具有串行外设接口的纳米功率无线唤醒接收器外文翻译资料

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具有串行外设接口的纳米功率无线唤醒接收器

Stevan J. Marinkovic, Student Member, IEEE and Emanuel M. Popovici, Senior Member, IEEE

摘要 - 我们设计，实施，测试和测量的超低功耗唤醒接收器（WUR），适用于用于无线身体局域网（WBAN）。高斯On-Off键控（GOOK）和脉宽调制（PWM）分别用于对前导信号进行调制和编码。接收机包含一个解码器，以实现串行外设接口（SPI）。WUR也经过了全面的功耗测试和在使用WBAN的人员附近找到无线设备对RF干扰的鲁棒性技术。我们的结果和比较评估表明唤醒唤醒功耗达到270nW接收机的功耗明显低于其他最先进的。所提出的前导码检测方案可以显着减少在WBAN中由于其他无线网络引起的假唤醒设备。此外，SPI显着减少了用于分组接收和解码的总功耗。

一，引言

无线身体局域网近年来一直是非常受欢迎的研究领域。该领域的主要研究工作重点是降低WBAN传感器的通信功耗，因为无线电收发器是WBAN中最高功耗的部件之一。因此，已经提出了几种技术来最小化收发机的占空比（其处于活动状态的时间的百分比）。虽然减少占空比有助于节省电力，但却严重限制了网络的灵活性。收发器的功耗在通道上闲置时可以接近或超过数据传输期间的功耗。因此，如果有的异步事件需要由网络协调员发起的话，单个设备必须花费相当多的能量进行空闲聆听。为了避免以这种方式浪费能量，WBAN可以从利用超低功率无线接收器中获益，该接收机承担监听，识别异步信号的责任，从而允许主收发器被关闭。

有两种类型的低功率听力装置。唤醒电路简单地唤醒每个靠近唤醒信号发送者的设备，而更复杂的唤醒接收器可以接收一个简单的命令来标识并随后仅唤醒正被寻址的传感器。因此，我们需要区分“唤醒信号”和“唤醒包”。唤醒信号是发送到唤醒模块附近的的信号，可用于唤醒中断唤醒传感器（WUp-Int）。唤醒数据包是触发WUp-Int的信息包，但可以包含地址和命令信息。一个好的唤醒系统应该只有唤醒这个传感器才能切换主接收机。它也不应该消耗很多的电力来解码地址和读取命令。

WBAN的能耗要求至关重要。WUR将长时间活动，而其他组件处于睡眠模式或完全关闭。因此，在睡眠模式（即小于1mu;W）的同时，与其它设备的功耗相比，其空闲时的功耗应该在同一范围内。

WUR模块也应尽可能地拒绝虚假唤醒信号。这些可能导致传感器被不必要地唤醒，浪费电池能量。在正常的WBAN中，来自外部来源的虚假唤醒信号可能非常频繁。通常在附近有大量的高功率发射设备，并且需要低功率架构的情况，这将在不唤醒传感器的情况下拒绝这些假信号。

本文的其余部分组织如下：第2节概述了唤醒接收机领域的相关工作。第3节介绍了唤醒接收机的典型应用，以及WBAN中WUR的要求。第4节详细介绍了唤醒接收机的理念，并解释了接收机的电路架构。第5节介绍了接收机通信和电气特性。第6节比较了最先进的接收机，第7节作了总结发言。

二， 相关工作

WUR的基本需求是拥有一个专用电路，可以连续收听无线信道并触发事件，而无需任何延迟，功耗比常规收发器更少。这增加了网络灵活性并降低了总体功耗。唤醒无线电的优点在[1]中提出，据估计，专用无线接口可以减少能量的消耗，如1mu;W.

为了对相关工作进行分类，我们将进行区分两组RF唤醒系统。

图1唤醒接收机概述

图2唤醒接收机应用

第一组是唤醒电路。它们可以具有非常低的功耗，但是这些仅仅检测通道上的活动，并不能将唤醒信号与其他具有足够功率的RF活动区分开。它们主要通过电荷泵实现。这在[2]中首次呈现和模拟。该电路不消耗电力，实现了肖特基二极管。[3]提出了使用MOSFET的类似解决方案。此外，电池辅助（半无源）RFID需要类似的解决方案，如他们的“开机”感应电路，如[4]所述。RF场检测器被提出可用于半无源RFID的低功率唤醒方法[5]。[6]提出了一种基于多级电荷泵的“上电”电路的设计。[7]提出了一种具有RF准被动唤醒电路的完整微功率传感器节点。

第二组RF唤醒系统被称为唤醒接收机。除了生成唤醒信号的能力之外，它们还具有对可以用于寻址的信号之后的一些信息包进行解调和解码的能力， 需要一种寻址机制来减少在网络形成过程中使用的功耗，并且如果唤醒接收机可以接收到一些命令，则可以简化媒体访问控制（MAC）数据通信协议以实现低功耗。

具有这些寻址能力的低功率WUR在[8]中给出。在[9]中开发了具有肖特基电压倍增器的解决方案，其后是可编程放大器和积分器。在[10]中模拟了基于零偏置肖特基倍压器（电荷泵，包络检测器）的另一种方法。[11]提出了基于放大器的设计。在[12]中提出了一个绽放滤波器解决方案。最后，[13]提出了一种具有用于分组解码的专用低功率微控制器的WUR。我们的无线电设计属于唤醒接收机组。

三， 唤醒接收器应用和要求

无线传感器设备中的专用WUR的典型实现是作为现有无线收发器的附加电路。WUR应通过一些标准接口与设备的微控制器进行通信，理想地重用收发器的天线和通信频率。典型的应用是在范围小于2m的WBAN网络中。对于这种情况，有一个专用的主节点作为网络协调器。该设备发送唤醒信号，并从传感器接收数据包。

我们的典型WBAN应用的例子可以在图2中看到。它显示了基于德州仪器MSP430微控制器和Analog Devices AFD7020无线收发器的传感器节点。收发器的高斯频移键控（GFSK）模式用于数据传输，高斯开关键控（GOOK）脉冲宽度调制（PWM）模式用于唤醒数据包。WUR检测到前导码（唤醒信号），产生中断（WUpInt），然后将MSP430从掉电模式（LPM4.5）唤醒到低功耗模式3（LPM3），以将解调的唤醒数据包作为 SPI上的数字流。为了实现这一目标，必须满足以下要求：

1）功耗非常低

a）非常低的WUR功耗

WUR在其余节点处于睡眠模式时，长时间保持活动（取决于MAC协议）。

b）对总体功耗的贡献较小

WUR对整体功耗的影响传感器节点应该是最小的。

2）最小化虚假唤醒信号

a）虚假到唤醒信号检测的比例较低

每次唤醒必须至少打开一个微处理器来分析唤醒的原因，或者更糟的情况是接通电源需要更长的命令。如果WUR可以在微控制器之前区分唤醒信号和不需要的信号，这是一个好处。

b）寻址能力

为了增加灵活性，WUR应该能够以唤醒包的形式接收除了唤醒信号之外的某种类型的地址或其他MAC消息。这是唤醒的另一个级别，并将其引导到特定的设备。

3）灵活性和可用性

a）天线和频率重用

由于尺寸和硬件限制，WUR电路可以轻松地与现有电路集成。

b）使用现有的变送器

如果可能，应使用网络中使用的现有发射机发送唤醒信号。

尝试以低功耗满足这些要求并不是微不足道的 - 特别是在WBAN中，许多高功率无线发射器可以位于靠近WBAN的位置。有源器件之间的通信也会影响休眠节点的WUR，而且不应产生虚假唤醒信号。

四， 设计与实施

网络协调员广播一个唤醒信号和数据包。该信号应由网络中的所有传感器感测。他们读取数据包，只有唤醒包所针对的传感器才能打开主收发器。然后它发送数据包或等待一定时间来接收其他命令。

图3唤醒接收机电路

图4 输入信号。（a） - 包络检测器的输出。（b） - 自适应

阈。（GOOK） - GOOK调制信号。（PWM） - 输出比较器

图5 前导检测器 ccp - C6和C7的通用充电路径。dp -

排放路径

唤醒分组由触发唤醒事件（WUp-Int）的前导序列组成，后面跟有需要唤醒的传感器的有效载荷。数据包包含额外的命令和指令（要求2.b）。该分组使用OOK调制发送。我们使用无源元件构建低成本WUR，功耗非常低，以满足要求1.a.

本文提出的WUR框图如图1所示。使用电荷泵（两级电压倍增器）作为OOK信号包络检测器。然后，使用数据限幅器（比较器）形成接收到的分组的正确比特序列。比较器阈值是自适应的，而不是常数，并且由接收信号的强度决定。如果前导码处于预期的OOK数据范围内，则前导码检测器触发唤醒中断。电路的下一部分是脉宽调制（PWM）解码器和SPI适配器。电路的这一部分首先对PWM编码信号进行解码，并产生SPI兼容信号，以便将数据传输到处理器

A.信封检测器和数据切片机

WUR的示意图如图3所示。电路的第一部分是包络检波器 - 两级倍增器（C1- C4，D1-D4）。它提取接收的GOOK信号的包络（跟踪接收到的信号功率）。结果信号如图4所示，信号a。

电路的下一部分（R1，C5）用于自适应阈值生成（图4，信号b）。自适应阈值机制有两个优点：

1) 根据接收信号功率，比较器的阈值始终保持在a信号电平的50％。这是为了增加WUR的动态范围，用于弱信号和强信号。无论接收信号是弱还是强或GOOK调制（GOOK调制是具有非锐度转换的OOK调制）, 它保持良好的标记空间比（图4，信号“PWM”）。

2) 来自天线的能量用于阈值产生，而不是分压器，因此静电功率降低。

B.前置码检测器和唤醒信号发生器

电路的下一部分（R2，C6，C7，D5，D6）用于从前导码产生唤醒中断。在我们的实现中，前导码是高于2kHz的OOK信号（图4和图6）。该前导码用于两个目的：

1. 将阈值信号（b）设置为包络检测器信号（a）的中间电平，图4。
2. 显着降低其他通信的干扰。只有高于预定数据速率的OOK调制前同步码才能使WUp-Int信号足以触发中断。低数据率OOK信号不触发中断。

图6 唤醒包检测 前导检测器的输入（PWM信号

2）和输出（WUp信号1）。 WUp达到WUp中断阈值。

图7 在GSM呼叫的情况下（无输入RF过滤）的WUp。 前言

检测器输入（PWM信号2）和输出（WUp信号1）。 WUp不

达到中断阈值。

在比较器输出的第一个上升沿，电容器C6和C7部分充电相同的电荷量。（图5，公共充电路径-ccp）。C7上的电压为VC7 = VccC6 /（C7 C6）。在下降沿，C6通过二极管立即放电（图5，dpC6），C7通过R2（dp-C7）缓慢放电，直到下一个上升沿。对于低上升沿（低OOK数据速率），C7完全放电，VC7不会达到中断阈值。对于较高频率，C7逐渐充电，最终达到阈值。对于实现的WUR，需要大约2kHz的OOK数据速率作为中断来达到施密特触发电平（0.66Vcc）。更改C7 / C6比率和R2C7时间常数会更改此频率。唤醒分组前导码引发这个WUp-Int产生中断，如图6所示。另一方面，来自GSM移动电话的呼叫中的信号不会触发中断，如图7所示。该图显示了我们的WUR在输入时没有任何RF过滤，在通话期间解释来自GSM手机的信号。请注意，一旦OOK解调，整个FSK调制数据分组就被视为高电平脉冲。这些脉冲的宽度为0.6ms，达到215Hz的频率。

该前导码检测器大大减少了由WBAN附近的伪无线FSK传输引起的假唤醒中断（特别是来自最强和最常见的GSM系统）。

C. PWM解码器和SPI适配器

电路的下一部分（R3，R4，C8，D7和74HC132 Quad 2输入NAND施密特触发器）用于解码PWM信号，使其兼容SPI。首先，使用R3-C8对PWM信号进行滤波，其中只有较长的脉冲（逻辑“1”）可以将74HC132的输入5提高到施密特“1”电平（图8）。该值（R3-C8）与数据速率相关，如果使用另一数据速率则应更改此值。逻辑的其余部分用于产生SPI数据和SPI使能信号（图9，通道1和3）。需要高电平的WUp信号来产生SPI数据。当分组中的第一位到达时，产生SPI使能信号. 该位必须为“1”（起始位）。然后，SPI数据是PWM滤波信号（图10中间信号），SPI时钟是比较器后的原始PWM信号（图10，顶部信号）。WUR作为SPI主机。

图8 PWM信号作为解码器的输入（2）和输出（1）。 施密特触发器

也注意到高水平

五，WUR特色

我们使用表面贴装设备（SMD）实现了WUR的完整工作原型。对这个原型进行了两次测试。无线数据传输测试使用ADF7020收发器进行，用于接收机验证和功耗测量。使用收发器的GOOK模式，在433.92MHz的工业，科学和医疗频段（ISM）载波频率下测试WUR。输出发射功率为10dBm。使用RF发生器测量频率/数据速率/抑制特性。

1. 频率，灵敏度和数据速率

工作频率取决于零偏二极管的类型。如果与提出的零偏置肖特基检测器二极管[14]一起使用，则WUR可以适用于高达1.5GHz的任何频率工作，灵敏度没有太大的变化。对于较高频率，应使用不同类型的二极管。我们的原型是为433MHz ISM频段构建的。对于医疗WBAN就业，这个WUR可以修改为在较不拥挤的乐队或特殊医疗乐队上工作。

接收机灵敏度/数据速率特性取决于肖特基二极管的RF特性， 比较数据限幅器的OOK数据速率和阈值电平决定。我们使用100％AM测试方法进行灵敏度测量，并使用直流平衡数据。该架构能够以高达80kbit / s的数据速率工作，同时对前导码检测器/ SPI适配器的组件值进行适当的更改。敏感性是：

如果输入RF滤波是使用（窄带表面声波（SAW）滤波器），由于滤波器损耗，输入灵敏度降低3dBm。

在较高的数据速率下，比较器在输入端

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