高能效無線傳感節(jié)點芯片關(guān)鍵技術(shù)研究與實現(xiàn).pdf

1、近些年，隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展以及全球人口老齡化的加劇，傳統(tǒng)的醫(yī)療服務(wù)模式遇到了不少挑戰(zhàn)。新穎的無線體域網(wǎng)技術(shù)給醫(yī)生和患者提供了極大地便利，其不僅提升了醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量，還相對降低了醫(yī)療支出。無線體域網(wǎng)的實時性和準確性、長程性、便捷性以及低成本性都要求無線傳感節(jié)點芯片必須實現(xiàn)低成本制造、低功耗運行。
　　然而，無線傳感節(jié)點芯片在低功耗實現(xiàn)方面面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)。首先，處理低頻信號時芯片能效非常低，如何提高和實現(xiàn)低頻生物信號處理的能效

2、是我們遇到的第一個挑戰(zhàn)。接著，射頻發(fā)送功耗占據(jù)了無線傳感節(jié)點的主要功耗，如何花費較少的能量來壓縮射頻模塊傳送的數(shù)據(jù)量，從而使得總功耗降低是我們遇到的另一個挑戰(zhàn)。最后，傳統(tǒng)的片上存儲器在低電壓下無法正常工作，如何設(shè)計低電壓運行的高能效無線傳感節(jié)點片上存儲器也是重要挑戰(zhàn)。
　　針對這些問題，本論文對低功耗高能效無線體傳感節(jié)點芯片技術(shù)做了深入的分析和研究，有如下創(chuàng)新成果:
　　第一，提出了可配置串并度的芯片功耗優(yōu)化策略，有效地降低

3、了芯片處理低頻生物信號的功耗。該策略針對生物信號的低頻特點，提出了通過調(diào)整不同計算串并度，獲得最優(yōu)功耗的方法。測試結(jié)果表明，芯片采用該策略可使相關(guān)部分能耗最大可減少90％以上。
　　第二，設(shè)計和實現(xiàn)了異步流水的壓縮感知編碼器，達到了低功耗低成本的數(shù)據(jù)壓縮目的。設(shè)計首次將壓縮感知算法用準延時不敏感電路映射成硬件，并采用了雙軌全異步存儲器。該編碼器采用全定制設(shè)計方法實現(xiàn)，芯片最低電壓可達240mV，使壓縮電路能耗降低33.3％，實現(xiàn)心

4、電信號壓縮比7.5。
　　第三，設(shè)計和實現(xiàn)了低電壓高能效片上存儲器，其能效指標具有顯著的領(lǐng)先優(yōu)勢。該設(shè)計提出了高能效的讀字線共享技術(shù)和雙復(fù)制位線延時技術(shù)，同時采用了全靜態(tài)讀電路和非最小溝道長度存儲單元等技術(shù)。芯片測試表明，最低工作電壓320mV，每操作功耗為0.94pJ，其歸一化能耗低了25％。
　　最后，本論文關(guān)于未來高能效無線傳感節(jié)點芯片提出了三點工作展望，首先，建立無線傳感節(jié)點的精確功耗模型，使節(jié)點的功耗達到最優(yōu)化。第