- Trang Chủ
- 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
Xem mẫu
- 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
nguon tai.lieu . vn
