专利名称：用于物联网短距离无线互联无线节点的超低功耗收发机的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线节点的极低功耗技术领域，特别是涉及一种用于物联网短距离无线互联无线节点的超低功耗收发机。
背景技术：
自从物联网(Internet of Things)的概念诞生,在学界和工业界掀起了研究浪潮。无线节点是物联网、短距离无线互联及信息传输的基本物理组成部分和组网元件，随着城市的无线通信技术应用和发展，对无线节点性能提出了新的要求，可以概括为以下三点
I)低成本；2)小尺寸；3)低功耗，其中低功耗是最苛刻的要求。虽然在低功耗技术方面取得了一些进展，但是还远远不能满足低功耗的要求。资料表明西方国家包括美国以及德国、法国、比利时、瑞典等欧洲国家以及亚洲国家韩国、日本在降低无线系统功耗问题上投入了大量的研究。加州大学洛杉矶分校(UCLA)的无线集成网络传感器实验室，主要研发低功耗的无线传输网路，以及相应的电路。麻省理工学院(MIT)Anantha P. Chandrakasan曾于2007年在固态电路杂志(JSSC)—篇能量有效ASK收发机，该收发机能够降低功耗并有效地利用能量。加州大学伯克利分校从事这方面的研究更多，Jan Rabaey在加州大学伯克利分校组建了 PicoRadio Project,针对高密度无线网络中超低功耗无线节点的研究。同时还有一些大型的公司参与推出的物联网节点电路，企图采用低功耗设计并将其作为市场定位和买点，如Noordic Semiconductor (瑞典)的ANT物联网组网芯片以及TI的CClOOO和CCllOO及CC2430芯片系列。国内无线系统超低功耗技术相关的研究刚刚起步，还远远地落后于国外。目前，没有实际可用的技术报告出来。虽然国内外针对物联网、短距离无线互联及信息传输的超低功耗技术都有相关的研究报道，但是仍然大部分处于研发的阶段，存在着一些问题而不能推向市场。一方面由于为了满足电路工作的要求而使用生产的成本较高，比如大部分收发机采用一些高性能的滤波器如体声波BAW、表面波SAW和薄膜腔声谐振器(FBAR)。这些虽能够提高收发机的性能，但体积比较大、成本较高。另一方面，由于国家之间的频率分配标准不一样，研究适用于中国物联网频段的无线节点收发机电路，目前仍远落后于国外。比如，国外大部分收发电路的工作频率2. 4GHz、915MHz，而国内相关的工作频率为780MHz/433MHz， 并且也没有相应的高性能的滤波器产品。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于物联网短距离无线互联无线节点的超低功耗收发机，使得物联网无线节点的功耗降低。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种用于物联网短距离无线互联无线节点的超低功耗收发机，包括发射机电路和接收机电路，所述发射机电路包括级联的LC压控振荡器、预分频器、曼彻斯特编码和调制器、功率放大器；所述LC压控振荡器和预分频器用于产生载频信号；所述曼彻斯特编码器和调制器将基带信号编码、调制到载频信号上形成发射信号；所述功率放大器用于放大发射信号；所述接收机电路包括级联的低噪声放大器、射频自动增益放大器、差分解调器和曼彻斯特解码器以及模数转换器；所述低噪声放大器和射频自动增益放大器用于放大收到的信号；所述差分解调器和曼彻斯特解码器用于将放大的信号解调和解码；所述模数转换器将解调和解码的模拟信号转换为数字信号。所述曼彻斯特编码和调制器和模数转换器之间还设有限幅器；所述限幅器用于限制解调器输出的信号幅值。所述LC压控振荡器采用LC谐振回路实现。所述功率放大器为包含有多个档位的功率放大器，并采用调节L型匹配电路。所述低噪声放大器采用L型输入匹配电路。所述射频自动增益放大器为多级射频自动增益放大器。所述模数转换器为Ibit模数转换器。所述的超低功耗无线收发机用于物联网、短距离无线互联及信息传输。
有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果本发明采用结构简化、高能量效率的收发机架构，避免了高功耗模块比如混频器和本地振荡器的使用，能够进一步的减少功耗。本发明采用了无额外滤波器的L型低噪声放大器，能够大大的减少接收机电路的功耗。本发明采用多档放大的自动增益放大器，在合适的设计情况下，收发机电路的接收灵敏度可达到-80dBm。
图1是本发明中发射机电路结构方框图；图2是本发明中接收机电路结构方框图；图3是本发明的PCB电路连接原理图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本发明的射频收发机系统电路，以低成本的780MHz载频的信号进行收发。该系统包括780MHz收发机芯片和芯片外围的匹配电路、测试点和控制引脚。芯片裸片尺寸
主要包括发射机电路(TX)和接收机电路(RX)，并且能够通过天线进行无线收发信号。其中，发射机电路如图1所示，包括级联的LC压控振荡器、预分频器、曼彻斯特编码器和调制器、带有三个档位的功率放大器和发射天线；接收机电路如图2所示，包括级联的接收天线、高低模式低噪声放大器、四级射频自动增益放大器、差分解调器和曼彻斯特解码器和Ibit模数转换器。本发明不使用高性能的滤波器，为低成本、低功耗的收发机，能够发射和接收780MHz载频的信号，适用于物联网、短距离无线互联及信息传输。
所述LC压控振荡器和预分频器用于产生载频信号；所述曼彻斯特编码器和调制器将基带信号调制到载频信号上形成发射信号；所述功率放大器用于放大发射信号；所述发射天线将功率放大器放大的信号发射；所述接收天线用于接收发射天线发射的信号；所述低噪声放大器和射频自动增益放大器用于放大收到的信号；所述差分解调器和曼彻斯特解码器用于将放大的信号解调和解码；所述模数转换器将解调和解码的模拟信号转换为数字信号。所述差分解调器和曼彻斯特解码器和模数转换器之间还设有限幅器；所述限幅器用于限制差分解调器和曼彻斯特解码器输出的信号幅值，避免噪声的干扰。其中，压控振荡器采用LC谐振回路实现，不带有锁相环，能够减少所述收发机的功耗，同时产生所述收发机需要的载频。功率放大器为包含有三个档位的功率放大器，从而能够根据功率放大器档位发射不同的功率的信号，以便于检测发射电路的工作。同时所述功率放大器采用调节L型匹配电路，最大程度放大信号。曼彻斯特编码器和调制器能够将基带信号调制到收发机的载频信号，使发射机电路发射780MHz的信号。所述低噪声放大器采用简单的L型输入匹配电路，没有使用高性能的滤波器如体声波BAW、表面波SAW和薄膜腔声谐振器(FBAR)，而能够提高所述收发机的灵敏度。所述射频自动增益放大器为四级射频自动增益放大器，可实现多档控制放大，能够使收发机接收不同的输入信号。所述模数转换器采用I比特模数转换器，由于所述收发机的基带信号是比较简单的信号，只需要I比特就可以处理信号。如图3所示，采用PCB进行测试，其中PCB测试板用到4个MP2000-ADJ型号的LDO芯片，这 4 个 LDO 芯片分别给 RX_VDD，TX_VC0_VDD, PA_VDD 和 MAX3013_VDD12 提供1. 2v 的电压，其整个PCB板采用3. 3v统一供电，而收发电路工作电压为1. 2V，所以需要进行电平转换。采用MP2000-ADJ型号 的LDO芯片的输入端连接到3. 3v电压，通过20K的可变电阻进行分压，使得输出电压为1. 2V，然后在通过PCB上的Jump连接到芯片相应的VDD端口，控制芯片的工作。当单独控制TX电路时，UlO的I端和2端连接起来，通过对Ul跳线来灵活选择接地电平还是高电平；由外部电路来控制TX时，UlO的2端和3端连接起来，U6的I端和2端连接起来。U19和U20控制发射机接通TX_VC0_VDD，通过片外20K可变电阻Rl和电阻R2分压，调整压控振荡器的电压Tx_Vtrl能够有效的控制LC压控振荡器产生的频率，然后经过预二分频器获得所需要的载波。TX_DATA_IN端口的控制，由U27和U30组成。当IOT芯片的TX_DATA_IN端口接地时，U27的2端和3端连接起来，U30的I端和2端连起接来；当IOT芯片的TX_DATA_IN端口接VDD时，U27的2端和3端连接起来，U30的2端和3端连起接来；当IOT芯片的TX_DATA_IN端口接片外的基带数据输入时，U27的I端和2端连接起来。PA_GM〈0>和PA_GM〈1> (U17和U18)可以控制发射机PA的工作模式。当U17的I端和2端连接和U18的2端和3端连接时，PA工作在低功耗模式输出功率下为-1dbm ;当U17的2端和3端连接和U18的I端和2端连接时，PA工作在中等功耗模式下输出功率为4dbm ；当U17的I端和2端连接和U18的I端和2端连接时，PA工作在高功耗模式下输出功率为9dbm。同时L型L3、C19为PA的匹配电路，当PA的输出功率处于不同低档时，可以调节L型匹配电路，从而提高PA的输出效率。当单独控制RX电路时，U12的I端和2端连接起来，通过对U3跳线来灵活选择接地电平还是高电平；由外部电路来控制RX时，U12的2端和3端连接起来，U8的I端和2端连接起来。U33控制整个接收机的供压，当RX正常工作时，应使其连接。L4和C22构成RX_LNA_IN的L型匹配网络，调试L型匹配网络，使Sll在780M附近小于-12db。RX_LNA_OUT端口接片外的L5、C29构成的并联谐振负载，已获得最大增益。射频自动增益放大器(RFPGA)有四个不同的档位，每个档位最高增益10db，由U50、U51、U52、U53和U54控制RF PGA的这四个档位。然后采用差分解调器进行双端输出。在经过Ibit模数转换，输出所需要的
解调信号。其中接收机的总噪声公式
权利要求
1.一种用于物联网短距离无线互联无线节点的超低功耗收发机，包括发射机电路和接收机电路，其特征在于，所述发射机电路包括级联的LC压控振荡器、预分频器、曼彻斯特编码和调制器、功率放大器；所述LC压控振荡器和预分频器用于产生载频信号；所述曼彻斯特编码器和调制器将基带信号编码、调制到载频信号上形成发射信号；所述功率放大器用于放大发射信号；所述接收机电路包括级联的低噪声放大器、射频自动增益放大器、差分解调器和曼彻斯特解码器以及模数转换器；所述低噪声放大器和射频自动增益放大器用于放大收到的信号；所述差分解调器和曼彻斯特解码器用于将放大的信号解调和解码；所述模数转换器将解调和解码的模拟信号转换为数字信号。
2.根据权利要求1所述的用于物联网短距离无线互联无线节点的超低功耗收发机，其特征在于，所述曼彻斯特编码和调制器和模数转换器之间还设有限幅器；所述限幅器用于限制解调器输出的信号幅值。
3.根据权利要求1所述的用于物联网短距离无线互联无线节点的超低功耗收发机，其特征在于，所述LC压控振荡器采用LC谐振回路实现。
4.根据权利要求1所述的用于物联网短距离无线互联无线节点的超低功耗收发机，其特征在于，所述功率放大器为包含有多个档位的功率放大器，采用调节L型匹配电路。
5.根据权利要求1所述的用于物联网短距离无线互联无线节点的超低功耗收发机，其特征在于，所述低噪声放大器采用L型输入匹配电路。
6.根据权利要求1所述的用于物联网短距离无线互联无线节点的超低功耗收发机，其特征在于，所述射频自动增益放大器为多级射频自动增益放大器。
7.根据权利要求1所述的用于物联网短距离无线互联无线节点的超低功耗收发机，其特征在于，所述模数转换器为Ibit模数转换器。
8.根据权利要求1所述的用于物联网短距离无线互联无线节点的超低功耗收发机，其特征在于，所述超低功耗收发机用于物联网、短距离无线互联及信息传输。
全文摘要
本发明涉及一种用于物联网短距离无线互联无线节点的超低功耗收发机，包括发射机电路和接收机电路。所述发射机电路包括LC压控振荡器和预分频器用于产生载频信号；信号调制器将方波基带信号调制到载频信号上形成发射信号；功率放大器用于放大发射信号。所述接收机电路包括低噪声放大器和射频自动增益放大器用于放大收到的信号；用于将放大的信号解调出来；模数转换器将解调出的模拟信号转换为数字信号。本发明将使得物联网无线节点的传输功耗显著降低。
文档编号H04B1/40GK103036588SQ20121051756
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月5日 优先权日2012年12月5日
发明者田彤, 张科, 刘宏, 孟凡振 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所