مدلسازی، طراحی و شبیه سازی فرستنده گیرنده های کم مصرف برای گره های شبکه حسگر بی سیم

شبکه حسگر بی سیم متشکل از تعداد زیادی گره های حسگری گسترده می باشد و در سالهای اخیر کاربردهای زیادی در زمینه های مختلف صنعتی، نظامی، کشاورزی، صنایع نفتی و پزشکی و غیره به خود اختصاص داده است. به همین دلیل تحقیقات زیادی روی آنها برای بهبود عملکرد و افزایش کارایی آنها انجام شده است. شبکه حسگر بی سیم بسته به نوع کاربرد، ممکن است برای سالها بدون نیاز به نگهداری و تعمیرات و تعویض قطعات مانند منبع تغذیه و غیره به فعالیت خود ادامه دهند. به همین دلیل این شبکه ها باید دارای حداکثر مجتمع سازی باشد و کل آن روی یک تراشه پیاده سازی شود و نیز هزینه پیاده سازی آن بسیار ارزان باشد زیرا به تعداد بسیار زیادی باید تولید شود و همچنین مصرف توان آن نیز بسیار پایین بوده و دارای بیشترین بازدهی انرژی باشد. یک گره حسگر از بخشهای حسگر، پردازشی و مخابراتی تشکیل می شود. حدود %98 از توان مصرفی یک گره حسگر مربوط به بخش مخابراتی می باشد که خود دارای قسمتهای اصلی فرستنده و گیرنده می باشد که به ترتیب 46 و 52 درصد از کل توان مصرفی گره حسگری را به خود اختصاص می دهند. ریزپردازنده 1 درصد از کل توان گره حسگری را مصرف می کند و حسگر و رگولاتور توان مصرفی در حد صفر دارند. ملاحظه می گردد که از میان این قسمتها، توان مورد نیاز بخش مخابراتی، توان مصرفی گره را مشخص می کند. برای غلبه بر این تنگنا، کاهش توان مصرفی فرستنده گیرنده بسیار تعیین کننده می باشد. بنابراین کاهش درصد کمی از توان بخشهای فرستنده و گیرنده تأثیر بسیار زیادی روی کاهش مصرف توان کلی شبکه حسگری بی سیم دارد. از اینرو تکنیکهایی برای کاهش مصرف توان در فرستنده گیرنده های شبکه حسگر بی سیم بررسی گردیده است. این پایان نامه بطور کلی شامل سه قسمت طراحی از گیرنده، فرستنده و سوئیچ آنتن می باشد. در قسمت گیرنده تحت تکنولوژی 0.13 میکرون، منبع فرکانسی ارائه گردیده است که شامل مدارهای vco و ضرب کننده فرکانسی می باشد که این دو نیز با تکنولوژی 0.13 میکرون و با ولتاژ تغذیه 0.5v کار می کنند. مدار vco دارای جریان بایاس 0.07ma و مدار ضرب کننده فرکانسی دارای جریان بایاس 0.1ma بسیار کم مصرف می باشند. همچنین دو معماری مداری front-end شامل یک تقویت کننده کم نویز و میکسری برای کاربردهای شبکه حسگر بی سیم ارائه شده است که هر دو با استفاده از تکنیک باز استفاده کردن از جریان می باشند با این تفاوت که در تقویت کننده کم نویز مدار دوم از یک ترانزیستور آبشاری نیز استفاده شده است. هر دو مدار front-end پیشنهاد شده با فرکانس کاری(rf) 2.4ghz کار می کنند. مدار front-end پیشنهاد شده اول بهره تبدیلی برابر 36.371db دارد و در فرکانس میانی (if)=50mhz عدد نویز8.1db دارد و p1db آن برابر با -9dbm می باشد و همچنین با ولتاژ تغذیه 0.9v دارای توان مصرفی 1.5mw می باشد که بسیار کم مصرف می باشد. و مدار front-end پیشنهاد شده دوم بهره تبدیلی برابر با 25db دارد. نقطهp1db آن نیز -22.5dbm می باشد و عدد نویز پایینی در حدود 4.6db در فرکانس if با مقدار 50mhz دارد. با داشتن ولتاژ تغذیه بسیار پایین 0.6v و توان مصرفی dc حدود 0.4mw بسیار مصرف توان کمی دارد. یک فرستنده با معماری تزریق قفل شده با بازدهی بالا نیز برای کاربردهای شبکه های بی سیم حسگر (wsn) ارائه شده است. نتایج اندازه گیری از front-end فرستنده ساخته شده در فن آوریcmos با مقیاس 0.13 میکرون، نشان می دهد که فرستنده پیشنهادی بسیار مناسب برای کاربردهای توان ارسال پایین از جمله wsn می باشد. برای پیاده سازی با بازدهی بالا و توان مصرفی پایین فرستنده، اسیلاتور توان کلاس-e، با تزریق قفل شده و تکنیک مداری استفاده مجدد از جریان، بکار گرفته شده است. فرستنده ساخته شده با منبع ولتاژ 1v می باشد و pae مربوط به فرستنده 50%، و توان خروجی ارسالی 10dbm می باشد. مصرف توان در vco و پیش تقویت کننده به ترتیب تنها 112?w و 789?w می باشد. برای شبیه سازی مدارهای پیشنهادی توسط نرم افزار ads با وارد کردن مدلی با مقیاس تکنولوژی 0.13 میکرون استفاده شده است.