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基于数字基带的I/Q幅度失调及载波泄漏抑制研究

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无线电工程 2023年第8期53卷 1934-1940页

作者：赖星陈超姚伟卓郭宇东南大学国家ASIC工程中心江苏南京210096

针对直接上变频发射机中I/Q两路存在的幅度失调以及载波泄漏问题,提出了一种基于数字基带的解决方法,能有效对失调和泄漏进行抑制。该方法通过数字基带向数模转换器(Digital to Analog Converter,DAC)发送中频测试信号,并将上混频器的... 详细信息

针对直接上变频发射机中I/Q两路存在的幅度失调以及载波泄漏问题,提出了一种基于数字基带的解决方法,能有效对失调和泄漏进行抑制。该方法通过数字基带向数模转换器(Digital to Analog Converter,DAC)发送中频测试信号,并将上混频器的输出进行平方、滤波与放大操作,得到与幅度失调量以及载波泄漏量成比例的信号,发送回数字基带中,经过反馈调节,实现对幅度失调及载波泄漏的抑制作用。经仿真测试,调制后的信号幅度失调误差小于0.02%,载波泄漏抑制度达到17 dB,表明该电路对I/Q幅度失调及载波泄漏有抑制效果。

关键词：直接上变频发射机 I/Q幅度失调载波泄漏平方电路数字基带

面向IoT数据安全的加密NFC标签数字基带设计

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面向IoT数据安全的加密NFC标签数字基带设计

作者：张枭翔西安电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,随着物联网技术的飞速发展,智慧城市建设的蓝图已逐渐成为现实,物联网系统通过身份识别技术将现实中的物品与设备连接至城市智能终端中,从而实现智能管理。近场通信技术(Near Field Communication,NFC)因具有功耗低、便捷性强、... 详细信息

近年来,随着物联网技术的飞速发展,智慧城市建设的蓝图已逐渐成为现实,物联网系统通过身份识别技术将现实中的物品与设备连接至城市智能终端中,从而实现智能管理。近场通信技术(Near Field Communication,NFC)因具有功耗低、便捷性强、操作速度快等优势成为了物联网系统中不可缺少的一项技术。然而NFC的安全性仍存在不足,传统NFC标签中常使用UID作为自身的身份码数据,但静态不变的UID存在被复制的风险,伪造的NFC标签可以使用复制来的身份数据轻松突破Io T系统的认证,从而窃取物联网终端系统中用户的个人数据。针对传统NFC标签身份数据易复制、易转移的难题,本文设计了一款动态加密NFC标签芯片的数字基带,在基带设计时融入SM3密码杂凑算法,让标签在每轮上电后都会生成一个不可预测的哈希值来刷新自身的身份码数据,提高了NFC标签芯片的防复制性,保证了标签身份数据的安全性,同时伪造的标签无法通过物联网系统的认证,不再具有读取系统数据的权限,从而也保护了物联网终端系统中的数据安全。本文的主要工作包括:(1)基于ISO/IEC 14443-A通信协议,结合SM3密码杂凑算法对标签数字基带进行模块划分,根据模块的功能制定各自的状态机,使用Verilog编写数字基带来实现制定的功能,在标签芯片设计时采用低功耗方法优化标签的整体功耗,通过前仿真验证了各模块功能的正确性,同时对动态身份认证码的生成进行了检查,标签基带的功能符合设计要求;通过FPGA测试板与商用阅读器PN532通信来进一步检查数字基带设计的漏洞。(2)板级验证通过后在TSMC 0.18μm CMOS工艺下对标签数字基带进行门级电路转换和版图实现。在施加不同的门控时钟约束后对综合报告进行分析,选择面积和功耗结果最佳的设计约束对数字基带进行门级网表的转换,综合得到的加密标签数字基带面积为177947.30μm,功耗为38.67μW。完成加密标签芯片版图实现后,为提高流片成功率对芯片进行了时序检查和物理验证。(3)搭建芯片测试平台,完成对NFC标签芯片的基础通信功能和动态加密认证码生成功能的测试,同时在电脑端使用SM3加密算法计算器验证认证码数据的正确性,经测试NFC标签芯片的功能正确,功耗与面积符合设计要求。

关键词： NFC 加密 SM3密码杂凑算法身份码数字基带

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无源双频标签芯片的低功耗数字基带设计

无源双频标签芯片的低功耗数字基带设计

作者：王搏西安电子科技大学

学位级别：硕士

RFID技术经过多年发展,衍生出了低频、高频、超高频和微波等不同频段的系统。目前,以高频和超高频RFID应用最为广泛,高频RFID系统工作频段为13.56MHz,主要应用于近距离点对点通信,超高频RFID工作频段为900MHz,适用于远距离大容量应用,... 详细信息

RFID技术经过多年发展,衍生出了低频、高频、超高频和微波等不同频段的系统。目前,以高频和超高频RFID应用最为广泛,高频RFID系统工作频段为13.56MHz,主要应用于近距离点对点通信,超高频RFID工作频段为900MHz,适用于远距离大容量应用,两者在技术应用上具备很强的互补性。随着RFID技术应用的不断深入,单一频率RFID技术已经无法满足复杂场景下的数据采集和自动识别需求,多种RFID技术需要集成部署,标签也需要将多种协议集成到单一芯片上,满足实际应用中多功能、高集成和低成本的融合化需求。针对以上情况,本文给出了一种无源双频标签芯片,可兼容现有高频和超高频RFID系统。不同于将两种频段的标签芯片直接封装在一起实现的双频标签芯片,本文将所有功能单元全部集成在同一片上,在提高系统集成度的同时,降低了芯片后续的封装成本。此外,通过共享存储区设计,数据可在两种空口协议下读写,避免了同一标签在不同系统下存在应用隔阂,导致数据无法流转的问题,真正实现一签多用。在系统结构上,本文采用ISO/IEC 14443-A协议和ISO/IEC 18000-6C协议分别作为高频和超高频功能标准,整合13.56MHz和900MHz射频模拟前端,给出了无源双频标签芯片整体架构。电路中设计有电源整合模块,可将两个模拟前端的输出电压整合为常开电压,为数字基带和存储单元供电。为保证两个协议功能完整性,本文对存储器进行了划分,并在数字基带内部对各区域读写权限做了限定。在功耗管理上,针对无源标签对功耗敏感的特点,本文设计了一种低功耗超高频数字基带架构,根据功能需要为不同模块提供不同频率时钟,并通过统一的时钟管理单元精确控制各模块开启与关断。设计时采用单周期脉冲时钟、行波计数器、时钟门控等低功耗设计方法,降低电路功耗。本文基于TSMC 180nm工艺设计,工作电压为1V,在典型超高频测试激励下,物理实现后电路功耗为2.4μW。本文完成了芯片的流片、天线整合、样品的功能参数测试和通信系统联合验证。芯片采用COB封装,外接13.56MHz线圈和900MHz天线形成完整标签,通过NFC读写器和商用6C阅读器进行无线功能测试,并用示波器对关键信号波形进行观测。最终测试结果表明本文设计的芯片功能满足两种协议要求,标签可与两种RFID系统正常通信。

关键词：高频超高频射频识别无源双频标签数字基带低功耗

基于ISO/IEC 15693的防伪NFC标签数字基带设计与验证

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基于ISO/IEC 15693的防伪NFC标签数字基带设计与验证

作者：穆佳宁西安电子科技大学

学位级别：硕士

近场通信(Near Field Communication,简称NFC)技术由于其速度快、安全性好和抗干扰能力出色等优势被广泛应用于物联网传感网络。伴随着智能设备高度普及和第五代移动通信技术(5G)的飞速发展下,万物互联正在成为现实。在物联网应用范围... 详细信息

近场通信(Near Field Communication,简称NFC)技术由于其速度快、安全性好和抗干扰能力出色等优势被广泛应用于物联网传感网络。伴随着智能设备高度普及和第五代移动通信技术(5G)的飞速发展下,万物互联正在成为现实。在物联网应用范围的不断扩大下,NFC的规范也在不断更新,传统的NFC是基于ISO/IEC 14443协议的扩展和兼容,而2015年提出的最新第五代NFC-V操作规范规定增加了对协议ISO/IEC 15693标准的使用支持。支持新协议的NFC-V标签在通信距离增加到1.5m的情况下,兼容更多工作模式和应用场景的防伪及安全保证成为了新的研究方向。本文以NFC-V的使用场景及系统架构为基础,结合通信协议的工作流程及命令集,提出了一种通过检测防伪线的断裂与否来实现防篡改的防伪方案。该方案通过存储器和防伪线来实现对篡改动作的不可逆响应,一定程度上弥补了NFC-V标签在防伪层面的不足。基于通信协议和防伪方案,本文提出了一种低功耗NFC-V防伪标签数字基带电路的实现方法,对数字基带进行了架构上的低功耗设计,随后进行功能模块划分和接口分配,并根据协议内容使用Verilog对模块进行功能实现,包括:高可靠性解码算法电路的实现、连续副载波的编码算法电路的实现、符合协议特点的CRC并行计算的实现、命令解析流程的实现、命令操作及响应流程的实现等,并通过仿真验证了代码的功能正确性。随后在TSMC 180nm工艺下编写低功耗策略的TCL脚本对RTL代码进行了逻辑综合,将工艺库的时钟门控集成单元插入到网表中来实现功耗优化,综合后门控率达到了77.31%,总功耗为25.52μW,总面积为35986μm。最后使用Encounter对数字基带电路进行物理实现并提取寄生参数完成静态时序分析和动态时序分析,证明了设计功能的正确性及可实现性。本文使用TI公司的商用阅读器芯片和Xilinx公司的FPGA开发板搭建了针对防伪NFC-V数字基带电路的FPGA板级验证平台,对数字基带的设计进行原型验证,验证结果表明基带对协议的基本命令和扩展命令的响应符合设计要求。在构建智能传感网络的时代,该防伪标签并不局限于贵重产品的包装盒防伪,由于15693通信协议支持中距离的响应,所以还可以把防伪线替换成机器中的电气连接线进行区域性的监测,在一些工业控制传感监测设备(例如大型电气设备)的区域性连接节点的唯一性验证方面还有广阔的应用前景。

关键词： NFC-V 防伪数字基带 ISO15693

基于24GHz双模雷达的数字基带设计与实现

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基于24GHz双模雷达的数字基带设计与实现

作者：唐钰超华东师范大学

学位级别：硕士

毫米波雷达系统主要包括天线、收发组件和信号处理三个部分,其中信号处理技术是整个雷达系统的算法核心。因此对毫米波雷达的信号处理技术开展研究具有十分重要的意义。同时,毫米波频段的FMCW与CW雷达在测量精度、测量项目、系统复杂度... 详细信息

毫米波雷达系统主要包括天线、收发组件和信号处理三个部分,其中信号处理技术是整个雷达系统的算法核心。因此对毫米波雷达的信号处理技术开展研究具有十分重要的意义。同时,毫米波频段的FMCW与CW雷达在测量精度、测量项目、系统复杂度、功耗水平上各有优劣,因此将这两种调制方式整合成一套整体的毫米波雷达信号处理系统将具备更好的应用前景。本文基于24GHz雷达频段,从雷达信号处理原理入手,推导出雷达数字基带的具体算法流程,逐步搭建系统中各信号处理单元,最后完成24GHz双模雷达数字基带的整合与数字前后端实现。本文的主要工作如下:1、基于24GHz毫米波双模雷达系统结构,对多普勒工作模式和调频连续波模式下的信号处理原理进行分析。配合雷达模拟射频前端电路,设计了一套包含多普勒模式与调频连续波模式的雷达信号处理流程。并对基带系统的性能指标和关键算法模块进行了定义。2、依据数字基带的性能指标与处理流程,对数字基带电路进行算法与硬件实现。基于系统中∑-Δ模数转换器的需求,使用CIC滤波器、补偿滤波器和FIR滤波器单元的组合,实现了双模式下的数字抽取滤波器的设计;设计了一种高效的可配置的FFT计算模块,在较少的资源开销下,完成了FFT计算;通过算法分析与对比,在速度维和多普勒维设计上分别使用了有序统计与均值类恒虚警处理算法,并对计算量进行了改进;在完成目标识别后,还设计了异步串口模块,编码目标信息后输出。最终完成了基带电路的RTL设计,并通过验证。3、基于Fujitsu 55nm CMOS工艺和半定制数字IC设计流程,对数字基带进行了逻辑综合与物理实现,并最终通过了物理验证。时序分析表明,数字基带电路能够在40MHz工作频率下完成时序收敛。数字基带电路的版图面积为1.04mm,总功耗为2.851mW。

关键词：毫米波雷达数字基带数字信号处理物理实现

用于无线传感节点的双协议数字基带电路设计与实现

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用于无线传感节点的双协议数字基带电路设计与实现

作者：瞿佳俊苏州大学

学位级别：硕士

随着无线传感网技术的不断发展,其应用场景已渗透到生活、生产的各个领域和各种设备中。不同应用场景下的传感节点位置不定,对传输速率的要求也不相同,但作为两种冲突的参数,节点通常需要在传输速率和传输距离间做出取舍。因此,如何兼... 详细信息

随着无线传感网技术的不断发展,其应用场景已渗透到生活、生产的各个领域和各种设备中。不同应用场景下的传感节点位置不定,对传输速率的要求也不相同,但作为两种冲突的参数,节点通常需要在传输速率和传输距离间做出取舍。因此,如何兼顾高速率与远距离通信以应对不同传输需求成为无线传感节点新的挑战。传统单一协议的无线传感节点难以满足高传输速率与远传输距离的需求,因此本文提出了一种基于IEEE 802.15.4与IEEE 802.15.6标准的双协议数字基带系统方案。将802.15.4标准的远距离、低速率特性与802.15.6标准的高速率、近距离特性相结合,通过灵活切换两种协议模式来满足不同的传输需求。从应用角度出发,确定了系统的帧结构:802.15.4 标准采用直序扩频(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)OQPSK物理层,802.15.6标准采用窄带(Narrow Band,NB)物理层。同时还完成了协议规定的各种调制解调、校验编码、纠错编码、组包解包等电路模块的设计,并在GNU Radio&USRP开源软件无线电平台上进行了系统实现与验证,实验结果验证了双协议方案的可行性。本文还对系统的发射机部分进行了芯片优化设计,完成了芯片的FPGA仿真与ASIC实现。首先使用Xilinx公司的Zynq7000系列FPGA平台完整实现并验证了发射基带的各项功能,既包括各类编码、调制、组包电路等帧结构相关电路,还包括SPI通信接口、DA接口、时钟控制等芯片辅助电路。在功能验证无误后采用65nm CMOS工艺设计完成了 ASIC后端,并与已有射频芯片拼接在一起形成了完整的双协议发射芯片。最后还介绍了芯片的功能测试与验证方案,并对测试结果进行了分析。测试结果表明,芯片可工作于300～440MHz频段范围,各模式下信号的EVM均小于10%,频偏在±20ppm范围内,信噪比(Signalto Noise Ratio,SNR)>6dB时,15.4模式的接收误包率(Packet Error Rate,PER)9dB时,15.6模式的PER数字基带系统的可行性与可靠性,为解决复杂应用场景下的传感节点通信提供了一定的技术支撑。

关键词：无线体域网无线个域网软件无线电数字基带

低功耗低误码率的传感器网络节点芯片数字基带设计

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电子学报 2010年第B2期38卷 123-127页

作者：王义陆世龙崔莉中国科学院计算技术研究所北京100190 中国科学院研究生院北京100049

本文针对无线传感器网络节点片上系统特点和需求，研究一种低功耗、高性能、低误码率的数字基带（Easibaseband），提出了一种复用加法器和乘法器的设计方法，实现了匹配滤波器，可节省硬件资源并提高系统性能；提出了一种自适应门限的... 详细信息

本文针对无线传感器网络节点片上系统特点和需求，研究一种低功耗、高性能、低误码率的数字基带（Easibaseband），提出了一种复用加法器和乘法器的设计方法，实现了匹配滤波器，可节省硬件资源并提高系统性能；提出了一种自适应门限的自动增益控制方法，可配合软硬件协同的工作方式，节省接收机的功耗；提出了采用自适应门限的施密特触发器方式进行信号相位判决的方法，降低了解调误码率.本设计在Xilinx的Spartan-3E FPGA上验证并实现，测试结果表明，本收发机的数据传输率可达到111kb/s并支持ISM24GHz频段的射频芯片，比传统的并行滤波器节省了5/6的硬件资源，比不采用自动增益控制节省了10.8%的接收机功耗，在信噪比13dB时，误码率在10-4以下，远低于WiseNET的接收误码率.

关键词：无线传感器网络节点片上系统数字基带自动增益控制位同步匹配滤波器软硬件协同

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基于国标超高频标签芯片数字基带部分的设计

中国集成电路 2023年第11期32卷 47-51页

作者：曾高峰李建成湘潭大学物理与光电工程学院

在RFID技术不断发展和应用领域不断扩大的背景下,低成本、低功耗是标签芯片设计的重中之重。本文设计了一款数字基带,符合国家标准GB/T 29768的要求,具有低功耗、面积小的特点。该设计采用多时钟域设计、操作数隔离、电路复用等低功耗... 详细信息

在RFID技术不断发展和应用领域不断扩大的背景下,低成本、低功耗是标签芯片设计的重中之重。本文设计了一款数字基带,符合国家标准GB/T 29768的要求,具有低功耗、面积小的特点。该设计采用多时钟域设计、操作数隔离、电路复用等低功耗技术。并且使用Modelsim进行功能验证,验证结果符合预期。采用GSMC 0.13μm工艺,经过逻辑综合和功耗分析,数字基带功耗为2.63μW,布局布线后面积为0.045mm2,满足设计需求。

关键词： RFID 电子标签芯片数字基带低功耗

基于BLF时钟的RFID低功耗数字基带设计

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半导体技术 2017年第4期42卷 259-263,299页

作者：乔丽萍杨振宇靳钊西藏民族大学信息工程学院陕西咸阳712082 西藏光信息处理与可视化技术重点实验室陕西咸阳712082 西安电子科技大学微电子学院宽禁带半导体材料与器件重点实验室西安710071

提出了一种符合ISO/IEC 18000-6C协议中关于时序规定的射频识别(RFID)无源标签芯片低功耗数字基带处理器的设计。基于采用模拟前端反向散射链路频率(BLF)时钟的方案,将BLF的二倍频设置为基带中的全局时钟,构建BLF和基带数据处理速率之... 详细信息

提出了一种符合ISO/IEC 18000-6C协议中关于时序规定的射频识别(RFID)无源标签芯片低功耗数字基带处理器的设计。基于采用模拟前端反向散射链路频率(BLF)时钟的方案,将BLF的二倍频设置为基带中的全局时钟,构建BLF和基带数据处理速率之间的联系;同时在设计中采用门控时钟和行波计数器代替传统计数器等低功耗策略。芯片经TSMC 0.18μm CMOS混合信号工艺流片,实测结果表明,采用该设计的标签最远识别距离为7 m,数字基带动态功耗明显降低,且更加符合RFID协议的要求。

关键词：射频识别(RFID)标签数字基带反向散射链路频率(BLF) 低功耗询问命令