WSN無線收發(fā)機(jī)中模擬基帶的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、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(diǎn)關(guān)注，在工業(yè)界也展現(xiàn)出極具競(jìng)爭(zhēng)力的市場(chǎng)表現(xiàn)和巨大的市場(chǎng)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(cè)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(diǎn)組網(wǎng)規(guī)模大，布點(diǎn)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(jī)芯片設(shè)計(jì)成為了人們研究的熱點(diǎn)。作為能耗和面積在整個(gè)收發(fā)機(jī)中

2、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(jì)對(duì)WSN的應(yīng)用具有重要意義。因此，本文基于IEEE802.15.4協(xié)議和ZigBee技術(shù)，完成一款2.4GHz無線收發(fā)機(jī)中模擬基帶電路的設(shè)計(jì)與研究。
　　本文對(duì)ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)以及其在WSN應(yīng)用中的發(fā)展?fàn)顩r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(jī)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(jī)模擬基帶的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在文中仔細(xì)介紹了無線收發(fā)電路各項(xiàng)

3、性能指標(biāo)的概念和意義，并進(jìn)行了詳盡的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得到了關(guān)鍵指標(biāo)的計(jì)算方法。之后，結(jié)合IEEE802.15.4協(xié)議要求以及各電路模塊的功能特點(diǎn)，基于電路的可實(shí)現(xiàn)性，給出了收發(fā)機(jī)模擬基帶各個(gè)電路模塊的設(shè)計(jì)指標(biāo)。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(fù)頻率軸上具有對(duì)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(duì)

4、濾波器電阻電容常數(shù)對(duì)工藝電壓溫度(Process VoltageTemperature，PVT)波動(dòng)敏感的特點(diǎn)，提出了一種低功耗、小面積的混合信號(hào)頻率自動(dòng)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(dòng)調(diào)諧，確保了濾波器頻率響應(yīng)的準(zhǔn)確性?？勺?cè)鲆娣糯笃?VariableGain Amplifier，VGA)由粗調(diào)級(jí)和細(xì)調(diào)級(jí)組成，其中粗調(diào)級(jí)由四級(jí)固定增益放大器(Fixed

5、 Gain Amplifier，F(xiàn)GA)通過交流耦合的方式級(jí)聯(lián)而成;增益細(xì)調(diào)級(jí)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(duì)VGA的步長(zhǎng)調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)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(yùn)放共享和電容共享技術(shù)的時(shí)間共享技術(shù)，該技術(shù)通過對(duì)流水線結(jié)構(gòu)中前后兩級(jí)運(yùn)放所需不

6、同建立時(shí)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(shí)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(duì)電流舵DAC不同分段方案對(duì)其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能和功耗面積的影響進(jìn)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(hào)對(duì)DAC性能影響的分析，完成了高輸出阻抗

7、的電流單元以及低動(dòng)態(tài)誤差開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了一款由兩級(jí)雙二階結(jié)構(gòu)(Biquad)級(jí)聯(lián)而成的4階低通濾波器(Low Pass Filter，LPF)，實(shí)現(xiàn)了抑制DAC輸出信號(hào)中高頻諧波的功能。
　　采用TSMC0.18μm1P4M1.8V CMOS工藝，完成了WSN無線收發(fā)機(jī)模擬基帶電路的版圖設(shè)計(jì)，在后仿真通過后對(duì)無線收發(fā)機(jī)進(jìn)行了流片，并針對(duì)文中設(shè)計(jì)的模擬基帶電路進(jìn)行了性能測(cè)試。測(cè)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

8、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(diǎn)(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(dòng)態(tài)范圍，增益步長(zhǎng)為2dB，增益誤差為0.52dB，輸入三階交調(diào)點(diǎn)和噪聲系數(shù)分別為-18.8dBm和28dB。流水線ADC的微分非線性（Diff

9、erential Nonlinearity，DNL）為0.53LSB，積分非線性(IntegralNonlinearity，INL)為0.72LSB，信噪失真比(Signal-to-Noise-and-Distortion Ratio，SNDR)為39.51dB，無雜散動(dòng)態(tài)范圍(Spurious Free Dynamic Range，SFDR)為50.48dB，有效位數(shù)（Effective Number of Bit，ENOB）為6.2