適用于WSN的無線收發(fā)機芯片關鍵技術研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network,WSN)用于采集、處理和傳輸處于網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內的溫度、濕度、壓力、光照強度以及氣流速度等多種環(huán)境數(shù)據(jù)，它具有布網(wǎng)靈活、使用時間長、隱蔽性強以及容錯性高等特點，目前已經(jīng)廣泛應用于醫(yī)療健康、農(nóng)業(yè)環(huán)境、智能家居和智能建筑、火災救援、軍事以及海洋監(jiān)測等領域。由于其網(wǎng)絡節(jié)點資源受限并長時間暴露在外部環(huán)境中，無線傳感器網(wǎng)絡仍然面臨著成本、功耗和安全的問題。為了降低WSN的成本和功耗，本

2、文分別在體系結構和具體電路上對WSN的無線收發(fā)機芯片進行優(yōu)化研究；為了提升WSN的安全性，本文還對無線收發(fā)機芯片的物理安全防護措施展開了研究。
　　首先，在體系結構上，提出了一種新型的低中頻通斷鍵控(On/Off Keying,OOK)調制無線收發(fā)機結構，其核心思想是同時在模擬域和數(shù)字域對低中頻信號進行濾波：首先對放大后的中頻信號進行閾值比較，并放大至軌到軌數(shù)字信號，以實現(xiàn)模擬域的閾值比較濾波；然后數(shù)字基帶解調電路對該數(shù)字信號進行

3、數(shù)字域的脈沖計數(shù)濾波。該接收結構能夠提升接收機的抗噪聲性能，所要求的基帶輸入信號信噪比小于6 dB，且無需自動增益控制電路，基帶解調電路也較為簡單，因而總的功耗和面積均較小。對接收誤碼率的理論分析和MATLAB仿真驗證了該收發(fā)機結構的有效性。
　　其次，在具體電路上，為了降低無線收發(fā)機的成本，首先研究了無片上電感的射頻前端電路，包括無電感寬帶低噪放大器(Low Noise Amplifier,LNA)、鍵合線電感功率放大器(Pow

4、er Amplifier,PA)以及基于環(huán)形振蕩器的鎖相環(huán)(Phase Locked Loop,PLL)電路；同時，提出了一種只有10個MOS晶體管構成的線性電壓-電流轉換器，以進一步降低PLL的面積。該電壓-電流線性轉換器結構簡單，不包含運算放大器和電阻，面積僅為2200μm2；然后，采用多個片上低壓差線性穩(wěn)壓源對各個電路模塊進行分電源供電，以減小片外器件的使用。而為了降低無線收發(fā)機的功耗，首先，對收發(fā)機進行電源管理，及時關閉無需工作

5、的電路模塊。其次，針對PLL中功耗較大的高速預分頻器，提出了只有5條NMOS-like支路構成的2/3預分頻器，該新型2/3預分頻器在降低功耗的同時，還能獲得較寬的工作頻率范圍，由其構成的16/17預分頻器工作頻率范圍擴展至0.5~8 GHz，最大電流消耗僅為0.8 mA。
　　然后，設計了工作在中低頻范圍的鏡像抑制濾波器、硬判決電路、基準電源電路以及基帶解調器電路。由于無電感寬帶LNA沒有鏡像抑制能力，因此采用了基于Nauto反

6、相器跨導單元的片上復數(shù)濾波器對鏡像干擾信號進行抑制；同時，采用帶失調消除功能的硬判決電路對濾波后的中頻信號進行放大和閾值濾波；而基準電源包括電源管理、帶隙基準電壓源、數(shù)字類和模擬類低壓差線性穩(wěn)壓源和參考電壓產(chǎn)生電路等，用于為整個芯片提供不隨工藝、溫度和電壓變化的穩(wěn)定的電源和偏置電壓。為了將數(shù)字中頻信號轉換為有用接收信號，還基于脈沖計數(shù)理論提出了適合該新型OOK收發(fā)機的數(shù)字基帶解調器。
　　最后，基于開關電容物理不可克隆函數(shù)(Phy

7、sical Uncolonable Function,PUF)對無線收發(fā)機芯片進行了防外部侵入式和半侵入式攻擊研究：首先提出一種基于PUF和高級加密標準(Advanced Encryption Standard,AES)密碼算法的無線收發(fā)機安全體系結構，以對無線傳感器節(jié)點進行物理層保護；然后，提出了一種基于開關電容的PUF電路，用于為AES密碼算法提供穩(wěn)定的、統(tǒng)計性良好的密鑰；同時，利用開關電容PUF的容性敏感特性并結合隨機復位技術對無

8、線收發(fā)機芯片進行了防外部侵入式和半侵入式攻擊設計。與現(xiàn)有芯片安全防護技術相比，該安全防護措施具有更高、更穩(wěn)定的防外部侵入式攻擊靈敏度，其所能檢測的由外部攻擊引起的容值變化為2.65 fF。
　　仿真結果表明，本文提出的新型OOK無線收發(fā)機能夠正確進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，其芯片面積小于2.8 mm2，發(fā)射機和接收機的電流消耗分別低至7.6 mA和7.06 mA，
　　同時實現(xiàn)了低成本和低功耗。測試結果表明，本文提出的芯片安全性防