面向移动物联网应用的低功耗收发机关键技术研究

Recent advancement in the low power system-on-chip (SoC) design for wireless connectivity opens potential markets for internet of things (IoT), machine-to-machine (M2M), batteryless wireless sensor network (WSN), mobile healthcare applications, and wearable devices. For those systems, energy efficiency, design flexibility and scalability are important factors. As more than 70% of the total power of recent wireless SoCs is dissipated by RF front ends, the low power transceiver design becomes critical...This research focuses on the design of low power, high energy efficiency transceiver systems with hardware verification. In this work, a novel wide band pulse transmission method is considered to solve the pulse energy limitation problem in the conventional UWB transceiver system and provide a simple pulse generation scheme to relax the transmitter design. In addition, various receiver architectures will be explored to realize a low complex receiver system. Out of this research, we will develop an energy-efficient yet robust short-range transceiver system with the novel transmission method by considering the trade-off among data rate, power consumption and communication distance. which is highly useful for future mobile IoT systems.

低功耗无线通信系统芯片近年来发展迅速，为其在未来物联网、节点到节点间通信、无需电池供电无线传感器网络、移动医疗等应用领域打开了广阔的市场前景。对那些系统而言，能量效率、设计灵活性和系统可缩放性是非常重要的考虑因素。因为就目前短距离无线通信SoC来说，70%的系统总功率消耗在射频前端，低功耗的无线收发机设计变得尤为重要。..本项目着重研究低功耗、高能量效率的无线收发机系统的设计和芯片级的测试验证。本研究提出了一种新颖的宽带脉冲传输方法，用来解决传统脉冲超宽带收发机系统中脉冲能量受限的问题，并给出了一种简化的脉冲产生方法来降低发射机电路的设计难度。此外还给出一种低系统复杂度接收机系统结构与实现方法。本项目最终提出了一种基于新的信号发射方式的可靠的高能量效率的短距离收发机系统并充分扩大了数据传输率、系统功耗和通信距离之间的妥协空间，使该系统方案在未来移动物联网具有极高的应用前景。

低功耗无线通信技术发展迅速，在物联网领域的应用日益广泛，而收发机芯片作为无线通信技术的核心，在无线通信技术的发展中起到了至关重要的作用。本项目面向移动物联网应用，重点针对收发机的能量效率、测距精度、链路裕量、系统鲁棒性等核心问题展开研究，在脉冲超宽带收发机、高数据率频率调制收发机和低功耗相位跟踪接收机三个方向，基于标准CMOS工艺完成10款收发机或接收机芯片的设计及流片验证。..对于脉冲超宽带收发机，本项目面向无线安全认证应用，提出了基于距离边界检测和信号飞行时间测距的中继攻击物理层防御方案，论证了脉冲超宽带通信技术相比于窄带通信技术在安全性上具有优势。同时针对传统脉冲超宽带收发机的固有缺陷提出了多项新技术：（1）提出了跳频宽带传输技术，不仅扩大收发机的通信距离，而且提高频谱利用效率，实现频带带宽、频带数目和功率谱密度的灵活配置。（2）基于跳频宽带传输技术提出了基于能量检测的测距技术，实现厘米级的测距精度。（3）提出了一种基于相干解调的滑动中频宽带接收机结构，实现良好的抗窄带干扰性能。（4）提出了不确定中频的接收机结构，在保证良好抗窄带干扰性能的同时，有效地降低了系统功耗。..对于高数据率频率调制收发机，本课题针对传统高数据率收发机系统功耗和灵敏度相互制约的问题，提出了BFOOK和QB-FSK两种新型频率调制方法和边带能量检测的解调方法，在频率调制收发机中首次实现了>100Mb/s的数据率。..对于低功耗相位跟踪接收机，本课题引入双通道结构解决了接收机锁定范围和解调性能之间的矛盾；同时多相二进制鉴相锁相环实现了模拟解调信号的数字量化，有效降低了系统功耗。..项目执行过程中发表学术论文17篇，其中期刊论文6篇，会议论文11篇。申请国家发明专利3项，其中已获授权1项。