發(fā)布時間：2018-05-04 12:33

  本文選題：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) + ZigBee　； 參考：《西安電子科技大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)隨著各種交叉學(xué)科的興起和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,不但在學(xué)術(shù)界廣受各大高校和科研單位的重點關(guān)注,在工業(yè)界也展現(xiàn)出極具競爭力的市場表現(xiàn)和巨大的市場潛力,其技術(shù)目前正逐漸被應(yīng)用于民用領(lǐng)域如醫(yī)療健康、工業(yè)監(jiān)測以及智慧城市等方面,具有廣闊的發(fā)展前景。由于WSN節(jié)點組網(wǎng)規(guī)模大,布點環(huán)境復(fù)雜,使得低成本、低功耗、高集成度的無線收發(fā)機芯片設(shè)計成為了人們研究的熱點。作為能耗和面積在整個收發(fā)機中占據(jù)較大比重的模擬基帶電路,其低功耗和高集成度設(shè)計對WSN的應(yīng)用具有重要意義。因此,本文基于IEEE 802.15.4協(xié)議和ZigBee技術(shù),完成一款2.4GHz無線收發(fā)機中模擬基帶電路的設(shè)計與研究。本文對ZigBee技術(shù)的特點以及其在WSN應(yīng)用中的發(fā)展狀況作了系統(tǒng)的描述,結(jié)合國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界近年來在ZigBee無線收發(fā)機方面的研究與生產(chǎn)現(xiàn)狀,提出了低功耗、高集成度收發(fā)機模擬基帶的設(shè)計目標。在文中仔細介紹了無線收發(fā)電路各項性能指標的概念和意義,并進行了詳盡的數(shù)學(xué)推導(dǎo),得到了關(guān)鍵指標的計算方法。之后,結(jié)合IEEE 802.15.4協(xié)議要求以及各電路模塊的功能特點,基于電路的可實現(xiàn)性,給出了收發(fā)機模擬基帶各個電路模塊的設(shè)計指標。接收鏈路濾波器采用3階巴特沃斯復(fù)數(shù)帶通濾波器(Complex Band Pass Filter, Complex BPF)結(jié)構(gòu),解決了傳統(tǒng)帶通濾波器在正負頻率軸上具有對稱頻率響應(yīng)的問題,完成了接收鏈路中所需要的信道選擇和鏡像抑制功能。針對濾波器電阻電容常數(shù)對工藝電壓溫度(Process Voltage Temperature, PVT)波動敏感的特點,提出了一種低功耗、小面積的混合信號頻率自動調(diào)諧電路,通過環(huán)形振蕩器和數(shù)字算法完成逐次逼近型(Successive Approximation, SAR)頻率自動調(diào)諧,確保了濾波器頻率響應(yīng)的準確性。可變增益放大器(Variable Gain Amplifier, VGA)由粗調(diào)級和細調(diào)級組成,其中粗調(diào)級由四級固定增益放大器(Fixed Gain Amplifier, FGA)通過交流耦合的方式級聯(lián)而成;增益細調(diào)級電路由可編程增益放大器(Programmable Gain Amplifier, PGA)構(gòu)成,通過控制反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻比例系數(shù)完成對VGA的步長調(diào)節(jié)。設(shè)計了一款7位16MS/s采樣速率的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)。提出了一種結(jié)合運放共享和電容共享技術(shù)的時間共享技術(shù),該技術(shù)通過對流水線結(jié)構(gòu)中前后兩級運放所需不同建立時間的利用,能夠有效的消除記憶效應(yīng),在提高ADC的整體性能的同時減小了芯片面積的消耗,降低了ADC的整體功耗。數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital-to-Analog Converter, DAC)采用電流舵結(jié)構(gòu),精度為6位,采樣速率為16MS/s,文中對電流舵DAC不同分段方案對其靜態(tài)、動態(tài)性能和功耗面積的影響進行了探討,并最終確定了4+2的分段電流舵DAC結(jié)構(gòu)�；陔娏鲉卧妮敵鲎杩购头抢硐腴_關(guān)信號對DAC性能影響的分析,完成了高輸出阻抗的電流單元以及低動態(tài)誤差開關(guān)驅(qū)動電路的設(shè)計。設(shè)計了一款由兩級雙二階結(jié)構(gòu)(Biquad)級聯(lián)而成的4階低通濾波器(Low Pass Filter, LPF),實現(xiàn)了抑制DAC輸出信號中高頻諧波的功能。采用TSMC 0.18μm 1P4M 1.8V CMOS工藝,完成了WSN無線收發(fā)機模擬基帶電路的版圖設(shè)計,在后仿真通過后對無線收發(fā)機進行了流片,并針對文中設(shè)計的模擬基帶電路進行了性能測試。測試結(jié)果表明,復(fù)數(shù)帶通濾波器的中心頻率和帶寬分別為2.07MHz和2.93MHz,鄰道抑制、間道抑制和鏡像抑制分別為34dB、46dB和24dB,輸入三階交調(diào)點(Input Third-order Intercept Point, IIP3)和噪聲系數(shù)(Noise Figure, NF)分別為18.7dBm和28.5dB。VGA總共提供70dB的動態(tài)范圍,增益步長為2dB,增益誤差為0.52dB,輸入三階交調(diào)點和噪聲系數(shù)分別為-18.8dBm和28dB。流水線ADC的微分非線性(Differential Nonlinearity, DNL)為0.53LSB,積分非線性(Integral Nonlinearity, INL)為0.72LSB,信噪失真比(Signal-to-Noise-and-Distortion Ratio, SNDR)為39.51dB,無雜散動態(tài)范圍(Spurious Free Dynamic Range, SFDR)為50.48dB,有效位數(shù)(Effective Number of Bit, ENOB)為6.27bitS。電流舵DAC的微分非線性為0.34LSB,積分非線性為0.47LSB,信噪失真比為29.87dB,無雜散動態(tài)范圍為34.8dB,有效位數(shù)為4.7bitS。LPF的截止頻率為1.37MHz,阻帶衰減為47dB@16MHz。接收鏈路模擬基帶的芯片面積為1.56mm2,功耗為16.99mW,發(fā)射鏈路的模擬基帶芯片面積為0.24mm2,功耗為7.58mW。
[Abstract]:Wireless Sensor Network ( WSN ) is widely used in the fields such as medical health , industrial monitoring and smart city . It is composed of a programmable gain amplifier ( PGA ) and a programmable gain amplifier ( PGA ) . A pipelined analog - to - digital converter ( Analog - to - Digital Converter , ADC ) with 7 - bit 16MS / s sampling rate is designed . This paper presents a time sharing technology combining operation and discharge sharing and capacitor sharing , which can effectively eliminate the memory effect by the use of different settling time for the two - stage operation and amplification in the streamline structure . The design of the analog baseband circuit of the wireless transceiver of WSN is realized . The results show that the center frequency and bandwidth of the digital - to - analog converter are 2.07MHz and 2.93MHz , respectively , the input third - order intercept point and the noise figure are - 18.8dBm and 28dB , respectively . The differential nonlinearity of the pipeline ADC is 0.53LSB , the integral nonlinearity , and the noise figure are 0.72LSB , Signal - to - Noise - and - Noise Ratio , respectively . The signal - to - noise distortion ratio is 0.34LSB , the effective number of bits ( ENOB ) is 6.27bitS . The differential nonlinearity of the current - rudder DAC is 0.34 LSB , the integration nonlinearity is 0.47 LSB , the signal - to - noise distortion ratio is 4.7bitS . The chip area of the receiving link analog baseband is 1.56mm2 , the power consumption is 16.99mW , the analog baseband chip area of the transmission link is 0.24 mm2 , and the power consumption is 7.58 mW .

【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN929.5;TP212.9;TN859

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本文編號：1843080