WuRX_I

Introduction

Wakeup receiver解决无线通信收发机待机功耗太大的问题。很多场景下,不知道什么时候需要通信,让收发机一直开着费电,因此做一个低功耗的wake up receiver,保持监视状态,当检测到特定的口令时候,发出一个信号,唤醒收发机。

常见的工程优化思路——任务分解,每部分有专门的硬件,针对特定的任务进行优化,最后获得整体性能优势。这里就是将待机这一功能分解出来,专门定制硬件,用来降低功耗。牺牲速度换取功耗的极端特例。

Feature

超低功耗:保持长时间待机

极低的数据率:不需要用来传递信息,只需要识别特定的pattern,发出一个唤醒信号;

灵敏度要求:有一定的灵敏度,保证唤醒的robustness和足够的工作距离。

可以使用最简单的调制方式。OOK,包络简波。

ASK (Amplitude Shift Keying):例如二进制的,用不同的幅度来表示0和1.

2020/11/30

A 116nW Multi-Band Wake-Up Receiver with 31-bit Correlator and Interference Rejection
Seunghyun Oh, Nathan E. Roberts, and David D. Wentzloff, University of Michigan
2013 cicc

Abstract: This paper presents a 116nW wake-up radio complete with crystal reference, interference compensation, and baseband processing, such that a selectable 31-bit code is required to toggle a wake-up signal. The front-end operates over a broad frequency range, tuned by an off-chip band- select filter and matching network, and is demonstrated in the 402-405MHz MICS band and the 915MHz and 2.4GHz ISM bands with sensitivities of -45.5dBm, -43.4dBm, and -43.2dBm, respectively. Additionally, the baseband processor implements automatic threshold feedback to detect the presence of interferers and dynamically adjust the receiver’s sensitivity, mitigating the jamming problem inherent to previous energy-detection wake-up radios. The wake-up radio has a raw OOK chip-rate of 12.5kbps, an active area of 0.35$mm^2$ and operates using a 1.2V supply for the crystal reference and RF demodulation, and a 0.5V supply for subthreshold baseband processing.

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Off-chip matching network

RF rectifier:
  traditional的方法,LNA+mixer,但是功耗比较大。wurx数据传输量比较小(几十个bits),用整流器来代替。比如有时候会用二极管,square law behavior, $(\cos a + \cos b)^2$最后能得到$\cos (a-b)$. 这个paper用了30stage,实际不是很好(?),比较老的文章。All transistors operate in the sub-threshold region (at low Rx power levels). This subthreshold rectifier uses zero-threshold transistors and 30 stages to achieve sufficient RF gain with fast charging time.

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  rectifier的工作原理,比如只看其中一个stage进行分析。A点sinusoidal,for simplicity 假设为$\pm 1$的方波。假设两个MOS管都是$V_{th} = 0$。当A为-1V时,MOS管导通,B接到地上为0V。当A变为1V时,因为电容两侧电压差恒定,B点0V$\rightarrow$2V,于是C点也变为2V。通过多级连接实现整流放大的功能。

Crystal oscillator:

comparator with ATC (Automatic Threshold Controller):

  主要创新点。编码后0 1个数差不多。

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2021/03/18重读:

Introduction部分:wireless sensor nodes的sleep power在nW量级,wakeup receiver的active功耗需要比这个更小。一种降低功耗的方法是降低sensitivity,用做短距离传输

2020/12/14

2.4GHz (ISM, Industrial Scientific Medical Band); 915MHz

402-405MHz, MICS band

433MHz

A 0.42nW 434MHz -79.1dBm Wake-Up Receiver with a Time-Domain Integrator
Vivek Mangal, Peter R. Kinget, Columbia University, New York, NY
2009 ISSCC

解析:

输入通过片外高Q的大电感选频,一方面把输入阻抗匹配到天线所需要的阻抗,一方面在阻抗转换的同时提供一定的电压增益。matching network之后经过二极管接法的晶体管检波(利用晶体管的非线性)。检波基本去掉了本振,变成低频信号,由中频放大器放大。

因为二极管检波通常会放进来很多噪声,一般在中频放大器之后,需要进行低通滤波器提高信噪比。这里用了两个压控振荡器来作为积分器代替低通滤波(本质上压控振荡器是把电压域信号转换到时域)。压控振荡器将电压转为频率信号,所以只需要一个PFD去比较信号通路和参考通路的相位,即可实现与电压域的比较器类似的功能。

优点:1. 面积小,因为用RC滤波器把带宽压低(~100Hz),RC的值不会小。2. 容易控制。VCO的相位可以很快重置,而不用等待一个很长的电容充放电时间。这样可以实现一定窗口的积分,在积分到最大值之后采样,采样完马上重置进入下一个比特的积分。这样类似于匹配滤波,一定程度上可以增强信噪比。

接收机收到一组01数据串,它并不知道每个比特是从什么时间开始的,那如何选择窗口积分的开始时间结束时间呢以及采样时间呢?在高性能的接收机里,这一部分往往是由时钟数据环路(CDR)来确定的,通过环路反馈让每次采样在信噪比最大的点上。在wake up receiver里面,功耗预算无法负担一个时钟数据环路。这种情况下,解决方式一般是过采样,这篇采用了2x的过采样。在每个比特里面采样两个点,会稍稍牺牲一点信噪比(每个采样点对应的积分时间变短了),但总有一个能采在比较好的位置上,后面再通过一些数字逻辑抛弃掉不好的采样点。这篇文章的采样率是200Hz。

过采样和CDR都能解决采样时隙对齐的问题,但在不同的应用里会选择不同的技术方案。在高速串口里,大家都在拼极限数据率,过采样是不可能的,所以肯定要用CDR,而且其本身功耗一般都已经比较大。

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