simulations. For these simulations the RF part (transmitter as well as receiver) is usually assumed to be ideal in terms of gain, linearity, filtering and frequency conversion. Of course, neglecting the RF-specific problems causes a degradation of the real system performance. In this work a novel simulation concept covering both the analog RF part and the digital baseband part is applied. By running performance simulations (bit error simulations) of standardized test cases for the whole system including the analog front-end with its characteristic properties the impact of RF-specific effects can be predicted. This is the only way to derive an optimal definition and specification of the transceiver based on RF parameters like noise figure or 1 dB-compression point, that are common to circuit designers. This concept also considers typical, architecture-based RF effects of the transceiver by an adequate modelling in the overall simulation. For instance different transmitter and receiver architectures are applied for different operating modes. The zero-IF concept is used for the CCK mode, whereas the OFDM mode applies the low-IF architecture. This demands for a complex mixer concept and causes noise effects due to LO spurs, which have to be modelled properly in the simulation. A simulation approach of the whole system covering both analog and digital components is the basis for the development of a competetive transceiver chip. Within the scope of this work a complete and closed simulation concept for RF transceivers is presented. It comprises the whole functionality of a mobile communication system, both that of the analog RF front-end and of the digital baseband part, and has been successfully applied to the simulation of a WLAN RF transceiver. These simulation results have been directly implied into the definition and the specification of the transceiver chip and were an important step towards the successful development of one of the world’s first dualband-multimode WLAN single-chip RF transceivers based on the IEEE 802.11 standard.

Abstract

Diese Dissertation beschreibt Systemdesign und Systemsimulation sowie die Spezifikation zur Entwicklung eines Wireless LAN (WLAN)-HF-Transceivers. Der Dualband-Multimode-Transceiver unterstützt drei unterschiedliche WLAN-Modi in den Frequenzbändern bei 2.4 und 5 GHz in voller Kompatibilität zu den IEEE-Standards 802.11a, 802.11b und 802.11g. Der HF-Transceiver-Chip basiert auf einer homodynen Architektur und ist in einem 0.25 µm-Bipolar-CMOS (BiCMOS)-Prozess von Infineon Technologies gefertigt. Die üblichen Ansätze zur Definition der für den HF-Transceiver charakteristischen Kenngrößen basieren meistens auf ungenauen Abschätzungen und Näherungen. Die daraus abgeleiteten Spezifikationen erweisen sich oft als zu pessimistisch bzw. als überspezifiziert. Dies wirkt sich zum einen meist negativ auf die Leistungsaufnahme des Bausteins aus, was wiederum in verkürzten Batterielaufzeiten resultiert, zum anderen aber auch auf die Chipfläche und somit auf die Kosten. Die Spezifikationen des digitalen Basisbandempfangsteils hingegen basieren im Allgemeinen auf äußerst aufwendigen und zeitraubenden Bitfehlersimulationen. Üblicherweise wird bei diesen Simulationen der HF-Part (sowohl Sender als auch Empfänger) als ideal bezüglich Verstärkung, Linearität, Filterung und Frequenzkonversion angenommen. Diese Vernachlässigung der HF-spezifischen Effekte in der Gesamtsimulation führt unweigerlich zu einer Verschlechterung der realen System-Performance. In dieser Arbeit wird ein neuartiges Simulationskonzept verfolgt, das sowohl den analogen HF-Part als auch den digitalen Basisbandteil abdeckt. Durch Performance-Simulationen (Bitfehlersimulationen) von standardisierten Testfällen am Gesamtsystem, welches das analoge Front-End mit seinen charakteristischen HF-Eigenschaften miteinbezieht, können Aussagen über den Einfluss der HF-spezifischen Effekte im Transceiver-Front-End auf die gesamte System-Performance getroffen werden. Nur auf diesem Wege kann eine optimale Definition und Spezifikation des Transceivers basierend auf HF-Parametern, wie Rauschzahl oder 1 dB-Kompressionspunkt, welche für den Schaltungsentwickler verständlich sind, abgeleitet werden. Bei der Gesamtsimulation werden auch typische, Architektur-basierte HF-Eigenschaften des Transceivers durch entsprechende Modellierung mit in Betracht gezogen. Beispielsweise werden für Sender und Empfänger je nach Betriebsmodus unterschiedliche Architekturen verwendet. So kommt beim CCK-Modus ausschließlich das Zero-IF-Konzept, beim OFDM-Empfänger hingegen die Low-IF-Architektur zum Einsatz. Dies ist nur mit einem komplexen Mischerkonzept realisierbar und führt zu Rauscheffekten infolge von LO-Spurien, welche in der Simulation geeignet zu modellieren sind. Ein Simulationsansatz des Gesamtsystems basierend auf analogen und digitalen Komponenten bildet die Grundlage für die Entwicklung eines konkurrenzfähigen Transceiver-Chips. Im Rahmen der Arbeit wird ein komplettes und durchgängiges Simulationskonzept für HF-Transceiver präsentiert, welches die gesamte Funktionalität des Mobilfunksystems, sowohl die des analogen HF-Front-Ends als auch des digitalen Basisbandteils, beeinhaltet, und erfolgreich auf die Simulation eines WLAN-HF-Transceivers angewandt. Die aus der Systemsimulation erzielten Ergebnisse flossen direkt in die Definition und Spezifikation des Transceiver-Chips ein und stellten einen wichtigen Schritt zur erfolgreichen Entwicklung eines der weltweit ersten Dualband-Multimode-WLAN-Single-Chip-HF-Transceiver auf Basis des IEEE 802.11-Standards dar.

DOI
Document's Licence
Faculties & Collections
Zugehörige ORCIDs