关键词： 燃油工程机械   低功耗   实时监测  

摘要： 目前燃油工程机械设备数据采集终端大多采用车辆电瓶供电，在车辆出现闲置时，极大增加车辆电瓶的亏电概率，影响车辆电瓶使用寿命，从而影响车辆正常使用。为此，本文着重介绍了一种燃油工程机械监测低功耗技术，通过对监测终端进行智能化改造，实现燃油工程机械低功耗监测，避免车辆电瓶亏电等情况出现。

关键词： 反向散射通信   WiFi   QAM反向散射   低功耗   导频子载波  

摘要： 近年来,随着智能物联网技术的快速发展,形式多样的智能传感设备被广泛地部署在各行各业。由于智能传感器受到设备尺寸和部署场景等多方面的制约,其电池容量有限并且充电机会匮乏,因此物联网技术对低功耗的无线传输有着十分迫切地需求。作为一种极具特色的无源通信解决方案,反向散射技术在当前备受研究者们关注。由于反向散射标签可以通过反射所处环境中的外部载波实现自身数据的传输,它不需要像主动式无线电设备装配能量消耗极高的高频载波发生器来进行无线通信。反向散射技术能够让物联网设备以微瓦级的超低功耗实现数据的无线传输,在智能物联网的普及发展实践中具有重大意义。 WiFi技术作为时下最主流的一种短距无线技术,其基础设施被广泛地部署于人们的日常生活环境中。因此WiFi与反向散射系统的结合意味着无源物联网设备能够尽可能地融入现有网络结构并且获得充分的数据传输机会,因而颇具吸引力。当前主流的基于WiFi信号的反向散射研究所采用的基本框架大多是由HitchHike所提出的码字转换技术。码字转换的关键在于反向散射标签在反射入射信号的同时将一个有效码字转换为另一个有效码字,从而实现将标签数据搭载到外部载波上。由于使用码字转换调制时,反射信号必须在有效码字间进行转换,WiFi反向散射标签的调制速率倍受制约。此外,由于标签数据的解析高度依赖充当载波的入射WiFi信号的内容,基于码字转换技术的WiFi反向散射系统或是需要定制化外部载波发生源(生成一段单频信号用于标签反射传输)、或是需要部署一个包含两台以上WiFi设备的复杂接收端(同时捕获入射信号和标签调制后的反向散射信号)以解析数据。以上两种WiFi反向散射结构均存在传输速率低下并且部署成本高昂的问题,在系统的泛用性方面存在严重缺陷,不利于反向散射技术的推广。 为了进一步提高反向散射系统的泛用性和系统吞吐量,本文通过对导频子载波的研究和充分利用提出了 PilotScatter。PilotScatter设计了一套与传统的基于码字转换的反向散射系统截然不同的调制解调方法,能支持16-QAM(Quadrature amplitude modulation)的高速率WiFi反向散射通信并且仅需单个WiFi接收机即可部署系统。因此,PilotScatter在提高了 WiFi反向散射系统传输速率的同时还降低了系统部署成本,十分有利于WiFi反向散射技术的推广。PilotScatter的设计主要包含了三个模块: ***反向散射标签设计:正交幅度调制是OFDM(Orthogonal frequency-divisionmultiplexing)系统中广泛应用的高速率调制技术,为了实现更高效的WiFi反向散射,反向散射标签必须要能够支持QAM调制。根据电磁波反射原理,信号在发生反射时,反射信号与标签的瞬时反射系数相关。传统的反向散射标签通常无法自由控制负载电路的阻抗,因此难以支持QAM等高速率调制。针对这一问题,PilotScatter提出了一种基于微带线阻抗匹配的反向散射标签设计。通过动态控制反向散射标签的反射系数能够实现对反射信号相位和幅度的双重控制从而能够支持QAM反向散射的实施。 2.基于导频的QAM反向散射调制解调方法:基于码字转换的反向散射系统仅支持最基础的调制速率以避免调制过程中产生无效码字而导致的调制失败,因此它无法支持高速率的反射传输。此外,这类系统在解析标签数据时需要参考入射信号的内容,因此或是需要使用专用设备生成单频音充当入射信号、或是需要在接收端部署复数台接收机,造成巨大的硬件开销浪费。为了提高传输速率并降低部署成本,PilotScatter基于对导频子载波的观察,提出了直接修改入射信号的导频子载波的相位和幅度来进行数据调制解调的新颖方法。此外,对于导频子载波上误差累计干扰的问题,PilotScatter的反向散射接收机进一步提出了使用差分解调算法对导频子载波进行处理,从而精确地解调标签数据。 3.载波数据恢复算法:传统的反向散射传输过程中,标签的调制过程对入射信号的影响是破坏性的。当使用环境WiFi信号充当入射信号时,被反向散射标签反射后的信号无法进行正常的WiFi传输。这导致反向散射通信占用了标准WiFi传输的宝贵带宽。针对这一问题,PilotScatter提出了一种载波数据恢复算法。该算法可以让PilotScatter的接收机在通过导频子载波解析反向散射数据后对数据子载波进行校准,从而恢复WiFi载波数据,实现单次反向散射通信中标签数据和载波WiFi数据的同时传输。 PilotScatter的新颖设计使本研究成为第一个可以支持16-QAM传输的高速率WiFi反向散射通信系统。此外,PilotScatter还可以在仅采用单个发射器和单个接收器的情况下进行部署,显著降低了部署成本。本文在室内外等

关键词： 低功耗蓝牙   室内定位   指纹库   指纹定位  

摘要： 随着移动通信的高速发展、智能终端的广泛普及和定位需求的不断增长,定位技术的研究越来越处于重要位置。目前,全球导航卫星系统(GNSS)可以为人们提供米级甚至分米级、厘米级的室外定位精度,但在室内,由于GNSS信号受到多径效应和建筑物遮挡的影响,无法利用卫星导航技术获取实时准确的室内定位结果。数十年来,国内外学者已提出诸多室内定位解决方案与室内定位方法,单一的定位技术和定位方法有各自的优势和局限性。其中,低功耗蓝牙(BLE)技术具有成本低、能耗低、操作简单、续航时间长等优点,但同时具有信号易受环境干扰的劣势;指纹定位方法无需信号解算,且不受非视距误差的影响,但构建指纹库时需要耗费一定时间精力。综合考虑成本和技术难度,本文选择使用低功耗蓝牙定位技术和指纹定位方法进行研究。主要研究内容如下: (1)蓝牙信号预处理方法改进。对低功耗蓝牙的接收信号强度指示(RSSI)进行分析,设计了一种DTMMM加权混合滤波算法对RSSI进行预处理,剔除了数据中的异常值,减少了来自多种因素所产生的信号误差。使用该加权混合滤波模型预处理后的数据进行定位测试,测试点的平均点位误差为2.167m,比另外三种经典的单一滤波算法:均值滤波、中值滤波、高斯滤波分别小3.999m、4.973m、3.214m,异常值对定位精度的影响显著降低。 (2)指纹库补偿方法优化。针对初始指纹库部分蓝牙接入点(AP)的信号值数量空白的情况,设计并改进了一种基于对数距离路径损耗模型的加权K最近邻(WKNN)补偿算法,对缺失值进行补偿。该模型首先利用K最近邻(KNN)方法选择缺失值附近的邻居,然后引入对数距离路径损耗模型调节权重,防止异常的邻居信号值对定位结果造成影响。通过实验对比验证了经补偿缺失值后的指纹库,在在线阶段WKNN定位中,其定位结果的平均点位误差较初始指纹库减小了约34.495%,提高了定位精度和稳定性。 (3)指纹库降维方法优化。设计了一种PC-LDA指纹库降维方法,提取指纹库的最大特征信息,去除冗余信息、降低计算时间和复杂度。通过实验对比验证了经降维后的补偿指纹库,在在线阶段WKNN定位中,其定位时间相较于未经降维的指纹库缩短了约25.705ms,速度提升了约50.450%,在保持较好定位精度的同时有效提高了定位效率。

关键词： 大规模无源物联网   低功耗无晶振多址标签   多子载波多址背散射通信   子载波频率校准   全双工通信   无晶振接收   载波锁定本振时钟生成  

摘要： 全球的物联网节点连接数迎来爆炸性增长,在未来几十年内将到达万亿量级,发展大规模无源物联网越来越引起重视,从网络层面其具备大容量、频谱和能源效率要求较高、异构性明显等特点。与此同时,其中的节点要求使用环境能自供电,具备无电池特性,功耗限制十分严格;要求具备低成本,小体积特点,减少片外元件例如晶振的使用;要求兼容发展新一代多址技术。 基于这一研究背景需求,本文提出设计低功耗无晶振多址通信标签芯片,并划分了两条研究路线,其一是多子载波多址背散射通信标签的研发,目的在于继承背散射通信标签低成本低功耗无晶振无电池的特点,提升其多址通信潜力;其二是无晶振短距主动通信标签,目的在于拓展目前短距物联网协议针对大规模无源物联网场景的应用潜力,发展其低功耗无晶振通信的可能性,在达到环境能自供电功耗要求的同时降低节点成本和体积。因此,本文的主要研究贡献总结如下: (1)针对多子载波多址背散射通信标签研究,提出了在多子载波多址背散射并发数据传感时的全双工通信策略,使得并发数据传感可控,为同时进行连续时钟校准提供支撑。提出的全双工通信技术是首次在多子载波多址背散射通信的上行并发数据流中实现ASK调制系数10%～30%的下行链路命令全双工解调,实现了多子载波多址背散射通信与EPC Gen2通信的无缝切换。 针对多子载波多址背散射通信的子载波时钟生成问题,提出了两步上行子载波时钟校准策略,在Gen2模式时构造无线片上振荡器频率校准环路实现上行子载波信道分配,支撑多子载波多址背散射通信启动,在并发数据传感时提出上行子载波频率连续跟踪技术,提升子载波频率对于环境的鲁棒性。所提出的上行子载波时钟校准策略能够在Gen2模式通信时校准单个标签以及在多子载波多址背散射通信时同时校准多个标签的片上时钟,产生精度±1k Hz以内的子载波频率,并免受温度环境的影响。 基于以上技术,本文在130nm CMOS工艺上设计流片了多子载波多址背散射通信标签,并搭建了多点加速度传感原型系统,实现了4个节点同步并发的三轴加速度数据流传输,同时提供一个传感平台可拓展至其余物理量检测以及实现接近10～2量级多点并发传感。 (2)针对无晶振短距主动通信标签研究,首先研究了无晶振通信的可行性和实现基础,之后综述分类无晶振接收系统架构,并提出了Class-AB中频反馈无晶振接收机的概念,同时比较证实其低功耗低复杂度低成本的设计优势。所提出的架构分类有助于将频率综合领域的技术应用到无晶振接收机设计,形成新的研究方向和应用架构。 基于提出的Class-AB中频反馈无晶振接收机分类,阐述了其应用在BLE协议中的设计考虑,并提出了一个无晶振接收系统设计实例,提出了近低中频工作的无晶振接收策略,之后建模验证了整个无晶振短距主动通信标签接收系统和其中的载波锁定本振时钟生成技术。这些技术可应用到低功耗不定中频和唤醒接收机设计领域,并且有助于在低功耗无晶振时恢复出优异频率稳定度的中频时钟,作为无晶振发射的参考基准,实现无晶振有源发送。 基于以上技术,本文在55nm CMOS工艺设计流片了无晶振短距主动通信标签原型接收系统芯片,测试结果表明关键模块指标达到设计要求,整个接收系统能够在0.3mW以内的功耗下达到-75dBm的接收灵敏度。接收链路功耗202.4uW,链路噪声系数14dB;本振功耗70uW,在1MHz频偏处相位噪声-110dBc/Hz。

关键词： 逐次逼近型模数转换器   高速   低功耗  

摘要： 近些年,中国的制造业逐渐发展起来,同时由于中美贸易战的影响,使得国内对于模拟IC的需求量不断提高,而模数转换器是高端模拟IC中极为重要的一部分,因为其设计难度相对较高,研发周期长,导致更新迭代速度较慢。尽管如此,对于高性能ADC的需求却并没有减少,在许多实际应用中,例如光通信系统,高速串行接口需要几十甚至上百GHZ采样率的ADC,这些ADC需要具有低功耗,面积小等优点。对于这样的需求,时间交织SAR ADC成为最佳选择,对于采样率要求的不断提高,需要单通道SAR ADC具有更快的速度和更低的功耗,这样可以减少交织通道数量,从而降低交织过程带来的额外校准工作。 本文基于高速SAR ADC,首先了解其工作原理,性能指标,以及各种不同的混合架构SAR ADC,同时介绍几种适用于SAR ADC的前沿技术。然后详细分析其采样过程,包括采样的噪声、非线性、电荷注入以及时钟馈通;之后详细介绍不同的电容阵列以及翻转方式,分析了不同方式的优缺点。同时通过建模对SAR ADC中几种最主要的噪声进行分析。随后详细介绍了本设计中所用到的各个电路模块,采样开关选择栅压自举型结构,电容阵列选择分裂电容和递归权重型电容阵列。同时对其中最为核心的比较器模块进行了结构上的优化,选择了动态偏置结构的Double-Tail型动态比较器,得到了较好的比较器噪声性能。随后设计了一款8bit且带有一位冗余位的Two-step SAR ADC,该结构使用了无源传输技术,电路结构简单同时性能也可以满足要求。采样率为1GS/s,前仿真结果得到了46.7d B的信噪失真比,同时本设计的品质因数（Figure of Merit,Fo M）FOMW为7.3f J/conversion-step,得到了较高的品质因数。