A Low-Power IEEE 802.15.4a/z/ab-Compliant IR-UWB Transmitter for High Spectrum Utilization and Sidelobe Suppression

Abstract

This thesis presents an IEEE 802.15.4a/z/ab-compliant all-digital impulse-radio ultra-wideband (IR-UWB) transmitter (TX) that achieves maximally flat amplitude spectral shaping while meeting global spectrum masks (FCC, ETSI, ARIB, KCC, China). The design aims to enhance in-band spectrum utilization under a strict regulatory mask while simultaneously suppressing near-in sidelobes and sampling aliasing. An anti-phase delayed dual-Gaussian (APDG) pulse is introduced to achieve maximally flat spectral shaping, increasing utilization to 83.4%. To satisfy global regulations, two sidelobe suppression techniques are proposed. For near- in sidelobe reduction, self-delay pulse comb-notch (SDPCN) forms spectral notches by combining a delayed replica of the same pulse, reducing near-in sidelobes to −35 dBr without additional filters. For sampling aliasing, a slope-aware non-uniform interpolation (SANI) block adaptively toggles sampling phases according to the local waveform slope and reduces sampling aliasing by 11 dB with negligible area and power overhead. The proposed dual-level switched-capacitor power amplifier (DLSCPA) reduces AM–PM distortion, thereby mitigating sidelobe emission by up to 12 dB. The IR-UWB TX was fabricated in 28-nm CMOS, occupying a core area of 0.0523 mm². Total transient power consumption is 11.4 mW at 6.81 Mb/s. Measurement results confirm compliance with FCC, ETSI, ARIB, KCC and China spectral masks across channels 5, 6, 8 and 9, achieving the highest spectrum utilization (83.4%) and lowest near-in sidelobe level (-35 dBr), with more than 9× area efficiency compared to prior works. These results demonstrate that the proposed design is globally spectrum compliant, compact and energy-efficient solution for next-generation high data rate IR-UWB systems. Keywords: Impulse-radio ultra-wideband (IR-UWB), IEEE 802.15.4a/z/ab standard compliant TX, High spectrum utilization, Sidelobe suppression, Global spectrum compliance.|본 논문은 IEEE 802.15.4a/z/ab 규격을 만족하는 완전 디지털 임펄스 라디오 초광대역 (IR-UWB) 송신기를 제시한다. 이 송신기 전 세계 스펙트럼 마스크 (FCC, ETSI, ARIB, KCC, China)를 충족하면서 최대한 평탄한 스펙트럼 성형을 달성한다. 본 설계는 엄격한 규제 마스크 하에서 대역내 스펙트럼 활용도를 향상시키는 동시에 근접 측엽과 샘플링 엘리어싱 동시에 억제하는 것을 목표로 한다. 이를 위한 반대 위상 지연 이중 가우시안 펄스를 도입하여 최대 평탄 스펙트럼 성형을 달성하였으며, 스펙트럼 활용도를 83.4%까지 향상시켰다. 글로벌 규제 준수를 위해 두가지 기법을 제안한다. 근접 측엽 저감을 위한 자체-지연 펄스 콤-노치(SDPCN)는 동일 펄스의 지연 복제본을 결합하여 스펙트럼 상 노치를 형성함으로써 추가 필터 없이 근접 측엽을 -35 dBr까지 감소시킨다. 샘플링 엘리어싱 억제를 위해 기울기 인지 비균일 보간(SANI) 블록이 국부 기울기에 따라 샘플링 위상을 적응적으로 전환함으로써 매우 작은 면적 및 전력 오버헤드로 엘리어싱을 11dB 감소시킨다. 또한 제안하는 이중 단계 스위치드 커패시터 전력 증폭기 (DLSCPA)는 AM-PM 왜곡을 저감하여 측엽 방사를 최대 12 dB까지 억제한다. 제안하는 송신기는 28nm CMOS 공정으로 설계되었으며, 면적은 0.0523mm2를 차지한다. 전체 과도 전력 소모는 6.81 Mb/s에서 11.4mW이다. 측정 결과 채널 5,6,8,9 전 대역에서 FCC, ETSI, ARIB, KCC 및 중국 스펙트럼 마스크를 만족하였고, 기존 연구 대비 9배 이상의 면적 효율을 유지하면서, 가장 높은 스펙트럼 활용도 83.4% 및 -35dBr의 가장 낮은 근접 측엽을 달성하였다. 이러한 결과는 제안된 설계가 차세대 고속 IR-UWB 시스템을 위한 전세계 규격 준수, 소형, 전력 효율적인 솔루션임을 보여준다.

핵심어: 임펄스 무선 초광대역, IEEE 802.15.4a/z/ab 규격 준수 송신기, 높은 스펙트럼 활용, 측엽 억제, 국제 스펙트럼 준수.