Синтез и реализация синтезаторов частот для беспроводных систем радиочастотной идентификации

• Автор: Ахметов, Денис Булатович
• Шифр специальности: 05.12.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 178 с. : ил.

Содержание
Введение
Текущее состояние проблемы, перспективы, задачи
Беспроводные системы связи ближнего действия
Беспроводные сенсорные сети
Системы радиочастотной идентификации
Основные типы передатчиков
Картезианские схемы передатчиков
Полярные схемы передатчиков
Схемы передатчиков на основе синтезатора частот
Основные типы синтезаторов частот и методы формирования
дробного коэффициента деления
Общие положения
Метод подавления импульсов
Фазовая интерполяция и случайная модуляция по Уитли
Метод модуляции на основе дельта-сигма модуляторов
Характеристики передатчиков и синтезаторов частот
Цель и задачи работы
Методика синтеза и моделирование синтезаторов частот
Общие положения
Построение модели синтезатора частот без учета шумов
Особенности построения моделей блоков синтезатора с учетом
шумов
Анализ паразитных спектральных составляющих
Методика расчета фильтра нижних частот
Методика синтеза схем синтезатора частот
Обобщенная методика расчета
Методика расчета цепи накачки
Методика расчета триггеров блока делителя частоты

Выводы
Разработка синтезатора частот
Основные требования к характеристикам блоков устройства ... Анализ и разработка блоков синтезатора на схемном уровне
Блок фазового детектора
Блок цепи накачки
Генератор, управляемый напряжением
Блок делителя частоты
Дельта-сигма модулятор
Проведение моделирования
Функциональное моделирование в среде Бітиііпк
Моделирование на схемном уровне
Выводы
Экспериментальное исследование разработанного синтезатора
частот
Топология кристалла микросхемы
Моделирование синтезатора на физическом уровне
Анализ влияния технологических допусков на характеристики
синтезатора
Проведение измерений
Разработка тестовой платы
Методика измерений и описание измерительных установок
Измерение характеристик во временной области
Измерение характеристик в частотной области
Выводы
Заключение
Список литературы
Приложение А

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы диссертации
Уменьшение топологических норм при производстве интегральных микросхем на основе КМОП-технологии до 0,18 мкм и менее позволило увеличить частоту единичного усиления транзисторов по току до единиц и десятков гигагерц, уменьшить потребляемую мощность, повысить плотность компоновки транзисторов на подложке кристалла и, как следствие, уменьшить стоимость изделий. При этом достигается более высокая степень интеграции по сравнению с технологиями на основе кремниевых биполярных транзисторов и транзисторов на основе арсенида галлия (GaAs). В результате появилась возможность строить системы, включающие несколько десятков и сотен устройств, что позволило реализовать концепцию беспроводной сенсорной сети. Область применения таких систем обширна и включает: контроль производства, наблюдение за окружающей средой, отслеживание перемещений объектов, системы контроля доступа, контроль состояния здоровья пациентов, состояния промышленных и общественных зданий. Перечисленные направления в общем случае не требуют больших скоростей передачи данных и радиусов действия. Другой разновидностью беспроводных систем являются системы радиочастотной идентификации (RFID - англ. «radio frequency identification»), которые могут использоваться самостоятельно или интегрироваться в состав сенсорных сетей. В общем случае, система RFID состоит из двух основных частей: устройства считывания и радиочастотных меток. Устройство считывания включает антенну, приемо-персдатчик, блок управления и предназначено для считывания, а также, в ряде случаев, записи информации на радиочастотные метки. Радиочастотная метка состоит из антенны и блоков, обеспечивающих прием, передачу, хранение и обработку исходных данных. Использование частот в области нескольких гигагерц позволило расширить радиус считывания данных меток до нескольких метров, понизить потребляемую мощность передатчика и исключить элементы питания из меток за счет построения систем, основывающихся на принципе радиолокации. Применение меток на поверхностных акустических волнах

коэффициентом деления частота fc кратна frcJ, то коэффициент деления nd блока
делителя не изменяется (аналогично синтезатору с целочисленным коэффициентом деления). Так как пл fr принимает рациональные значения, то
частота несущего колебания fc может изменяться, например, на сотую или тысячную долю frc[. Следовательно, fre{ не ограничена шагом сетки частот, что
дает возможность использовать генераторы опорного сигнала с более высокой частотой. При этом достигается более высокое разрешение синтезатора по частоте, т.к. в пределе минимальное приращение частоты определяется стабильностью ГОЧ и шумами компонентов системы. Также повышается уровень подавления фазовых шумов ГУН и уменьшается время перестройки по частоте, поскольку более высокая частота опорного сигнала позволяет повысить частоту среза фильтра нижних частот системы ФАПЧ. Перечисленные преимущества определяют перспективность применения синтезаторов частот на основе делителей с дробным коэффициентом деления. Как следствие, далее будут рассматриваться вопросы построения синтезаторов именно данного типа.
Рассмотрим принцип формирования дробного коэффициента деления на примере синтезатора частот, представленного на рисунке 1.12. Выше было отмечено, что в режиме удержания значение сигнала uLPF(t) близко к постоянной величине uLPF0 и слабо зависит от времени. При этом частоты сравниваемых сигналов Uj(t) и равны, между сигналами устанавливается постоянная
разность фаз <рс0, а частоты fc, / ., fd связаны выражением (1.6). Предположим, что разность фаз (pc{t) не постоянна, а изменяется таким образом, что среднее значение с0,т.е.
т=ч>*. с1-8)
Так как сигналы uPD(t) и (pc{t) прямо пропорциональны, то и средние значения “«>(') и pjt) также пропорциональны. Отсюда следует, что
и го (0 — ulpfo ■