WSN无线收发机中模拟基带的设计与研究

发布时间：2018-05-04 12:33

本文选题：无线传感器网络 + ZigBee　；参考：《西安电子科技大学》2016年博士论文

【摘要】：无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)随着各种交叉学科的兴起和物联网的发展,不但在学术界广受各大高校和科研单位的重点关注,在工业界也展现出极具竞争力的市场表现和巨大的市场潜力,其技术目前正逐渐被应用于民用领域如医疗健康、工业监测以及智慧城市等方面,具有广阔的发展前景。由于WSN节点组网规模大,布点环境复杂,使得低成本、低功耗、高集成度的无线收发机芯片设计成为了人们研究的热点。作为能耗和面积在整个收发机中占据较大比重的模拟基带电路,其低功耗和高集成度设计对WSN的应用具有重要意义。因此,本文基于IEEE 802.15.4协议和ZigBee技术,完成一款2.4GHz无线收发机中模拟基带电路的设计与研究。本文对ZigBee技术的特点以及其在WSN应用中的发展状况作了系统的描述,结合国内外学术界和工业界近年来在ZigBee无线收发机方面的研究与生产现状,提出了低功耗、高集成度收发机模拟基带的设计目标。在文中仔细介绍了无线收发电路各项性能指标的概念和意义,并进行了详尽的数学推导,得到了关键指标的计算方法。之后,结合IEEE 802.15.4协议要求以及各电路模块的功能特点,基于电路的可实现性,给出了收发机模拟基带各个电路模块的设计指标。接收链路滤波器采用3阶巴特沃斯复数带通滤波器(Complex Band Pass Filter, Complex BPF)结构,解决了传统带通滤波器在正负频率轴上具有对称频率响应的问题,完成了接收链路中所需要的信道选择和镜像抑制功能。针对滤波器电阻电容常数对工艺电压温度(Process Voltage Temperature, PVT)波动敏感的特点,提出了一种低功耗、小面积的混合信号频率自动调谐电路,通过环形振荡器和数字算法完成逐次逼近型(Successive Approximation, SAR)频率自动调谐,确保了滤波器频率响应的准确性。可变增益放大器(Variable Gain Amplifier, VGA)由粗调级和细调级组成,其中粗调级由四级固定增益放大器(Fixed Gain Amplifier, FGA)通过交流耦合的方式级联而成;增益细调级电路由可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifier, PGA)构成,通过控制反馈网络的电阻比例系数完成对VGA的步长调节。设计了一款7位16MS/s采样速率的流水线模数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)。提出了一种结合运放共享和电容共享技术的时间共享技术,该技术通过对流水线结构中前后两级运放所需不同建立时间的利用,能够有效的消除记忆效应,在提高ADC的整体性能的同时减小了芯片面积的消耗,降低了ADC的整体功耗。数模转换器(Digital-to-Analog Converter, DAC)采用电流舵结构,精度为6位,采样速率为16MS/s,文中对电流舵DAC不同分段方案对其静态、动态性能和功耗面积的影响进行了探讨,并最终确定了4+2的分段电流舵DAC结构。基于电流单元的输出阻抗和非理想开关信号对DAC性能影响的分析,完成了高输出阻抗的电流单元以及低动态误差开关驱动电路的设计。设计了一款由两级双二阶结构(Biquad)级联而成的4阶低通滤波器(Low Pass Filter, LPF),实现了抑制DAC输出信号中高频谐波的功能。采用TSMC 0.18μm 1P4M 1.8V CMOS工艺,完成了WSN无线收发机模拟基带电路的版图设计,在后仿真通过后对无线收发机进行了流片,并针对文中设计的模拟基带电路进行了性能测试。测试结果表明,复数带通滤波器的中心频率和带宽分别为2.07MHz和2.93MHz,邻道抑制、间道抑制和镜像抑制分别为34dB、46dB和24dB,输入三阶交调点(Input Third-order Intercept Point, IIP3)和噪声系数(Noise Figure, NF)分别为18.7dBm和28.5dB。VGA总共提供70dB的动态范围,增益步长为2dB,增益误差为0.52dB,输入三阶交调点和噪声系数分别为-18.8dBm和28dB。流水线ADC的微分非线性(Differential Nonlinearity, DNL)为0.53LSB,积分非线性(Integral Nonlinearity, INL)为0.72LSB,信噪失真比(Signal-to-Noise-and-Distortion Ratio, SNDR)为39.51dB,无杂散动态范围(Spurious Free Dynamic Range, SFDR)为50.48dB,有效位数(Effective Number of Bit, ENOB)为6.27bitS。电流舵DAC的微分非线性为0.34LSB,积分非线性为0.47LSB,信噪失真比为29.87dB,无杂散动态范围为34.8dB,有效位数为4.7bitS。LPF的截止频率为1.37MHz,阻带衰减为47dB@16MHz。接收链路模拟基带的芯片面积为1.56mm2,功耗为16.99mW,发射链路的模拟基带芯片面积为0.24mm2,功耗为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 .

【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN929.5;TP212.9;TN859

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