WSN無線收發(fā)機中模擬基帶的設計與研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，WSN)隨著各種交叉學科的興起和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，不但在學術界廣受各大高校和科研單位的重點關注，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，其技術目前正逐漸被應用于民用領域如醫(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)境復雜，使得低成本、低功耗、高集成度的無線收發(fā)機芯片設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

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計對WSN的應用具有重要意義。因此，本文基于IEEE802.15.4協(xié)議和ZigBee技術，完成一款2.4GHz無線收發(fā)機中模擬基帶電路的設計與研究。
　　本文對ZigBee技術的特點以及其在WSN應用中的發(fā)展狀況作了系統(tǒng)的描述，結合國內外學術界和工業(yè)界近年來在ZigBee無線收發(fā)機方面的研究與生產現(xiàn)狀，提出了低功耗、高集成度收發(fā)機模擬基帶的設計目標。在文中仔細介紹了無線收發(fā)電路各項

3、性能指標的概念和意義，并進行了詳盡的數(shù)學推導，得到了關鍵指標的計算方法。之后，結合IEEE802.15.4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計指標。接收鏈路濾波器采用3階巴特沃斯復數(shù)帶通濾波器(Complex Band Pass Filter，Complex BPF)結構，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

4、濾波器電阻電容常數(shù)對工藝電壓溫度(Process VoltageTemperature，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)頻率自動調諧，確保了濾波器頻率響應的準確性?？勺冊鲆娣糯笃?VariableGain Amplifier，VGA)由粗調級和細調級組成，其中粗調級由四級固定增益放大器(Fixed

5、 Gain Amplifier，F(xiàn)GA)通過交流耦合的方式級聯(lián)而成;增益細調級電路由可編程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA）構成，通過控制反饋網(wǎng)絡的電阻比例系數(shù)完成對VGA的步長調節(jié)。設計了一款7位16MS/s采樣速率的流水線模數(shù)轉換器(Analog-to-Digital Converter，ADC)。提出了一種結合運放共享和電容共享技術的時間共享技術，該技術通過對流水線結構中前后兩級運放所需不

6、同建立時間的利用，能夠有效的消除記憶效應，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)模轉換器（Digital-to-Analog Converter，DAC）采用電流舵結構，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結構?；陔娏鲉卧妮敵鲎杩购头抢硐腴_關信號對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態(tài)誤差開關驅動電路的設計。設計了一款由兩級雙二階結構(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TSMC0.18μm1P4M1.8V CMOS工藝，完成了WSN無線收發(fā)機模擬基帶電路的版圖設計，在后仿真通過后對無線收發(fā)機進行了流片，并針對文中設計的模擬基帶電路進行了性能測試。測試結果表明，復數(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，輸入三階交調點和噪聲系數(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