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无线传感器网络收发机芯片设计

高佩君  
【摘要】: 无线传感器网络强大的感知能力和灵活的自组织网络等特点吸引了越来越多的人的关注。但是,功耗、成本和体积仍然是限制其大规模应用的主要问题。 利用集成电路的设计方法和制造工艺,本文针对传感器节点中功率消耗最大的无线收发机进行了研究。 首先,在网络级功耗和节点密度研究的基础上,本文以香农理论为出发点,依次分析了无线收发机的能量效率和影响它的三个重要因素:解调信噪比、接收机的噪声系数和发射机能量。对于特定的协议,本文通过研究发现单位距离下的功率消耗,此处称为网络能量密度,更能体现无线传感网的生命周期。对于网路能量密度的优化为收发机之间的功耗分配提供了良好的方法。 其次,本文针对满足IEEE 802.15.4协议的无线收发机进行了系统的研究。在对其基带信号特征和频率规范分析的基础上,本文结合低功耗的系统要求,确定了直接变频的发射机架构和零中频的接收机架构。基于此架构的收发机链路分析、模块指标制定和系统验证为后续的电路设计工作提供了很好的参考和保证。本文利用基于反馈滤波的方法进行直流消除,有效利用了IEEE 802.15.4的信号在直流处没有能量的特性。对于CMOS工艺中寄生垂直NPN管的研究为闪烁噪声的问题提供了解决方案;作为设计实例,本文将此三极管应用于VCO的跨导管设计,在不增加额外功耗的前提下减小了闪烁噪声上变频带来的低频偏相位噪声的增加。 最后,本文对符合IEEE 802.15.4的接收机前端进行了设计和测试,包括工作于2.4GHz的低功耗低噪声放大器(LNA)和无源混频器。在LNA的设计过程中,本文分析了低功耗条件下输入寄生电容对其性能的影响;双增益模式增强了接收机抵御大信号阻塞的能力。此芯片最终通过流片验证,测试结果良好。结合信道选择滤波器、自动增益控制和模数转换器,本文利用适量增加接收机绝对功耗来增加链路裕量的想法,完成了一个低噪声、高动态范围的接收机芯片的设计和测试。和现有的文献相比,此接收机芯片具有更低的网络能量密度。


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