无线传感器网络收发机芯片设计

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IEEE802.15.4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IEEE802.巧.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IEEE802.15.4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。关键字:无线传感器网络，IEEE802.15.4，传感器节点，无线收发机，低功耗中图分类号:TN92，TN4无线传感器网络收发机芯片设计traetontheideathatimProvingthelinkmarginwithProPerinereasingtheabsolutePowereonsumPtionofthereceiver.Themeasuredresultsshowthatthereceiverhaslowernoisefigureandhigherdynamicrange.And，itshowslowernetworkenergydensityeomParedwithotherPresentPublishedworks.KeyWords:WirelessSensorNetwork，IEEE802.15.4，Sensornode，wirelesstranseeiver，lowPowerCLCNumber:TN92，TN4无线传感器网络收发机芯片设计言完成数据向更大范围的传输和信号从无线到有线的转换，监控中心完成区域数据的综合处理。在传感器网络中，节点通过飞机布撒，人工布置等方式【4]，大量部署在感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析。这种以自组织形式构成的网络，通过多跳中继方式将数据传回协调节点，最后借助协调节点链路将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理。传感器网络以应用为目标，其构建是一个庞大的系统工程，涉及到的研究工作和需要解决的问题在每一个层面上都很多。传感器网络按其学科性质可以抽象成三个层次，物理和链路层设计、网络层设计、数据处理和管理层设计。其中，物理和链路层设计以传感器节点系统开发为目标，研究内容包括应用新的传感原理、结构，使用新的材料以降低能耗、提高敏感性、选择性、响应速度、稳定性以及在恶劣环境条件下工作的能力;还包括多通道传感器数据采集单元的设计;嵌入式处理器的设计以及无线通信芯片的系统集成等。网络层以通信网络为核心，对传感器节点进行有效的控制和管理。需要展开的研究工作包括低能耗、高速率、长生命周期的无线传感器网络的随机自组织通信协议、通信方式;无线传感器网络的可扩展性、容错性、可维护性及安全性、隐私性等。数据处理和管理层以传感器数据管理与处理软件为核心，包括以数据为中心的实时分布式数据流管理、查询及相关信息处理技术;新型统计算法、排除误差信息的方法、对大型分布式传感器阵列的协同处理、图象识别方法等。根据应用的需要，节点的体积和质量都应比较小，比如要小到足以使它悬浮在空中进行数据采集。这限制了整个系统的能量供给形式，目前看来这个能量来源可以是电池或者自然界(如太阳能或者震动所产生的能量)【5]。但是，在监控环境极其恶劣的条件下，自然界能量来源的可靠性令人担忧。因此，较为合理的解决方案是节点的电源模块采用携带有限能量的电池来实现。另外，节点的成本也是大规模应用的一个限制。半导体集成电路技术，尤其是基于CMOS工艺的设计和制造技术是成本降低的最好方法。最后，对于己经布放的传感器网络，更换一次节点电池的成本往往比重新布放节点还要高，这就决定了无线传感器在使用过程中不太可能更换电池，因而节能成为无线传感器网络设计的核心，在进行节点设计时应尽量采用寿命较长的电池及低功耗器件。显然，围绕实现网络整体低功耗运行，在硬件开发上主要针对传感器节点开展低功耗、低成本的研究是整个传感器网络研究的基础和关键所在。无线传感器网络收发机芯片设计章引言密竿—音己!谧扩乡刃7-=F‘J!目1.1研究背景无线传感器网络(WirelessSenso:Network)是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。从而真正实现“无处不在的计算”理念[1〕。无线传感器网络可以在长期无人值守的状态下工作，具有十分广阔的应用前景咚]。它的应用总的来说可以分为三类:监测空间、监测物品、监测物品与物品以及其周围空间的相互作用。第一类的应用具体包括环境监测、国防检测、精准农业、室内气象控制和智能报警等;第二类包括建筑监控、生态管理、医疗诊断和市内地形绘图等;最引人注目的是第三类，它包括野生动物的栖息、灾难管理、紧急反应、资产跟踪、健康维护和制造工作流程的跟踪等。因此，无线传感器网络有着重要的科研价值和巨大的实用价值，己经引起了世界许多国家军事界、学术界和工业界的高度重视，并成为21世纪公认的新兴前沿热点研究领域，被列为十大新兴技术之首【31。802·15·41福不不几歹]，l一生二二才监控中心节点SensorNode图1.1无线传感器网络结构典型的传感器网络的系统架构如图1.1所示，包括分布式传感器节点(群)(Senso:Node)、协调节点(Sink)、网关节点和监控中心等。传感器节点完成环境数据的采集、简单处理和传输，协调节点完成数据的多跳中继传输，网关节点无线传感器网络收发机芯片设计AbstraetAbstraCtThePowerfulsensingabilityandflexibleselDorganizednetworkofwirelesssensornetwork(WSN)haveattractedmoreandmoreattentions.ButthePowerconsumPtion，eostandvolumearestillthemainProblemsforitslargesealeaPPlieation.EmPloyingthedesignmethodsandmanufacturingtechnologiesoftheintegratedcircuits，theresearehfocusofthisdissertation15onthewirelesstranseeiverwhieh15oneofthemostPowerconsumingblocksofthesensornode.Firstly，basedontherelationshiPbetweenthenetworklevelPowerandthenodedensity，fromthePersPectiveoftheShannontheory，theenergyefficiencyofthewirelesstransceiveranditsthreemainfactorsareanalyzed:thesignaltonoiseratiofordemodulation，thenoisefigureofthereeeiverandtheenergyexPendedonthetransmitter.ForasPecifiedProtocol，it15foundthatthePowereonsumedontheunitcommunieationdistanee，namednetworkenergydensity，15moresignificantforthe1ifePeriodofawirelesssensornetwork.OPtimizingonthenetworkenergydensityProvidesaguidelineforthePowerdistributionbetweenthetransmitterandreeeiver.Secondly，asystemlevelresearchontheWSNtranseeiversatisfyingwitllIEEE802.15.4isPresented.Aecordingtotheanalysesonthesignalfeatureofthebase一band5ignalandthefrequeneydemand，thedirecttransmitterandreceiverarchitecturesareehosenforlowlostandlowPowereonsumPtion.Thelinkanalysis，sPeeificationofeachcireuitblocksandtheverifieationsontheoverallsystemguaranteethesueeeededcireuitdesign.Thefeedbaek一filteringteehnique15usedtoremovetheDCo价et，whieheffectivelyutilizesthezeroDCenergyfeatureofthebase一bandsignal.TheresearchontheParasitieverticalNPN(V-NPN)inCMOSProgressgivesagoodsolutionforfliekernoiseProblem.AsadesignexamPle，theV-NPN15usedasthegm一eellofatyPicalVCO.Theclose一inPhasenoisewhieh15mainlygeneratedbytheflickernoise15imProvedwithoutaddinganyPower.Finally，thereeeiverfront一endeomPatiblewithIEEE802.15.415designedandmeasured，ineludingalownoiseamPlifier(LNA)workingat2.4GHzandaPassivemixer.TheeffectoftheinPutParasitiesonthelowPowerLNA15analyzedandthedualgainmode15designedforbet