TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
THIẾT KẾ BỘ ĐÁNH THỨC CHO MẠNG
CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Sinh viên thực hiện
:
PHẠM VĂN DANH Lớp ĐT8 – K51
Giảng viên hướng dẫn
:
TS. PHẠM NGUYỄN THANH LOAN
Lớp ĐT8 - K51 PHẠM VĂN DANH (Khối LNA) Lớp ĐT11 – K51
Giảng viên hướng dẫn
:
TS. PHẠM NGUYỄN THANH LOAN
Cán bộ phản biện
:
TS. NGUYỄN ĐỨC MINH
Hà nội, 5-2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm 2011
Cán bộ phản biện
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: PHẠM VĂN DANH
Số hiệu sinh viên: 20060479
Ngành: Điện tử - Viễn thông Khoá: 51
Giảng viên hướng dẫn: TS. PHẠM NGUYỄN THANH LOAN
Cán bộ phản biện: TS. NGUYỄN ĐỨC MINH
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
Mỗi một nút cảm biến là một thiết bị điện rất nhỏ, nên chỉ được trang bị
nguồn năng lượng hạn chế, trong hầu hết các ứng dụng, do đặc thù nên việc tiếp
thêm năng lượng là không thể thực hiện được. Cho nên thời gian tồn tại của nút cảm
biến phụ thuộc vào tuổi thọ của nguồn năng lượng. Trong mạng cảm biến đa kết
nối, mỗi nút vừa đóng vai trò là điểm khởi đầu số liệu và định tuyến số liệu. Sự trục
trặc của vài nút có thể là nguyên nhân quan trọng của việc thay đổi hình thái mạng,
phải định tuyến lại gói tin và phải tổ chức lại mạng. Do đó việc bảo tồn nguồn năng
lượng và quản lý nguồn năng lượng là rất quan trọng. Vì lý do đó, mà đã có nhiều
nhà nghiên cứu cố gắng đi tìm giải pháp để quản lý và sử dụng năng lượng một
cách có hiêu quả. Và một số phương án đã được đưa ra:
• Nghiên cứu ứng dụng nguồn năng lượng mới.
• Tính toán, thiết kế các thuật toán, giao thức ít tiêu tốn năng lượng.
• Thiết kế, tối ưu phần cứng của từng nút mạng.
ii
Trong đồ án này, một giải pháp tổng thể đã được đưa ra để tối ưu năng lượng
tiêu thụ của toàn mạng. Đó là kết hợp giữa việc tối ưu phần cứng với việc lựa chọn,
ứng dụng một giao thức truy nhập phù hợp. Thông thường, để để điều khiển truy
nhập giữa các nút mạng, người ta sử dụng chu trình điều khiển mà trong đó cả nút
thu mà phát sẽ được bật tắt theo chu kỳ được xác định bởi tín hiệu đồng bộ. Tuy
nhiên giữa nút thu và nút phát thường mất đồng bộ, dẫn tới các nút này được bật lên
không đúng thời điểm, tiêu tốn năng lượng vô ích. Thay vì như vậy, một đề xuất
được đưa ra là sử dụng một bộ thu phụ có chức năng giống như bộ thu chính tuy
nhiên nó có cấu tạo đơn giản hơn và tiêu thụ năng lượng cực nhỏ, nó sẽ liên tục
giám sát kênh truyền, xử lý báo hiệu và gửi tín hiệu nhằm khởi động (đánh thức) bộ
thu phát chính khi cần thiết. Bộ thu phụ này còn gọi là bộ đánh thức.
Mục đích của đồ án là phân tích thiết kế bộ đánh thức tiêu thụ công suất thấp
500μW, hoạt động ở dải tần 2.4 GHz cho mạng cảm biến không dây. Đặc biệt bộ
đánh thức này sẽ được thiết kế chế tạo dựa trên nền tảng công nghệ CMOS 130 nm.
iv
Tóm tắt đồ án
Mạng cảm biến không dây ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực như quốc phòng, y tế, thương mại. Việc nghiên cứu phát triển và tối ưu
mạng cảm biến không dây là yêu cầu cấp thiết của thực tiễn. Một trong những vấn
đề cốt lõi khi xây dựng mạng cảm biết không dây là tối ưu công suất tiêu thụ của
toàn mạng. Trong nghiên cứu này giải pháp đã đưa ra là: sử dụng bộ đánh thức có
công suất tiêu thụ cực thấp, liên tục giám sát kênh truyền và đánh thức bộ truyền
thông dữ liệu chính khi cần thiết, nhờ vậy năng lượng tiêu hao của các nút mạng
cũng như toàn mạng đã được giảm đáng kể. Tuy nhiên một vấn đề mới đặt ra khi sử
dụng bộ đánh thức đó là: cấu trúc của bộ đánh thức phải như thế nào để vừa đảm
bảo được chức năng của một bộ thu vừa đáp ứng yêu cầu về năng lượng.
The goal of this project is to analyze and propose a structure for the wake-up
receiver (of the wireless sensor network) using modulated AM carrier (OOK) at 2.4
GHz range. That base on 130 nm CMOS technology. This structure use a block,
called Envelope detector instead of mixers and phase lock loop (PLL) to detect the
envelope of input sinal and gives output signal in digital waveform. Envelope
detector plays the role of a direct AM demodulator.Carrier is not transferred through
intermediate frequency. As The mixer and phase-locked loop are not used, power
consumption is reduced significantly. In fact, we have carried out the design and
analysis of two blocks that are the most important block in wake_up receiver
structure: low noise amplifier block, envelope detector block. The design of both
these blocks have already been completed with low power consumption (500 W),
good sensitivity (- 40 dB) and high stability. vi
Mục lục
Lời nói đầu i
Tóm tắt đồ án iv
Abstract v
Mục lục vi
Danh sách hình vẽ x
Danh sách các bảng biểu xiii
Danh sách các từ viết tắt xiv
Chương 1. Lý thuyết chung 1
2.4 Yêu cầu thiết kế bộ đánh thức 25
Chương 3. Thiết kế khối LNA 27
3.1 Lựa chọn sơ đồ thiết kế 27
3.2 Nguyên lý hoạt động 28
3.3 Các bước thiết kế 29
3.4 Phân tích và đánh giá kết quả đạt được theo từng bước thiết kế 29
3.4.1 Các tham số của mạch trước khi tối ưu 29
3.4.2 Xác định điện áp phân cực V
GS
trên M1 30
3.4.3 Xác định số finger của hai transistor 31
3.4.4 Xác định chiều dài (L) và chiều rộng (W) của mỗi Finger 33
3.4.5 Phối hợp trở kháng đầu vào (S
11
< -10 dB) 34
3.4.6 Phối hợp trở kháng đầu ra (S
22
< -10 dB) 37
3.4.7 Kết quả đạt được 45
viii
3.4.8 Thiết kế sơ đồ Layout cho khối LNA 46
3.4.9. Hướng tối ưu trong thời gian tới 49
Chương 4. Thiết kế khối tách biên 50
4.1 Nguyên lý giải điều chế sóng AM trực tiếp 50
4.2 Sơ đồ mạch nguyên lý 52
4.3 Nguyên lý hoạt động 53
4.4 Các bước thiết kế 55
x
Danh sách hình vẽ
Hình 1.1: Mô hình mạng cảm biến không dây 1
Hình 1.2: Cấu tạo nút mạng cảm biến 2
Hình 1.3: Mô hình truyền sóng 4
Hình 1.4: Sơ đồ đánh giá hiệu quả của kỹ thuật điều chế 6
Hình 1.5:Mô hình tương đương của điện trở ở tần số cao [1] 7
Hình 1.6: Sự phụ thuộc của điện trở vào tần số [1] 8
xi
Hình 3.8: Đồ thị quan hệ giữa NFmin với n1 với n1 tương ứng với các giá trị khác
nhau của n2 32
Hình 3.9: Đồ thị NFmin theo chiều rộng của finger (W) và chiều dài kênh L 33
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mới sau khi mắc thêm tụ Cex 35
Hình 3.11: Đồ thị Gmin theo Vbias và số Finger của M2 (n2) trên đồ thị Smith 35
Hình 3.12: Đồ thị S
11
theo Cex và Cin 36
Hình 3.13: Đồ thị quan hệ giữa S
11
và Cin 36
Hình 3.14: Giá trị Gmax, NFmin sau khi phối hợp trở kháng đầu vào 37
Hình 3.15: Đồ thị quan hệ giữa S
22
và Cout 38
Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý mắc thêm điện trở để phối hợp trở kháng đầu ra 38
Hình 3.17: Đồ thị biểu diễn đồ lớn của S
11
, S
22
theo giá trị R 39
Hình 3.18: Đồ thị S
11
theo số finger của M2 (8 ÷ 64) 40
Hình 3.19: Đồ thị S
11
và V
dc
58
Hình 4.7: Đồ thị nhiễu theo V
bias
và V
dc
59
xii
Hình 4.8: Đồ thị smith khảo sát Gmin theo n
1
và n
2
60
Hình 4.9: Đồ thị khảo sát Gmin theo n1, n2 61
Hình 4.10: Đồ thị smith khảo sát S
11
theo l
c1
và n
l2
61
Hình 4.11: Đồ thị khảo sát S
11
theo n
1
và n
2
xiii
Danh sách các bảng biểu
Bảng 3.1: Bảng các tham số ban đầu của LNA trước khi tối ưu 29
Bảng 3.2: Bảng tham số LNA trước khi phối hợp trở kháng 34
Bảng 3.3: Tham số của LNA sau khi phối hợp trở kháng 46
Bảng 4.1: Bảng các yêu cầu thiết kế 56
Bảng 4.2 : Các thiết lập ban đầu 57
Bảng 4.3: Giá trị một chiều của transistor 59
Bảng 4.4: Các tham số sau vào sau khi tối ưu 65
Bảng 4.5: Giá trị điện áp, dòng điện của transistor đã tối ưu 65
Bảng 1.1: Bảng các quy tắc layout 74
Gmax
Gain maximum
Hệ số khuếch đại lớn nhất
IC
Integrated Circuit
Mạch tích hợp
IF
Intermediate frequency
Tần số trung tần
LNA
Low Noise Amplifier
Khối khuếch đại tạp âm thấp
LO
Local Oscillator
Bộ dao động nội
MOSFET
Metal oxide semiconductor field-
effect Transistor
Transistor hiệu ứng trường kênh
cảm ứng.
NFmin
Noise Figure minimum
Hệ số nhiễu tối thiểu
NMOS
Negative Metal Oxide
Semiconductor
Transistor hiệu ứng trường loại N
OOK
ON OFF Keying
Điều chế số theo phương thức bật
Chương 1. Lý thuyết chung
1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây
1.1.1 Khái niệm
Mạng cảm biến không dây (Wireless sensor network) là sự kết hợp các khả
năng cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát,
phân tích và phản ứng lại các sự kiện, hiện tượng xảy ra trong một môi trường cụ
thể nào đó. Môi trường có thể là thế giới vật lý, hay hệ thống sinh học…
1.1.2 Cấu trúc mạng cảm biến
Mạng cảm biến không dây được tạo nên từ bốn thành phần cơ bản:
- Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hoặc phân tán.
- Mạng lưới liên kết các cảm biến (không dây hoặc có dây).
- Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu.
- Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm. Hình 1.1: Mô hình mạng cảm biến không dây
Hình 1.1 giới thiệu một mô hình cấu trúc mạng cảm biến phổ biến. Các cảm
biến liên kết theo giao thức multihop, phân chia cluster, chọn ra nút có khả năng tốt
nhất làm nút trung tâm, tất cả các nút loại này sẽ truyền dữ liệu về nút xử lý chính.
2
Nhờ vậy năng lượng cũng như băng thông kênh truyền sẽ được sử dụng hiệu quả
hơn.
Một vài đặc điểm của mạng cảm biến:
- Các nút phân bố dầy đặc.
- Các nút dễ bị hư hỏng.
- Giao thức mạng thay đổi thường xuyên.
- Các nút bị giới hạn về công suất, khả năng tính toán, bộ nhớ.
- Các nút có thể không được đồng nhất toàn hệ thống vì số lượng các
sát xe cộ, giao thông…
1.1.3 Vấn đề năng lượng của mạng cảm biến không dây
Nút mạng được cấu tạo từ bốn thành phần cơ bản: Bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ
truyền thông, bộ nguồn. Trong đó ba thành phần đầu tiên tiêu thụ năng lượng.
Công nghệ cảm biến ngày càng phát triển, bộ cảm biến ngày càng được tối ưu về
kích thước, hiệu quả hoạt động, năng lượng tiệu thụ có thể được giảm tới mức
không đáng kể. Trong khi đó, bộ xử lý sử dụng các vi xử lý số (chế tạo theo công
nghệ CMOS) có dòng điện hoạt động nhỏ, tiêu thụ một năng lượng tương đối thấp.
Bộ truyền thông với sự xuất hiện của các mạch tương tự, các linh kiện thụ động
tiêu thụ công suất vượt trội.
Do yêu cầu chức năng phần truyền thông bao gồm cả phát và thu số liệu cáo
cấu trúc tương đối phức tạp. Trong mạch thu phát, thường sử dụng các bộ trộn, các
bộ dao động điều khiển bằng điện áp, các vòng khóa pha (PPL) và các bộ khuếch
đại công suất tiêu thụ công suất đáng kể. Điều quan trọng là không chỉ quan tâm
đến công suất tiêu thụ tích cực mà còn xem xét tới công suất tiêu thụ khởi phát.
Thời gian khởi phát có thể lên tới hàng trăm s làm cho công suất khởi phát trở nên
4
đáng kể. Giá trị cao của thời gian khởi phát cao được cho là do thời gian khóa của
vòng khóa pha. Khi kích thước gói tin giảm nhỏ thì công suất khởi phát trở nên
đáng kể so với công suất tiêu thụ tích cực. Làm cho quá chuyển trạng thái từ tắt
(OFF) sang mở tiêu thụ một lượng điện năng lớn. Do ảnh hưởng của fading và suy
giảm đường truyền theo lũy thừa bậc cao, nên công suất tiêu thụ của bộ thu phát lớn
khi khoảng cách đường truyền tăng.
Như vậy muốn tối ưu năng lượng của nút mạng cảm biến thì cần phải tập
trung nghiên cứu phần truyền thông của nút. Từ những cấu trúc hiện có chúng ta có
thể tối ưu các tham số để giảm công suất tiêu thụ cho bộ phận truyền thông. Tuy
nhiên, để đạt được đột phá trong việc giảm công suất tiêu thụ chúng ta cần có những
nghiên cứu để thay đổi cấu trúc hiện có, tránh sử dụng những khối tiêu thụ công
- Thiết kế hệ thống anten.
- Dùng dạng tín hiệu điều chế thích hợp.
b. Điều chế tín hiệu
Tín hiệu được truyền đi ở dải tần cơ bản (baseband) tức là tín hiệu được phát
đi trực tiếp qua kênh truyền không qua biến đổi sóng mang. Tuy nhiên hệ thống
baseband thường bị giới hạn về khả năng truyền thông tin ở khoảng cách xa. Do đó
tín hiệu thường được điều chế trước khi truyền đi.
Dạng điều chế tín hiệu thường được sử dụng là điều chế biên độ(AM), điều
chế pha (PM), điều chế tần số (FM). Một số dạng điều chế số tương ứng là ASK
(amplitude shift keying), PSK (phase shift keying), FSK (frequency shift keying),
và sự kết hợp PSK-ASK tạo thành QAM (quadrature amplitude modulation).
Đối với kênh truyền số, dung lượng kênh truyền tối đa C của hệ thống đơn
sóng mang có băng thông phổ W, được định nghĩa bởi công thức Shannon:
C = Wlog
2
(1 + S/N)
(1.1)
6
Trong đó: S là công suất tín hiệu.
N là công suất nhiễu (giả sử kênh truyền có tác động của nhiễu
cộng Gaussian.)
Hình 1.4: Sơ đồ đánh giá hiệu quả của kỹ thuật điều chế
Hình 1.4 cho thấy hiệu quả đạt được khi sử dụng các kỹ thuật điều chế khác
nhau. Tỷ sô tín hiệu trên tạp âm ứng với một tốc độ bit nhất định. Ở tốc độ bit thấp
Hiện nay trong các vi mạch đều sử dụng các điện trở màng mỏng, do kích
thước cực nhỏ của chúng [1].
Hình 1.5:Mô hình tương đương của điện trở ở tần số cao [1]
Hình 1.5 mô tả mô hình tương đương của điện trở khi có tín hiệu tần số cao
đi qua. Như vậy ở tần số cao điện trở sẽ xuất hiện các tụ điện và cuộn cảm ký sinh,
lúc này nó không còn là thuần trở, và giá trị điện trở phụ thuộc vào tần số.
Copyright: Tài liệu đại học ©