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用于物联网通信的低功耗唤醒接收机设计

更新时间：2019-12-09 10:11:36 大小：1M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网通信 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

为了解决物联网无线节点通信的功耗问题,设计了一种高能量效率和低功率消耗的唤醒接收机.该唤醒接收机基于唤醒机制有效地调度网络节点通信,并利用简单的包络检波架构进行频率变换,从而能够灵活地管理能量和降低功耗.该唤醒接收机基于65nm CMOS工艺进行仿真设计.仿真结果表明,当射频中心频率为780MHz和输入信号采用开关键控调制方式,该接收机可以实现输入匹配参数S11为-21dB,灵敏度在数据率1Mb/s下为-76dBm,并且在1.2V供电电压下,功耗消耗为76μW.

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２０１７年４月

第４４卷 ꢀ 第２期

西安电子科技大学学报（自然科学版）

JOURNAL ꢀ OF ꢀ XIDIAN ꢀ UNIVERSITY

Apr ．２０１７

ꢀ

Vol ．４４ ꢀ No ．２

doi :１０ .３９６９/j .issn .１００１‐２４００ .２０１７ .０２ .０１７

用于物联网通信的低功耗唤醒接收机设计

孟凡振^{１，２}，刘 ꢀ 宏^１，汪明亮^１，林水样^１，田 ꢀ 彤^{１，２}

（１．中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海２０１８０１；

２．中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京１０００４９）

摘要：为了解决物联网无线节点通信的功耗问题，设计了一种高能量效率和低功率消耗的唤醒接收机．该

唤醒接收机基于唤醒机制有效地调度网络节点通信，并利用简单的包络检波架构进行频率变换，从而能够

灵活地管理能量和降低功耗．该唤醒接收机基于６５ nm CMOS 工艺进行仿真设计．仿真结果表明，当射频

中心频率为７８０ M Hz 和输入信号采用开关键控调制方式，该接收机可以实现输入匹配参数 S_１１为－２１ dB ，

灵敏度在数据率１ Mb／s 下为－７６ dBm ，并且在１畅２ V 供电电压下，功耗消耗为７６ W ．

关键词：低功耗；唤醒接收机；物联网；包络检波器；无线通信

中图分类号：TN８５１ ꢀ ꢀ 文献标识码：A ꢀ ꢀ 文章编号：１００１‐２４００（２０１７）０２‐００９５‐０６

Design of the low power wake‐up receiver for

internet of things communication

１

２,

１

M ENG Fanzhen

, L IU Hon

, W A NG Min liang ,

g g

１２,

１

L IN Shui ang , T IA N Ton

１ . Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology Chinese Academy of Sciences , Shanghai

２０１８０１ , China ; ２ . School of Electronic , Electrical and Communication Engineering , Univ . of Chinese

Academy of Sciences , Beijing １０００４９ , China)

(

Abstract :ꢀ A wake up receiver with high energy efficiency and low power consumption is proposed for

‐

solving the power consuming problems of wireless nodes communication in the Internet of Things . The

roposed wake up receiver based on the wake up mechanism can effectively schedule the network nodes

‐

communication , and use the simple envelope detection structure to achieve frequency down conversion ,

‐

which can flexibly manage energy and reduce power consumption . Based on UMC ６５ nm CMOS process

technology , the wake up receiver is designed and simulated . The results show that it can achieve S_１１of

‐

－２１ dBm and a sensitivity of －７５ dBm at a data rate of １ Mb/s , when operating at the central frequency of

７８０ M Hz and input signal adopting an on off keying ( OOK ) modulation , and the power consumption is

‐

８２ W at １畅２ V voltage supply .

Key Words :ꢀ low power ; wake up receiver ; internet of things ; envelope detector ; wireless communication

‐

近年来，物与物相互联的物联网（Internet of Things ，IoT）技术掀起一场信息技术革命．它具有识别、监

控和管理信息等功能，广泛应用于经济生活以及国家安全的方方面面．针对物联网节点比较密集、覆盖范围

比较广、环境比较复杂等情况，无线节点通信设备需要满足以下几点：小尺寸；）低成本；低功耗^{［１‐３］}

随着新材料和技术的不断出现，比如微电子机械系统（Micro Electro Mechanical Systems ，MEMS），互补金

属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor transistor ，CM OS ）工艺等，物联网无线节点

．

‐

收稿日期：２０１６‐０３‐１０ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 网络出版时间：２０１６‐０９‐２９

基金项目：国家科技重大专项资助项目（２０１３ZX０３００１０１７‐００２）；上海市经信委科技攻关专项资助项目（１３XI‐３２）

作者简介：孟凡振（１９８７－），男，中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士研究生，E‐mail ：fzmeng＠ mail ．sim ．ac ．cn ．

网络出版地址：http ：／／w w w ．cnki ．net／kcms／detail／６１．１０７６．T N ．２０１６０９２９．１５５０．０３４．html

万方数据

ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 西安电子科技大学学报（自然科学版） ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 第４４卷

９６

低成本和小尺寸要求能够得到实现．而物联网无线节点通信设备大多数使用电池供电，如果这些设备长期工

作（大约１０年），频繁更换电池将带来困难，因而低功耗问题越来越成为物联网大规模应用的瓶颈^［４］．研究表

明，在物联网节点无线通信中，无线节点之间的通信消耗大量的功耗，因此解决节点通信的功耗问题成为研

究的关键^［５］

．

通常，用于物联网无线节点通信的收发机一直处于工作状态便于快速精

确传送信号，而物联网无线节点大部分时间无数据通信，导致无线收发机浪费

大量的能量．为了提高通信效率降低功耗，节点通信的无线收发机使用一种高

能量效率的唤醒技术^{［６‐７］}，如图１所示．在无线节点之间无数据传送的情况下，

该唤醒技术可以使主接收机处于休眠状态．一旦节点之间进行通信，唤醒机制

将激活休眠中的接收机工作，这样可以显著地减少节点之间的通信功耗，从而

延长节点设备电池的寿命．基于唤醒技术的唤醒接收机（Wake up the

Receiver ，WuRx）持续地监听来自其他节点的传送信息，当节点之间需要通信

图１ ꢀ 唤醒接收机工作机制

时，将会产生一个唤醒信号并激活主接收机完成数据传送^［６］．鉴于唤醒接收机一直处于监听状态，无线唤醒

［７］

接收机需要实现能量效率最大化，其功耗要求小于１００ W ．因此，用于物联网无线节点通信的低功耗唤醒

接收机设计尤为重要．

目前，各种各样的接收机架构逐渐增多，比如超外差式、低中频和零中频等^{［８‐１０］}，但这些架构都需要高耗

能模块，如本地振荡器、射频锁相环和混频器等，其结构复杂度和高功耗无法满足物联网无线节点通信的要

求．随着低功耗技术深入研究，一些低功耗接收机，如简单的包络检波架构，能够有效地避免高耗能模块的使

用，从而大大地降低了功耗^{［１１‐１４］}．但是，这些架构大多数采用不利于集成的片外高 Q 滤波器和复杂的调试方

式．例如，文献［１３］中提出的唤醒接收机在０畅５ V 供电情况下总功耗为５２ W ，在数据速率为１００ kb／s 下其灵

敏度为－７２ dBm ，但其使用环形振荡器和射频 MEMS 高 Q 滤波器，难以实现系统集成．

一般而言，调制方式越复杂，功率消耗也越大．针对物联网无线节点之间通信低数据率和窄带宽的特点，

一些简单的调制方式比如开关键控（On Off Keying ，OOK）调制方式更合适．同时，采样无源结构放大和变

‐

频的唤醒接收机能够进一步降低系统功耗．例如，文献［１５］中唤醒接收机通过简单无源采样保持电路进行前

端放大变频，监听状态时实现灵敏度为－７８畅５ dBm ，功率消耗为１６畅４ W ，而识别传送数据状态时其灵敏度

为－７５．０ dBm ，功率消耗为２２畅９ W ．但是，这种架构的唤醒接收机在无源采样保持电路变频中产生大量的

谐波和非线性效应，严重地影响了系统的噪声系数．并且唤醒接收机需要高增益的有源放大，从而获得较高

的灵敏度，以便适应物联网复杂的环境．因此，综合考虑接收机的指标如灵敏度、数据率、集成度和功率消耗

等，笔者提出了一种全集成的用于物联网无线节点通信的超低功耗唤醒接收机，基于包络检波结构并利用持

续监控网络节点通信的唤醒技术，对传送简单的 OOK 调制方式信号进行判决，从而激活主接收机，完成数

据传送，大大地降低系统功率消耗．

1 ꢀ 唤醒接收机系统分析

文中提出的包络检波架构唤醒接收机如图

２所示．该接收机主要包括输入匹配网络、低噪

声放大器、包络检波器、限幅放大器、双转单变

换器、积分器、比较器和触发器等．当物联网无

图２ ꢀ 唤醒接收机架构

线节点之间需要进行通信时，唤醒接收机从天

线接收其他节点的传送信号，利用低噪声放大器（Low Noise Amplifie ，LNA ）放大射频输入信号，然后经包

络检测器（Envelop Detector ，ED）检波变频并进一步将单端信号转为差分信号输出，避免了本地振荡器和射

频锁相环的使用．接着采用差分限幅放大器进一步放大信号以便于后续信号处理．然后，由双（端）转单（端）

转换器（Double side turn to Single ended Conversion ，DSC）将差分信号转变为单端信号，并使用简单降低系

‐

统噪声的无源积分器把信号进行积分．当积分器的输出电压高于比较器的参考电压时，将会产生一个高电平

万方数据

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