Direct RF-to-Digital Data Converters Using Time-Varying Circuits

使用时变电路的直接射频数字数据转换器

基本信息

  • 批准号:
    1810268
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 33万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-08-15 至 2023-03-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Applications demand our portable devices to provide an ever-increasing number of diverse wireless communications such as cellular, WiFi, GPS, Bluetooth, and proprietary communications that allow wearable and implantable devices to link efficiently with a smartphone. As such, it is desirable to have a compact single universal radio, similar to a Dick Tracy wristwatch radio, to seamlessly handle the multitude of such communications. Unfortunately, such a universal radio has proven notoriously hard to build, especially for use in a portable communications device. This project aims to develop the technology for the central piece of this universal radio: an analog-to-digital converter that precisely digitizes a large swath of the electromagnetic signal spectrum incident on an antenna while consuming low battery power. The technology will enable radio hardware that can be reconfigured under convenient software control. In addition, it will enable the so-called cognitive radios that increase the utilization of scarce electromagnetic spectrum by dynamically identifying and opportunistically using vacant frequency bands. Both universal and cognitive radios are critically important to the further advancement of wireless connectivity in the country. The developed technology can find use in defense electronics and medical equipment where electromagnetic spectrum sensing and awareness is important for imaging and security applications. In addition to the technical impact, the proposed research activities will provide the diverse undergraduate and graduate students at the University of California, Los Angeles, with invaluable training in the strong interplay between signal processing and electronic circuit design techniques. Such cross-disciplinary training will help engineers better tackle many of the evolving challenges in electrical engineering.The objective of this project is to develop circuit and signal processing techniques to enable wide bandwidth, high resolution, analog-to-digital converters (ADCs) that can be placed at, or very close to, the antenna in a receiver. The proposed approach employs multi-rate filter-bank concepts and time-varying circuits. In a nutshell, a bank of analog filters, made of specially chosen, periodically time-varying circuit components, will be employed to channelize the RF signal into individual, but overlapping, frequency bands that are then digitized using a bank of slower ADCs. A bank of digital filters will intelligently combine the ADC outputs to faithfully reconstruct the original signal. Prototype integrated circuits will be designed, fabricated, and tested to verify the feasibility and utility of the proposed direct RF-to-digital converters and demonstrate record-setting ADC bandwidth and resolution combinations. The intellectual merits of this project are three-fold. Foremost, it will develop a new frequency-channelization ADC approach that is less sensitive to circuit mismatch and has relaxed dynamic range requirements as compared to the conventional time-interleaved ADC approach. Secondly, the time-varying circuit technique, which is a radical and beneficial departure from the conventional principle of making circuits linear and time-invariant, will lead to significant performance and power consumption benefits. The time-varying approach enables very high linearity and precision control of the frequency channelization filter to solve the central problem of all prior ADC approaches that use a bank of analog pre-filters. Finally, the proposed research represents a very tight coupling between integrated circuit design and signal processing theory that is becoming increasingly essential to solve the outstanding problems in integrated circuit design.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
应用要求我们的便携式设备提供越来越多的各种无线通信,如蜂窝、WiFi、GPS、蓝牙和专有通信,允许可穿戴和植入式设备与智能手机有效地连接。因此,期望具有类似于Dick Tracy手表收音机的紧凑的单个通用收音机,以无缝地处理大量这样的通信。不幸的是,这样的通用无线电设备已经被证明非常难以构建,特别是对于在便携式通信设备中的使用。该项目旨在开发这种通用无线电的核心技术:一种模数转换器,可以精确地数字化天线上入射的大范围电磁信号频谱,同时消耗低电池电量。该技术将使无线电硬件能够在方便的软件控制下重新配置。此外,它还将使所谓的认知无线电能够通过动态识别和机会主义地使用空闲频段来提高稀缺电磁频谱的利用率。通用无线电和认知无线电对于进一步推进该国的无线连接至关重要。开发的技术可用于国防电子和医疗设备,其中电磁频谱传感和感知对于成像和安全应用非常重要。除了技术影响,拟议的研究活动将提供不同的本科生和研究生在加州大学,洛杉矶,在信号处理和电子电路设计技术之间的强大的相互作用的宝贵培训。这种跨学科的培训将帮助工程师更好地应对电气工程领域不断发展的挑战。该项目的目标是开发电路和信号处理技术,以实现宽带宽、高分辨率的模数转换器(ADC),这些ADC可以放置在接收机的天线处或非常靠近天线的位置。该方法采用多速率滤波器组的概念和时变电路。简而言之,一组模拟滤波器由专门选择的周期性时变电路元件制成,将用于将RF信号信道化为单独但重叠的频带,然后使用一组较慢的ADC进行数字化。一组数字滤波器将智能地联合收割机组合ADC输出,以忠实地重建原始信号。将设计、制造和测试原型集成电路,以验证所提出的直接RF数字转换器的可行性和实用性,并展示创纪录的ADC带宽和分辨率组合。这个项目的智力价值有三个方面。最重要的是,它将开发一种新的频率通道化ADC方法,与传统的时间交错ADC方法相比,该方法对电路失配不太敏感,并且放宽了动态范围要求。其次,时变电路技术,这是一个根本的和有益的偏离传统的原则,使电路的线性和时间不变,将导致显着的性能和功耗的好处。时变方法使得能够实现频率信道化滤波器的非常高的线性度和精度控制,以解决使用一组模拟前置滤波器的所有现有ADC方法的中心问题。最后,拟议的研究代表了集成电路设计和信号处理理论之间的紧密耦合,这对于解决集成电路设计中的突出问题变得越来越重要。该奖项反映了NSF的法定使命,并被认为值得通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估来支持。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
6.3 A 0.9V Dual-Channel Filtering-by-Aliasing Receiver Front-End Achieving +35dBm IIP 3 and
6.3 A 0.9V 双通道混叠滤波接收器前端实现 35dBm IIP 3 和
An LPTV Noise Cancellation Technique for a 0.9-V Filtering-by-Aliasing Receiver Front-End with >67-dB Stopband Rejection
适用于具有 >67dB 阻带抑制的 0.9V 混叠滤波接收器前端的 LPTV 噪声消除技术
A Dual-Channel High-Linearity Filtering-by-Aliasing Receiver Front-End Supporting Carrier Aggregation
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混叠接收器的数字混叠消除技术
Periodically Time-Varying Noise Cancellation for Filtering-by-Aliasing Receiver Front Ends
通过混叠接收器前端进行周期性时变噪声消除
  • DOI:
    10.1109/jssc.2020.3028357
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Bu, Shi;Hameed, Sameed;Pamarti, Sudhakar
  • 通讯作者:
    Pamarti, Sudhakar
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