文献综述（或调研报告）：

无线传感器网络的构想由美国军方提出，美国国防部高级研究所计划署（DARPA）UI1978年开始资助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网络的研究，这被看成是无线传感器网络的雏形。从那以后，类似的项目在全美高校间广泛展开，著名的有UC Berkeley的Smart Dust项目，UCLA的WINS项目，以及多所机构联合攻关的SensIT计划等等。在这些项目取得进展的同时，其应用也从军用转向民用。在森林火灾、洪水监测之类的环境应用中，在人体生理数据监测，药品管理之类的医疗应用中，在家庭环境的智能化应用以及商务应用中都已出现了它的身影。我国的无线传感网研究所也几乎与发达国家同步展开。1999年首次正式出现于中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与自动化领域研究报告中，作为该领域提出的五个重大项目之一。2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了三个前沿方向，其中两个与WSN研究直接相关。自2009年8月温家宝总理提出“感知中国”以来，物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了全社会极大的关注，其受关注程度是在美国，欧盟，以及其他国家不可比拟的。随着一系列国家重大研究项目与方向性项目部署，国内许多高校与研究所掀起了无线传感网的研究热潮。

WSN是由部署在检测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，WSN节点的硬件一般包括传感器、微处理器、和无线收发器三个功能部分，其中传感器是WSN节点的接收外部信息的窗口；微处理器是核心处理部件，提供了整个系统的计算资源和存储资源；无线收发器是节点之间信息相互交换和接力传递形成组织网络的关键部位，无线收发器的性能决定了该网络的鲁棒性和抗干扰能力[1]。

无线传感器网络的应用背景客观要求网络节点的设计要考虑几个方面的问题：第一，体积小，大空间分布的观察需要大范围的网络节点，因此传感器网络传感器节点在体积上要足够小，集成度要尽量高，以保证对目标系统本身的特点不造成影响；第二，低成本，只有低成本才能大量的部署在目标区域内，以表现出传感器网络的各种优点；第三，低功耗，无线传感器网络节点通常运行在人们无法接近的恶劣环境中，其能源较难更换，一块电池要支撑节点独立工作数月甚至数年，因此功耗是WSN系统中最需要严格控制的指标；第四，高性能，作为一个数据采集传输节点，无线传感器网络节点的运行速度要尽量快，要具有一定的扩展性和灵活的接口。

在WSN应用中，要根据不同的应用场景选择不同的收发机架构和调制方式。对不同的调制方式，频谱效率和能量效率之间的权衡已经出现在理论研究和实际应用中[7]。在实际应用中，具有很高频谱效率的调制方式如MPAM和MQAM在M较大时，系统实现复杂且功耗较高，这些因素使得一些简单的调制方式如2FSK，OOK和BPSK，QPSK在以降低能耗为目标应用中，频谱效率和能量效率有一个较好的权衡[2]。

近年来，无线通讯的市场需求快速增长。无线传感器网络中传感器节点之间的通信成为一大研究热点和难点。WSN的最大设计难点在于它通过有限的电池能量来供电。因此其无线通讯模块必须超低功耗，高能量利用率，小体积和低成本。超低功耗的WSN的实现需要通讯系统从上到下各个层次的功率优化和协同设计。其中无线接收机部分的低功耗设计仍然是一个瓶颈。目前能够实现的接收机的功耗都不允许用于WSN的接收机工作在连续工作状态。接收机必须工作在低工作任务周期状态才能实现长达几年的自动工作寿命而无需更换电池[3]。

文献[4]提出了适用于EPC Gen2协议的低功耗RFID的射频前端电路包括整流器、ASK解调器、ASK和BPSK调制器和传感器模块，射频的工作频率为860-960MHz。基于具有不挥发存储器和肖特基二极管选项的0.35有不挥发存储器工艺，设计了RFID射频前端电路。采用开关电容电路技术实现了小面积低功耗RFID射频前端电路。

文献[5]报道了一款基于0.18mu;mCMOS工艺设计的于无线传感器网络的具有低功耗、低中频特性的2.4GHz射频前端。该射频前端由一个共栅结构的可变增益低噪声放大器（VG-LNA）和一个低功耗折叠正交吉尔伯特结构混频器构成，内部同时集成了一个给混频器提供IQ差分本振信号的二分频器以及一组缓冲器。其低噪声放大器具有高、低两个增益模式。为了弥补共栅低噪声放大器在增益和噪声等性能方面的不足，选取有一定增益的折叠吉尔伯特有源混频器结构。对共栅结构的低噪声放大器的设计过程、相关负载电感建模过程及混频器设计过程进行了详细分析，对整个射频前端芯片进行了测试，测试结果显示，射频前端核心电路在1．8V电源电压下工作电流为3．2mA，功耗为5．76mW；在高增益模式下，具有26dB的转化电压增益及8dB的噪声系数；在低增益模式下，输入1dB压缩点为-20dBm。

文献[6]提出了一个在1.8V的电源下基于0.18Bm在低增益模工艺的2.4GHz全差分射频前端，整个电路只消耗4.8mW。该射频前端包括低噪声放大器，I / Q直接变频混频器，正交LO发生器和LO缓冲器。通过传统的源LNA，无源混频器来消除闪烁噪声。RC多相滤波器为正交LO发生器和LO缓冲器提供了电流复用技术，实现了23dB的转换增益，8.1dB的噪声系数，-15 dBm，的IIP3和超过15dB的输入回波损耗。

文献[7]提出了一种基于0.18mu;m CMOS工艺的接收机前端结构。它利用了单片到多片信号的转换，避免了片外巴伦的消耗。模拟后的结果显示了RF前端实现了8dB的电压增益，在没有基带放大器的情况下，噪声系数为8.9 dB，IIP3要高于-15dB。在直流偏移下，拐角的闪烁噪声小于10KHz。在1.8V的电源下，消耗要小于1.6 mA。

所谓的电流复用技术，其实就是叠加在一起的MOS管共用电流，从而通过降低电流而降低电路的功耗。类似于反相器的结构，相同宽长比的PMOS管和NMOS管公用一路电流的情况下，能够将原本只有一个NMOS的跨导提升至接近2倍[8]。当然这种组合的噪声系数略有增加。

而另一个比较吸引人的方法就是亚阈值电路技术。当VGSlt;Vth时，电路进入了亚域区，工作在亚域区的MOS有一个显著的特点，就是电流与VGS不成平方率的关系，而是成指数率的关系[9]，所以相同的电流偏置下，亚域区MOS管具有更高的跨导。而且当VDSgt;3Vt时，就可以认为电流ID几乎不随VDS变化[10]。虽然亚阈值区的特征频率fT比强反型区的要低得多，但随着工艺技术的提高，如今的亚阈值晶体管也可以工作在ISM频段。但亚阈值晶体管却饱受高器件噪声的困扰，和gm成正比的通道噪声是工作在强反型区器件的主要噪声，当栅源电压VGS减小到比阈值电压还要小的时候，栅感应噪声开始成为器件的主要噪声。由于存在高的栅感应噪声，在亚阈值区中NFmin要高出几个dB。因此，对于一些需要高灵敏度的应用，工作在亚阈值区也许不是一个可行的选择。

参考文献

[1] WSN射频收发芯片中下变频混频器的设计与实现

[2] 低功耗无线传感器网络射频前端系统架构研究（翟继强李烨）

[3]17GHz超低功耗无线接收机射频前端设计与实现（吴王华）

[4]小面积低功耗RFID射频前端电路设计（周盛华杨志超吴南健李美云）

[5]无线传感器网络的2．4GHz低功耗低中频射频接收前端的设计

[6]Arasu M A, Ong H K F, Choi Y B, et al. A 2.4GHz CMOS RF front-end for wireless sensor network

applications[C]. IEEE Radio Frequency Integrated Circuit Symposium. San Francisco, 2006. 1-4.

[7]Srinivasan S K, Rusu A, Ismail M. Ultra-low power 2.4GHz CMOS receiver front-end for sensor nodes[C].

Circuit Theroy and Design Coference. European, 2007. 595-598.

[8] Andrew N. Karanicolas. A 2.7-V 900-MHz CMOS LNA and Mixer[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 1996， 31: 1939–1942.

[9] P. E. Allen and D. R. Holberg， 模拟集成电路设计[M]: 第二版. 冯军. 李智群译. 北京:电子工业出版社， 2011. 78-80

[10] P. R. Gray， P. J. Hurst， S. H. Lewis， and R. G. Meyer， Analysis and Design of Analog Integrated Circuits[M]， 4th ed. New York: Wiley， 2001. 65-71