zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Kĩ thuật Viễn thông

Máy thu tín hiệu điều chế CMS-OOK công suất thấp trên công nghệ SOTB 65nm ứng dụng cho mạng cảm biến không dây

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Báo xấu

17
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày việc đề xuất một cấu trúc máy thu để thu tín hiệu điều chế CMS-OOK với công suất tiêu thụ thấp và khả năng chống nhiễu được cải thiện. Máy thu được thực hiện trên công nghệ CMOS SOTB 65nm của Renesas.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Máy thu tín hiệu điều chế CMS-OOK công suất thấp trên công nghệ SOTB 65nm ứng dụng cho mạng cảm biến không dây

Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Máy Thu Tín Hiệu Điều Chế CMS-OOK Công Suất Thấp Trên Công Nghệ SOTB 65nm Ứng Dụng Cho Mạng Cảm Biến Không Dây Nguyễn Văn Trung, Nguyễn Thuỳ Linh, Kiều Khắc Phương, và Nguyễn Huy Hoàng Khoa Vô Tuyến Điện Tử, Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự 236 Hoàng Quốc Việt, Bắc Từ Liêm, Hà Nội Email: trungcs2@lqdtu.edu.vn Abstract — Hiện nay, mạng cảm biến không dây nên vô dụng nếu các nguồn năng lượng này bị cạn kiệt (MCBKD) đã và đang thu hút được nhiều sự quan tâm và sẽ chỉ trở lại khi vấn đề nguồn cung cấp được giải của các nhà khoa học bởi những tiềm năng ứng dụng to quyết. Để kéo dài thời gian hoạt động của các NCB sử lớn của nó trong hầu hết các lĩnh vực đời sống. Để duy trì dụng nguồn năng lượng hạn chế, một trong các giải thời gian hoạt động lâu dài với nguồn cung cấp năng lượng hạn chế, các nốt cảm biến (NCB) được yêu cầu có pháp trực tiếp nhất là cắt giảm công suất tiêu thụ của công suất tiêu thụ thấp. Sơ đồ điều chế CMS-OOK đã phần thiết bị thu phát tín hiệu vô tuyến của các NCB được đề xuất với các ưu điểm về hiệu quả sử dụng năng kết hợp với chế độ làm việc hợp lý [2]. Để giải quyết lượng, nâng cao khả năng chống nhiễu cho hệ thống thu vấn đề này, nhóm tác giả trong [3] đã đề xuất sơ đồ phát vô tuyến. Máy phát CMS-OOK được thực hiện trên điều chế mã đồng bộ OOK (Code-Modulated công nghệ CMOS SOTB 65nm đã cho thấy sự hiệu quả Synchronized On-Off Keying - CMS-OOK) kết hợp về mặt năng lượng sử dụng cũng như cho phép sử dụng với kỹ thuật điều tần nhờ điều khiển điện áp cực thân các bộ khuếch đại công suất với độ tuyến tính không cao. của thiết bị SOTB CMOS. Kết quả mô phỏng và đo Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một cấu trúc máy đạc thực nghiệm cho thấy, máy phát (Transmitter - TX) thu để thu tín hiệu điều chế CMS-OOK với công suất tiêu thụ thấp và khả năng chống nhiễu được cải thiện. tín hiệu CMS-OOK được đề xuất tiêu thụ công suất rất Máy thu được thực hiện trên công nghệ CMOS SOTB thấp so với các máy phát sử dụng dạng điều chế khác. 65nm của Renesas. Kết quả mô phỏng cho thấy, máy thu Tính ưu việt của sơ đồ điều chế CMS-OOK không chỉ hoạt động ở dải tần 2.4GHz, tốc độ dữ liệu 1kbps đạt độ thể hiện ở phía TX, các ưu điểm của nó còn được thể nhạy -76dBm, tiêu thụ công suất 38.8uW với điện áp hiện ở phía máy thu (Receiver - RX). Trong bài báo nguồn cung cấp 1V cho phần mạch tương tự và 0.5V cho này, cấu trúc RX dùng để thu tín hiệu CMS-OOK được phần mạch số. Bên cạnh đó, việc sử dụng bộ tương quan đề xuất. Thiết kế RX được thực hiện trên công nghệ số giúp nâng cao khả năng chống nhiễu của hệ thống thu CMOS SOTB 65nm của Renesas. Kết quả mô phỏng phát sử dụng điều chế CMS-OOK. cho thấy, RX hoạt động tốt với công suất tiêu thụ thấp, Keywords - Mạng cảm biến không dây, Nốt cảm biến, 38.8uW, với độ nhạy khá tốt -76dBm ở tốc độ dữ liệu Máy thu, Công suất thấp, CMS-OOK, SOTB CMOS 65nm. 1kbps. Bên cạnh đó, sơ đồ điều chế CMS-OOK sử dụng mã giả ngẫu nhiên (Pseudo Noise - PN) để trải phổ tín hiệu giúp nâng cao khả năng chống nhiếu của I. GIỚI THIỆU RX so với các hệ thống sử dụng điều chế OOK truyền Các mạng cảm biến không dây (MCBKD) ngày càng thống và S-OOK trong bài báo [3]. trở nên phổ biến trong hầu hết mọi mặt của cuộc sống Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: bởi những tiềm năng to lớn của nó. Các ứng dụng của Phần II giới thiệu cấu trúc và nguyên lý làm việc của MCBKD trải khắp trên nhiều lĩnh vực như giám sát máy thu CMS-OOK được đề xuất. Sau đó, các kết quả môi trường, nhà thông minh, đô thị thông minh, các mô phỏng của RX đó trên công nghệ CMOS SOTB ứng dụng y tế, an ninh – quốc phòng,… Mỗi MCBKD được trình bày, so sánh và thảo luận ở phần III. Cuối thường bao gồm hàng trăm, thậm chí hàng nghìn nốt cùng, các kết luận được đưa ra trong phần IV. cảm biến (NCB) phân bố trong không gian với khả năng cảm nhận, tự xử lý một phần dữ liệu và kết nối II. CẤU TRÚC MÁY THU ĐƯỢC ĐỀ XUẤT với các NCB khác hoặc với gateway [1]. Điều đáng 1. Sơ đồ khối và nguyên lý làm việc chú ý là, phần lớn năng lượng tiêu thụ của một NCB là Trước khi giới thiệu cấu trúc máy thu CMS-OOK được ở quá trình thu nhận tín hiệu qua phần máy thu phát vô đề xuất, chúng ta quan sát lại sơ đồ khối và giản đồ tín tuyến. Năng lượng cung cấp cho NCB hầu hết được hiệu làm việc của máy phát CMS-OOK đã được công cung cấp từ các nguồn năng lượng hạn chế như pin bố trong nghiên cứu [4] như biểu diễn ở hình 1 dưới hoặc các bộ thu thập năng lượng. Do đó, NCB sẽ trở đây. ISBN: 978-604-80-5076-4 168
Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) SDATA sẽ được khôi phục (RA TƯƠNG QUAN). Trong trường hợp chuỗi xung thu nhận được không tương ứng với mã đã dùng ở TX thì không có xung đầu ra bộ tương quan số. Tín hiệu RA TƯƠNG QUAN sau đó sẽ được giải điều chế nhờ bộ GIẢI ĐIỀU CHẾ S- OOK để tái tạo dữ liệu đã được gửi đi từ TX (DỮ LIỆU RA). Để cắt giảm năng lượng tiêu thụ của RX, a) tín hiệu RFENA được tạo ra từ phần mạch số đóng vai trò như xung cửa sổ điều khiển cấp nguồn cho phần mạch tương tự khi có chùm xung RF VÀO đến và ngắt điện khi không có chùm xung này ở đầu vào. Kỹ thuật này giúp cho CMS-OOK RX tiết kiệm một lượng đáng kể năng lượng tiêu thụ. Bên cạnh đó, tuyến tần số tín hiệu với hệ số tạp âm khá thấp và hệ số khuếch đại lớn giúp tăng độ nhạy của RX, điều này giúp tăng cự ly làm việc của hệ thống CMS-OOK. Hơn nữa, nhờ việc b) sử dụng mã PN nên khả năng chống nhiễu của máy thu Hình 1. a) Sơ đồ khối máy phát CMS-OOK CMS-OOK được tăng cường. b) Giản đồ tín hiệu máy phát CMS-OOK Tín hiệu START điều khiển cho RX bắt đầu làm việc ở đây được giả thiết lấy từ một máy thu đánh thức hệ Để thu nhận và giải điều chế được tín hiệu được truyền thống (Wake-up Receiver - WuRx) có công suất tiêu tới từ máy phát CMS-OOK ở trên, chúng tôi đề xuất thụ rất nhỏ như được mô tả ở hình 3. máy thu với sơ đồ khối được biểu diễn như ở hình 2a). a) Hình 3. Máy thu CMS-OOK kết hợp WuRx 2. Thiết kế máy thu CMS-OOK trên công nghệ CMOS SOTB 65nm RX được đề xuất bao gồm hai phần: phần mạch tương b) tự và phần mạch số. Phần mạch tương tự bao gồm mạch LNA kết hợp với Hình 2. a) Sơ đồ khối CMS-OOK RX được đề xuất các tầng KĐCT, mạch tách sóng biên độ và bộ so sánh. b) Nguyên lý làm việc theo giản đồ tín hiệu Mạch LNA sử dụng cấu trúc mạch khuếch đại vi sai kiểu CS bất đối xứng với các tụ Cc1 và Cc2 kết hợp với Nguyên lý làm việc của RX trên được mô tả thông qua giản đồ sóng tín hiệu trong hình 2b). Tín hiệu CMS- OOK được phát đi từ TX sẽ được cảm ứng qua ăng ten đưa tới đầu vào RX (RF VÀO), tín hiệu này được khuếch đại bởi LNA và KĐCT để cho tín hiệu RF RA cung cấp cho mạch tách sóng biên độ. Tiếp đó, tín hiệu RF RA được giải điều chế và đưa qua bộ so sánh để tạo ra chuỗi xung đưa tới phần mạch số (RA SO SÁNH). Trong phần mạch số, một mạch tương quan số sử dụng kỹ thuật lấy mẫu tần số cao thực hiện so sánh chuỗi xung thu nhận được với mã PN đã thực hiện ở TX. Nếu tín hiệu thu được tương ứng với mã PN đã biết trước thì các xung dữ liệu và xung đồng bộ của dạng điều chế Hình 4. Sơ đồ mạch LNA ISBN: 978-604-80-5076-4 169
Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) tải là các cuộn cảm on-chip Ld1 và Ld2 để nhằm đạt Trên cơ sở tín hiệu đưa tới từ phần mạch tương tự, bộ được hệ số tạp âm thấp ở công suất tiêu thụ cho trước tương quan số sẽ thực hiện đối chiếu luồng bit nhận (hình 4). Ở đầu vào của LNA được tính toán để phối được với mã PN đã được sử dụng ở TX. Nếu tín hiệu hợp trở kháng bởi Lg1, Lg2 và Cg1, Cg2 trong đó có tính này phù hợp với mã PN, một xung ở mức cao (bit ‘1’) tới các tham số ký sinh của mạch bảo vệ phóng điện sẽ được sinh ra ở cuối mỗi chuỗi bit và ngược lại. Để tĩnh (Electro Static Discharge - ESD) và các pad khi nâng cao khả năng chống nhiễu của RX nhờ bộ tương dùng phương án thực hiện nối dây từ IC ra bo mạch in. quan số, kỹ thuật lấy mẫu tần số cao được sử dụng. Khi Các cuộn cảm on-chip được sử dụng có hệ số phẩm đó, bằng cách thay đổi ngưỡng quyết định của bộ chất không cao nhằm tạo ra dải thông đủ rộng để thu tương quan số, tín hiệu sẽ được khôi phục với xác suất tín hiệu CMS-OOK. Mạch KĐCT gồm các tầng lỗi thấp nhất. Tín hiệu sau bộ tương quan số và tạo khuếch đại vi sai CS đối xứng với cấu trúc tương tự xung được sử dụng nhằm tạo ra tín hiệu XUNG DÀI và LNA, chỉ khác là tải cuộn cảm được thay thế bằng tải tín hiệu đồng bộ dữ liệu DCLK. Cùng lúc, tín hiệu sau điện trở. TẠO XUNG cũng được sử dụng để tạo XUNG NGẮN Mạch tách sóng biên độ và so sánh được mô tả trên và được đọc bởi DCLK đẩy DỮ LIỆU RA. Ngoài ra, hình 5. từ tín hiệu đưa tới, xung cửa sổ RFENA được tạo ra để đóng mở phần mạch tương tự nhằm tiết kiệm năng lượng khi không có chùm tín hiệu tới. III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Trong phần này, các kết quả mô phỏng máy thu CMS- OOK trên công nghệ CMOS SOTB 65nm được trình bày. Phần mạch tương tự được mô phỏng trên phần mềm HSICE trong khi hoạt động của phần mạch số được kiểm chứng qua phần mềm MODELSIM. Phần mạch tương tự được tính toán khi kể tới các tham số ký sinh do ảnh hưởng của mạch bảo vệ ESD, của Hình 5. Mạch tách sóng biên độ và so sánh pad trên mạch in và các dây dẫn bonding. Các tham số mô phỏng được lựa chọn như sau: CESD = 0.5pF, Lb = Nhờ sử dụng mạch so sánh với các bộ đệm ở phần 1nH, Lg1 = Lg2 = 9nH với trở trong rg = 25Ω, Ld1 = Ld2 cuối của phần mạch tương tự, tín hiệu được đưa tới = 20nH, rd = 110Ω. Toàn bộ phần mạch tương tự hoạt phần mạch số có dạng chuỗi bit – phù hợp cho mạch động với nguồn một chiều Vcc = 1V. Mô phỏng trên số làm việc. miền thời gian phần mạch tương tự được biểu diễn Phần mạch số có sơ đồ khối và giản đồ xung làm việc trong hình 7. được mô tả như trong hình 6. a) Hình 7: Dạng sóng của phần mạch tương tự b) Hình 6. a) Sơ đồ khối phần mạch số b) Giản đồ xung phần mạch số Hình 8. Hệ số tạp âm, tham số S11, S21[dB] ISBN: 978-604-80-5076-4 170
Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Hệ số tạp âm (Noise Figure - NF) của tuyến RF xấp xỉ 8dB, hệ số khuếch đại đạt 40dB tại dải tần 2.4GHz. Giá trị NF này là khá cao để đạt mục tiêu RX độ nhạy cao, tuy nhiên là giá trị chấp nhận được trong điều kiện công suất tiêu thụ cho phép hữu hạn. Mạch tương tự hoạt động tốt với tín hiệu RF vào nhỏ nhất -76dBm. Nguồn tạp âm chủ yếu do điện trở trong của cuộn cảm on-chip dùng để phối hợp Lg1 and Lg2 gây ra khi lựa chọn độ phẩm chất cuộn cảm không cao nhằm đạt được dải thông đủ rộng để thu tín hiệu điều chế mã từ TX. Hình 10. Layout CMS-OOK RX trên công nghệ CMOS Chuỗi dữ liệu đầu ra thu được từ mô phỏng phần mạch SOTB 65nm được tự được lưu lại và dùng như là dữ liệu đầu vào của phần mạch số. Phần mạch số được thực hiện lập IV. KẾT LUẬN trình và mô phỏng trên ModelSim. Với tốc độ dữ liệu Trong bài báo này, chúng tôi đã đề xuất một cấu trúc được giả thiết 1kbps, tần số CLK của TX là 3.1MHz, tỉ máy thu tín hiệu điều chế CMS-OOK. Độ nhạy của lệ xung Tb/TP = 10, tần số CLK bên máy thu thực hiện máy thu được cải thiện nhờ sử dụng LNA và KĐCT, lấy mẫu tần số cao gấp đôi là 6.2MHz. Dạng sóng mô điều này bị trả giá bởi sự gia tăng năng lượng tiêu thụ. phỏng đạt được như ở hình 9. Công suất máy thu được giảm đi nhờ tín hiệu cửa sổ RFENA điều khiển đóng mở mạch cấp nguồn cho phần mạch tương tự vốn tiêu tốn nhiều năng lượng khi không có tín hiệu hữu ích tới RX. Bên cạnh đó, việc sử dụng điều chế mã và bộ tương quan số kết hợp kỹ thuật lấy mẫu tần số cao giúp tăng khả năng chống nhiễu của RX. CMS-OOK RX đã được thực hiện trên công nghệ CMOS SOTB 65nm. Kết quả mô phỏng cho thấy, RX Hình 9. Kết quả mô phỏng phần mạch số đạt độ nhạy -76dBm, tiêu thụ công suất 38.8uW với điện áp nguồn một chiều 1V/0.5V tương ưng cho phần Kết quả mô phỏng cho thấy cả phần mạch số và phần mạch tương tự và mạch số tại tốc độ dữ liệu 1kbps. Kết mạch tương tự của RX CMS-OOK đều hoạt động tốt, quả cũng cho thấy, độ chống nhiễu của hệ thống được có thể giải điều chế khôi phục tín hiệu gửi đi từ CMS- tăng lên nhờ việc sử dụng điều chế mã ở máy phát và OOK TX. RX đạt độ nhạy -76dBm với công suất tiêu giải điều chế mã bằng bộ tương quan số ở máy thu với thụ 38.8uW ở tốc độ dữ liệu 1kbps. Bên cạnh đó, khi ngưỡng quyết định thích nghi. Hệ thống thu phát vô thực hiện cộng thêm nhiễu đủ mạnh vào tín hiệu đưa tuyến sử dụng điều chế CMS-OOK rất phù hợp cho các tới RX, một số lỗi bit xuất hiện. Điều này có thể khắc hệ thống MCBKD tốc độ thấp như các MCBKD dùng phục phần nào bằng cách thay đổi ngưỡng quyết định cảm biến nhịp để theo dõi các thông số của môi trường của bộ tương quan số một cách phù hợp. Rõ ràng, tính như nhiệt độ, độ ẩm, mực nước,… chống nhiễu của RX đã được nâng cao hơn nhiều so với hệ thống OOK truyền thống cũng như hệ thống S- TÀI LIỆU THAM KHẢO OOK được công bố trong [3]. So sánh với các thiết kế [1] M.Ahlawat, “Wireless Sensor Network – A theoretical review,” Int. J. Wired and Wireless Communications, vol. 1, máy thu ở cùng dải tần được trình bày trong bảng 1, Isssu 2, pp. 12-19, Apr. 2013. thiết kế RX này có công suất tiêu thụ lớn hơn so với [2] H. Nakamura et al., "Normally-off computing project: RX ở [5] nhưng có độ nhạy tốt hơn vượt trội (-76dBm Challenges and opportunities," 19th ASP-DAC, Singapore, pp. so với -56dBm). So sánh với RX được đề xuất trong 1-5, 2014. [6], độ nhạy của thiết kế này kém hơn 1.3 lần nhưng [3] M. T. Hoang et al., “A 1.36µW 312-315MHz Synchronized- công suất tiêu thụ thấp hơn gần 20 lần. OOK Receiver for Wireless sensor Networks Using 65nm SOTB CMOS Technology,” Elsevier Solid-State Electronic Hình 10 mô tả layout của máy thu CMS-OOK được 117, pp. 161-169, 2016. thiết kế và chế tạo trên công nghệ CMOS SOTB 65nm. [4] V. T. Nguyen et al., “83nJ/bit Transmitter Using Code- Modulated Synchronized-OOK on 65nm SOTB for Normally- Bảng 1: So sánh với các thiết kế RX cùng dải tần khác Off Wireless Sensor Networks,” IEICE Trans. On Electronics, Vo1. E101-C.472, pp. 472-472, Jul. 2018. Tham số Ref. [5] Ref. [6] CMS- ISSCC’16 T-CAS-I’17 OOK RX [5] N. E. Roberts et al., "A 236nW −56.5dBm-sensitivity Công nghệ 65nm 90nm 65nm bluetooth low-energy wakeup receiver with energy harvesting in 65nm CMOS," 2016 IEEE International Solid-State Circuits Điều chế OOK OOK, TSSS-OOK CMS-OOK Conference (ISSCC), San Francisco, CA, 2016, pp. 450-451. Tương quan số 31-bit - 31-bit Điện áp DC (V) 1/0.5 1.2/1.8/ 2.5 1/0.5 [6] S. J. Kim et al., "A 2.4-GHz Ternary Sequence Spread Spectrum OOK Transceiver for Reliable and Ultra-Low Power Công suất (uW) 0.104/0.236 614/2200 38.8 Sensor Network Applications," in IEEE Transactions on Độ nhạy (dBm) -39/56.5 -91/93 -76 Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 64, no. 11, pp. Tốc độ dữ liệu 8.192kbps 1Mcps 1kbps 2976-2987, Nov. 2017. ISBN: 978-604-80-5076-4 171

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2428 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.