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无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)用于采集、处理和传输处于网络覆盖区域内的温度、湿度、压力、光照强度以及气流速度等多种环境数据,它具有布网灵活、使用时间长、隐蔽性强以及容错性高等特点,目前已经广泛应用于医疗健康、农业环境、智能家居和智能建筑、火灾救援、军事以及海洋监测等领域。由于其网络节点资源受限并长时间暴露在外部环境中,无线传感器网络仍然面临着成本、功耗和安全的问题。为了降低WSN的成本和功耗,本文分别在体系结构和具体电路上对WSN的无线收发机芯片进行优化研究;为了提升WSN的安全性,本文还对无线收发机芯片的物理安全防护措施展开了研究。首先,在体系结构上,提出了一种新型的低中频通断键控(On/Off Keying,OOK)调制无线收发机结构,其核心思想是同时在模拟域和数字域对低中频信号进行滤波:首先对放大后的中频信号进行阈值比较,并放大至轨到轨数字信号,以实现模拟域的阈值比较滤波;然后数字基带解调电路对该数字信号进行数字域的脉冲计数滤波。该接收结构能够提升接收机的抗噪声性能,所要求的基带输入信号信噪比小于6 dB,且无需自动增益控制电路,基带解调电路也较为简单,因而总的功耗和面积均较小。对接收误码率的理论分析和MATLAB仿真验证了该收发机结构的有效性。其次,在具体电路上,为了降低无线收发机的成本,首先研究了无片上电感的射频前端电路,包括无电感宽带低噪放大器(Low Noise Amplifier,LNA)、键合线电感功率放大器(Power Amplifier,PA)以及基于环形振荡器的锁相环(Phase Locked Loop,PLL)电路;同时,提出了一种只有10个MOS晶体管构成的线性电压-电流转换器,以进一步降低PLL的面积。该电压-电流线性转换器结构简单,不包含运算放大器和电阻,面积仅为2200μm2;然后,采用多个片上低压差线性稳压源对各个电路模块进行分电源供电,以减小片外器件的使用。而为了降低无线收发机的功耗,首先,对收发机进行电源管理,及时关闭无需工作的电路模块。其次,针对PLL中功耗较大的高速预分频器,提出了只有5条NMOS-like支路构成的2/3预分频器,该新型2/3预分频器在降低功耗的同时,还能获得较宽的工作频率范围,由其构成的16/17预分频器工作频率范围扩展至0.5~8 GHz,最大电流消耗仅为0.8 mA。然后,设计了工作在中低频范围的镜像抑制滤波器、硬判决电路、基准电源电路以及基带解调器电路。由于无电感宽带LNA没有镜像抑制能力,因此采用了基于Nauto反相器跨导单元的片上复数滤波器对镜像干扰信号进行抑制;同时,采用带失调消除功能的硬判决电路对滤波后的中频信号进行放大和阈值滤波;而基准电源包括电源管理、带隙基准电压源、数字类和模拟类低压差线性稳压源和参考电压产生电路等,用于为整个芯片提供不随工艺、温度和电压变化的稳定的电源和偏置电压。为了将数字中频信号转换为有用接收信号,还基于脉冲计数理论提出了适合该新型OOK收发机的数字基带解调器。最后,基于开关电容物理不可克隆函数(Physical Uncolonable Function,PUF)对无线收发机芯片进行了防外部侵入式和半侵入式攻击研究:首先提出一种基于PUF和高级加密标准(Advanced Encryption Standard,AES)密码算法的无线收发机安全体系结构,以对无线传感器节点进行物理层保护;然后,提出了一种基于开关电容的PUF电路,用于为AES密码算法提供稳定的、统计性良好的密钥;同时,利用开关电容PUF的容性敏感特性并结合随机复位技术对无线收发机芯片进行了防外部侵入式和半侵入式攻击设计。与现有芯片安全防护技术相比,该安全防护措施具有更高、更稳定的防外部侵入式攻击灵敏度,其所能检测的由外部攻击引起的容值变化为2.65 fF。仿真结果表明,本文提出的新型OOK无线收发机能够正确进行数据的发送和接收,其芯片面积小于2.8 mm2,发射机和接收机的电流消耗分别低至7.6 mA和7.06 mA,同时实现了低成本和低功耗。测试结果表明,本文提出的芯片安全性防护措施能够有效防止外部侵入式攻击,并最终能够实现WSN数据的安全传输。研究成果对无线收发机低成本、低功耗设计以及芯片物理安全防护设计的发展有积极的理论和实践意义。