최근 Biometric Technology 의 발달과 더불어 이를 이용하기 위한 여러 기술들이 대두되고 있다. 그 중에서도 사람들이 건강에 관심이 높아지면서 인체ㆍ통신 융합 서비스를 이용한 WBAN 기술에 관련된 연구가 많이 진행되고 있다. WBAN (Wireless Body Area Network)은 사용자의 인체 채널을 이용하여 고속으로 송수신 할 수 있는 근거리 통신 기술을 말한다. 또한, WBAN 기술에 관해 2012 년 2 월 IEEE 802.15.6 표준이 제정되었다. WBAN 은 인체에 부착 혹은 삽입 형태로 제작이 되므로 소형화 및 저전력 동작이 요구 된다. 또한 생체 정보 및 영상을 실시간 전송을 위해서는 고속의 데이터 전송 속도도 요구 된다. IEEE 802.15.6 표준에 따르면, WBAN 의 PHY 는 협대역 기반(Narrow band) 통신과 UWB(Ultra wide band) 기반의 광대역 통신, Human body channel 로 나뉘어 진다. 이중 UWB 기반의 광대역 통신은 저전력 구현이 가능하며 고속의 데이터 전송 속도 까지 지원 가능하다. 특히 IR-UWB(Impulse radio-Ultra wide band) 통신 시스템은 낮은 복잡도와 평균 소모 전력, 낮은 duty cycling 동작 그리고 bit rate 의 가변성 등의 특징을 가진다.

본 논문에서는 IEEE 802.15.6 에서 요구하는 표준을 준수하며 WBAN을 위한 3 ~ 5 GHz 주파수 대역에서 에서 동작하는 OOK (On-Off Keying) 변조 방식의 IR-UWB RF 송수신기를 설계 및 제작하였다. 동기 방식의 수신기는 local oscillator 가 필요하고 전력 소모가 증가하기 때문에 비동기 방식의 에너지 검출 방식을 사용하여 낮은 복잡도와 소모 전력을 가지도록 설계하였다. 여러 실험들을 통해 인접한 잡음신호인 ISM band 나 WCDMA 대역의 신호가 광대역 특성을 가진 수신기의 감도를 열화 시킬 수 있는 것을 알 수 있었다. 이를 보완하기 위해 2.4 GHz 에서 잡음 신호를 제거하기 위한 RF active notch filter 를 RF front-end 에 집적하였다. Ringing noise 는 아날로그 회로들에서 발생하며 높은 data rate에서 수신기 감도를 열화 시키거나 데이터 수신을 불가능하게 할 수 있다. Ringing noise 는 순간 발생하는 impulse 신호에 의해 주로 발생하며 일반적인 feedback 구조를 사용한 DCOC 나 DC block capacitor 같은 저주파를 제거하는 방식은 이에 유용하지 않다. 낮은 복잡도와 소모 전력을 유지한 체 ringing 신호를 제거하기 위해 제안된 ringing elimination switch 를 아날로그 회로데 집적하였다.

송신기의 경우 낮은 복잡도와 저전력 구현을 위해 디지털 구조의 impulse 발생기를 적용하였다. 가변 가능한 시간 지연 회로와 unit pulse 발생기를 사용하여 중심 주파수와 대역폭을 가변 가능하도록 설계하였다. 세기가 다른 증폭기를 사용하여 triangular UWB pulse shape 을 만들게끔 설계되었다. 송신기의 출력 파워는 EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power) 규정을 준수한다. 설계된 RF 송수신기는 WBAN 기반의 IEEE 802.15.6 표준에서 요구하는 최대 데이터 전송 속도인 12.636 Mbps 까지 모두 지원 가능하다. 그리고 설계된 RF 송수신기는 0.18 ㎛ CMOS 공정 기술을 이용하여 제작하였다.

본 논문은 총 다섯 개의 장으로 구성되어 있다. 1 장에서는 WBAN, UWB 그리고 WBAN 을 위한 UWB system budget 을 소개한다. 2 장과 3 장은 각각 UWB RF receiver 와 transmitter 를 보여준다. 마지막을 5 장에서는 논문 전체의 결론 및 향후 작업에 대해 보여준다.

Recently, several technologies are paid attentions as the technical candidates for the development of biometric applications. Among them, the convergence techniques for the human body communication are growing significantly because people are more interested in the healthcare nowadays. WBAN (Wireless Body Are Network) solution is one of them and it provides short-range high rate communication technology using human body channel. WBAN technology has established as IEEE 802.15.6 standard in February 2012. The WBAN communication system requires a small size and low power consumption operation because it has to be attached to In/On-human body. It also requires a high data rate for biological image data transfer. In IEEE 802.15.6 standard, WBAN PHY layers are classified into NB (Narrow Band), UWB (Ultra Wide Band), and HBC (Human Body Communication) system. Among them, UWB system offers both low power consumption and high data rate simultaneously. Especially, IRUWB (Impulse radio-Ultra wide band) communication system should allow the low complexity, low power, low duty cycling operation, and bit rate scalability.

In this thesis, high reliable 3 ~ 5 GHz IR-UWB RF transceiver for OOK (On-Off Keying) modulation specified in WBAN is designed compliant with IEEE 802.15.6 standard. Since the coherent receiver needs the local oscillator and increases many additional power-consuming blocks, the non-coherent energy detection receiver is adopted for reducing power consumption and circuit complexity. Addressing to our various experiments in the real field, adjacent interferers such as ISM band or WCDMA signals are detrimental to the Wide-band receiver’s sensitivity. To improve and maintain the sensitivity, the RF active notch filter is integrated into RF front-end to reject interference at 2.4 GHz. Ringing noise occurs at the analog circuits and may give rise to degradation of receiver sensitivity and even make the data reception impossible at high data rate. Ringing noise is caused by abrupt and peaking impulse signal and rejection method such as conventional DCOC (DC Offset Cancellation) using low pass feedback or DC block capacitors is not useless. To eliminate residual ringing with low complexity and low power consumption, the proposed ringing elimination switch is integrated into the analog circuits and the actual improvement of sensitivity proves it is very beneficial. The digitally synthesized impulse generator is adopted to allow low complexity and low power consumption. To achieve tunable center frequency and bandwidth, the variable time delay cell and unit pulse generator are designed. The weighted amplifiers are implemented to make triangular UWB pulse shape and suppress the undesired side-lobe. The transmitter emission power meets the EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power) regulation. The designed RF transceiver supports up to 12.636 Mbps, which is the maximum data rate in IEEE 802.15.6 standard based WBAN system. And, it was fabricated in 0.18 ㎛ CMOS technology.

This thesis consists of five chapters. Chapter 1 introduces overviews of WBAN, UWB and UWB system budget for WBAN. Chapter 2 and 3 show UWB RF receiver and transmitter respectively. Finally, chapter 5 shows conclusions of the whole thesis and future works.