1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)用于采集、處理和傳輸處于網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度、壓力、光照強(qiáng)度以及氣流速度等多種環(huán)境數(shù)據(jù)，它具有布網(wǎng)靈活、使用時(shí)間長、隱蔽性強(qiáng)以及容錯(cuò)性高等特點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療健康、農(nóng)業(yè)環(huán)境、智能家居和智能建筑、火災(zāi)救援、軍事以及海洋監(jiān)測等領(lǐng)域。由于其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資源受限并長時(shí)間暴露在外部環(huán)境中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仍然面臨著成本、功耗和安全的問題。為了降低WSN的成本和功耗，本

2、文分別在體系結(jié)構(gòu)和具體電路上對WSN的無線收發(fā)機(jī)芯片進(jìn)行優(yōu)化研究；為了提升WSN的安全性，本文還對無線收發(fā)機(jī)芯片的物理安全防護(hù)措施展開了研究。
　　首先，在體系結(jié)構(gòu)上，提出了一種新型的低中頻通斷鍵控(On/Off Keying,OOK)調(diào)制無線收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)，其核心思想是同時(shí)在模擬域和數(shù)字域?qū)Φ椭蓄l信號進(jìn)行濾波：首先對放大后的中頻信號進(jìn)行閾值比較，并放大至軌到軌數(shù)字信號，以實(shí)現(xiàn)模擬域的閾值比較濾波；然后數(shù)字基帶解調(diào)電路對該數(shù)字信號進(jìn)行

3、數(shù)字域的脈沖計(jì)數(shù)濾波。該接收結(jié)構(gòu)能夠提升接收機(jī)的抗噪聲性能，所要求的基帶輸入信號信噪比小于6 dB，且無需自動增益控制電路，基帶解調(diào)電路也較為簡單，因而總的功耗和面積均較小。對接收誤碼率的理論分析和MATLAB仿真驗(yàn)證了該收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)的有效性。
　　其次，在具體電路上，為了降低無線收發(fā)機(jī)的成本，首先研究了無片上電感的射頻前端電路，包括無電感寬帶低噪放大器(Low Noise Amplifier,LNA)、鍵合線電感功率放大器(Pow

4、er Amplifier,PA)以及基于環(huán)形振蕩器的鎖相環(huán)(Phase Locked Loop,PLL)電路；同時(shí)，提出了一種只有10個(gè)MOS晶體管構(gòu)成的線性電壓-電流轉(zhuǎn)換器，以進(jìn)一步降低PLL的面積。該電壓-電流線性轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡單，不包含運(yùn)算放大器和電阻，面積僅為2200μm2；然后，采用多個(gè)片上低壓差線性穩(wěn)壓源對各個(gè)電路模塊進(jìn)行分電源供電，以減小片外器件的使用。而為了降低無線收發(fā)機(jī)的功耗，首先，對收發(fā)機(jī)進(jìn)行電源管理，及時(shí)關(guān)閉無需工作

5、的電路模塊。其次，針對PLL中功耗較大的高速預(yù)分頻器，提出了只有5條NMOS-like支路構(gòu)成的2/3預(yù)分頻器，該新型2/3預(yù)分頻器在降低功耗的同時(shí)，還能獲得較寬的工作頻率范圍，由其構(gòu)成的16/17預(yù)分頻器工作頻率范圍擴(kuò)展至0.5~8 GHz，最大電流消耗僅為0.8 mA。
　　然后，設(shè)計(jì)了工作在中低頻范圍的鏡像抑制濾波器、硬判決電路、基準(zhǔn)電源電路以及基帶解調(diào)器電路。由于無電感寬帶LNA沒有鏡像抑制能力，因此采用了基于Nauto反

6、相器跨導(dǎo)單元的片上復(fù)數(shù)濾波器對鏡像干擾信號進(jìn)行抑制；同時(shí)，采用帶失調(diào)消除功能的硬判決電路對濾波后的中頻信號進(jìn)行放大和閾值濾波；而基準(zhǔn)電源包括電源管理、帶隙基準(zhǔn)電壓源、數(shù)字類和模擬類低壓差線性穩(wěn)壓源和參考電壓產(chǎn)生電路等，用于為整個(gè)芯片提供不隨工藝、溫度和電壓變化的穩(wěn)定的電源和偏置電壓。為了將數(shù)字中頻信號轉(zhuǎn)換為有用接收信號，還基于脈沖計(jì)數(shù)理論提出了適合該新型OOK收發(fā)機(jī)的數(shù)字基帶解調(diào)器。
　　最后，基于開關(guān)電容物理不可克隆函數(shù)(Phy

7、sical Uncolonable Function,PUF)對無線收發(fā)機(jī)芯片進(jìn)行了防外部侵入式和半侵入式攻擊研究：首先提出一種基于PUF和高級加密標(biāo)準(zhǔn)(Advanced Encryption Standard,AES)密碼算法的無線收發(fā)機(jī)安全體系結(jié)構(gòu)，以對無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行物理層保護(hù)；然后，提出了一種基于開關(guān)電容的PUF電路，用于為AES密碼算法提供穩(wěn)定的、統(tǒng)計(jì)性良好的密鑰；同時(shí)，利用開關(guān)電容PUF的容性敏感特性并結(jié)合隨機(jī)復(fù)位技術(shù)對無

8、線收發(fā)機(jī)芯片進(jìn)行了防外部侵入式和半侵入式攻擊設(shè)計(jì)。與現(xiàn)有芯片安全防護(hù)技術(shù)相比，該安全防護(hù)措施具有更高、更穩(wěn)定的防外部侵入式攻擊靈敏度，其所能檢測的由外部攻擊引起的容值變化為2.65 fF。
　　仿真結(jié)果表明，本文提出的新型OOK無線收發(fā)機(jī)能夠正確進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，其芯片面積小于2.8 mm2，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的電流消耗分別低至7.6 mA和7.06 mA，
　　同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低成本和低功耗。測試結(jié)果表明，本文提出的芯片安全性防