專利名稱：物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線互聯(lián)無線節(jié)點的超低功耗喚醒接收機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及物聯(lián)網(wǎng)無線通信的低功耗技術領域，特別是涉及一種用于物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線互聯(lián)無線節(jié)點的超低功耗喚醒接收機。
背景技術：
物聯(lián)網(wǎng)技術在可以預見的將來將廣泛應用于經(jīng)濟生活以及國家安全的方方面面，并越來越深入地影響到經(jīng)濟發(fā)展(比如在金融，物流，商業(yè)等方面)以及社會生活和國家安全(比如災害監(jiān)控，預警等)。相對于方便的無線互連技術，節(jié)點電路和整個系統(tǒng)的功耗問題將越來越明顯地成為其廣泛適用的制約。對大量散布的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點而言，采用電源線供電顯然是不現(xiàn)實的也不恰當?shù)慕鉀Q方案。而采用電池供電，頻繁更換電池對系統(tǒng)的長期穩(wěn)定工作帶來很大不便，在成本和代價上也是非常巨大甚至難以承受的。在一些特定應用場合，比如人體植入節(jié)點，頻繁更換電池不但給監(jiān)護對象造成極大痛苦，也給實際應用帶來極大困難。在同樣采用電池供電的移動設備中，低功耗高能量效率技術是提高系統(tǒng)性能的技 術之一，而在物聯(lián)網(wǎng)技術中，極低功耗高能量效率技術將是決定物聯(lián)網(wǎng)實用性的關鍵核心技術?？梢灶A見，節(jié)點電路的功耗和能量效率將是制約物聯(lián)網(wǎng)廣泛實際應用的關鍵因素。功耗問題和能量效率是依賴無線互連技術的大量散布節(jié)點物聯(lián)網(wǎng)技術廣泛應用的瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線互聯(lián)無線節(jié)點的超低功耗喚醒接收機，對無線網(wǎng)絡節(jié)點進行控制，使其符合網(wǎng)絡調(diào)度。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是提供一種物聯(lián)網(wǎng)無線節(jié)點與短距離無線互聯(lián)的超低功耗喚醒接收機，包括級聯(lián)的射頻信號匹配網(wǎng)絡、前端放大器、包絡檢波器、限幅放大器、第一比較器、積分器、第二比較器和邊沿觸發(fā)器；所述射頻信號匹配網(wǎng)絡用于實現(xiàn)前端放大器和天線之間的阻抗匹配；所述前端放大器用于放大信號；所述包絡檢波器用于檢測出信號的幅度包絡，并將信號轉(zhuǎn)變成差分脈沖信號；所述限幅放大器用于放大差分脈沖信號；所述第一比較器用于將輸入的差分脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱味嗣}沖信號；所述積分器用于對單端脈沖信號進行積分；所述第二比較器用于將積分后的電壓信號與參考電壓信號進行比較；所述邊沿觸發(fā)器根據(jù)第二比較器的比較結果喚醒節(jié)點芯片進入工作模式。在規(guī)定的喚醒時間內(nèi)積分信號電壓幅度大于第二比較器的參考電壓時，第二比較器向邊沿觸發(fā)器發(fā)出信號，喚醒無線收發(fā)機進入工作狀態(tài)。所述射頻信號匹配網(wǎng)絡采用LC匹配電路實現(xiàn)。所述邊沿觸發(fā)器為上升沿觸發(fā)器，將輸出的高電平信號存儲。所述積分器和邊沿觸發(fā)器為無源電路結構。所述前端放大器的功耗為55uW。所述包絡檢波器的功耗為16uW。所述限幅放大器的功耗為8. 6uW。
所述第一比較器和第二比較器的功耗均小于3. 6uW。所述超低功耗喚醒接收機調(diào)制方式采用OOK調(diào)制，載波頻率為780MHz。有益效果由于采用了上述的技術方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果本發(fā)明采用簡單、實用的以包絡檢波結構為核心的喚醒接收電路，在采用低功耗設計情況下，能夠極大的減少功耗；采用了無源積分器(Integrator)和邊沿觸發(fā)器(Trigger)降低誤觸發(fā)概率；在適當?shù)脑O計條件下，喚醒接收機電路的接受靈敏度達到_70dBm、功耗IOOuff以下。


圖1是具有無線喚醒功能的物聯(lián)網(wǎng)無線節(jié)點示意圖；圖2是本發(fā)明提出的超低功耗無線喚醒接收機系統(tǒng)架構圖；圖3是本發(fā)明的PCB電路連接原理圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例，進ー步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。具有無線喚醒功能的物聯(lián)網(wǎng)、短距離無線互聯(lián)及信息傳輸無線節(jié)點示意圖如圖1所示。喚醒接收機一直處于監(jiān)控狀態(tài)，節(jié)點主芯片的接收鏈路和發(fā)射鏈路都處于休眠狀態(tài)。當對指定無線節(jié)點有通信需求的時候，對其發(fā)送ー個通信需求指令，喚醒接收機探測接收到該信號，通過數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生一個喚醒信號，用于喚醒主芯片，使其進入工作模式(接收或發(fā)送)，和其他節(jié)點進行通信。通信結束后由于喚醒信號的中斷，主芯片重新回到休眠模式，喚醒接收機繼續(xù)處于監(jiān)控狀態(tài)，等待下一次通信需求。本發(fā)明提出的可用干物聯(lián)網(wǎng)、短距離無線互聯(lián)及信息傳輸無線節(jié)點的超低功耗喚醒接收機系統(tǒng)架構如圖2所示，包括級聯(lián)的射頻信號匹配網(wǎng)絡、前端放大器、包絡檢波器、限幅放大器、第一比較器、積分器、第二比較器和邊沿觸發(fā)器；所述射頻信號匹配網(wǎng)絡用于實現(xiàn)前端放大器和天線之間的阻抗匹配；所述前端放大器用于放大信號；所述包絡檢波器用于檢測出信號的幅度包絡，并將信號轉(zhuǎn)變成差分脈沖信號；所述限幅放大器用于放大差分脈沖信號；所述第一比較器用于將輸入的差分脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱味嗣}沖信號；所述積分器用于對單端脈沖信號進行積分；所述第二比較器用于將積分后的電壓信號與參考電壓信號進行比較；所述邊沿觸發(fā)器根據(jù)第二比較器的比較結果喚醒節(jié)點芯片進入工作模式。圖
3是本發(fā)明的PCB電路連接圖。本發(fā)明使得節(jié)點平臺大大降低節(jié)點電路的功耗,大大延長節(jié)點電路的工作時間，從而大大降低節(jié)點電路電源更新的成本。大大提高物聯(lián)網(wǎng)的技術優(yōu)勢和應用范圍，降低物聯(lián)網(wǎng)的使用成本。從整個無線互連技術的發(fā)展看，低功耗電路將越來越占據(jù)重要地位，因此以低功耗、高集成度為特點的節(jié)點平臺將在物聯(lián)網(wǎng)的無線節(jié)點電路應用中占據(jù)越來應用的地位。低功耗無線喚醒技術就是基于提高能量效率的ー種管理策略和實現(xiàn)技木。
該接收機以實現(xiàn)低功耗、高能效為前提，對無線網(wǎng)絡節(jié)點進行控制，使其符合網(wǎng)絡調(diào)度。各電路模塊說明如下射頻匹配網(wǎng)絡(Matching)完成對前端放大器(FEA)和天線之間的阻抗匹配。前端放大器(FEA)為超低功耗，高電壓增益設計，用于提高接收靈敏度。包絡檢波器(ED)用于探測信號的電壓幅度包絡，實現(xiàn)下變頻，使得變頻后頻率等于OOK信號數(shù)據(jù)率，同時也為超低功耗設計。限幅放大器為超低功耗設計，用于放大檢波器輸出的差分信號，使其能驅(qū)動后邊的第一比較器(Comparatorl)。第一比較器(Comparatorl)作為一個脈沖放大器將限幅放大器輸出的差分信號放大并轉(zhuǎn)變成單端信號，同時也為超低功耗設計。·積分器(Integrator)可設計為無源結構，對第一比較器的輸出信號進行積分。第二比較器(Comparator2)為超低功耗、高精度設計,利用前邊積分信號和參考電壓信號的比較決定是否產(chǎn)生喚醒信號。邊沿觸發(fā)器(Trigger)為上升沿有效，用于將前邊比較器輸出的喚醒信號保持，使其有足夠的時間激活主芯片。本發(fā)明中喚醒接收機一直處于監(jiān)控狀態(tài)，其本身消耗的能量必須非常的低(遠遠低于節(jié)點芯片收發(fā)鏈路的功耗)，才能滿足超低功耗設計的要求。喚醒接收機調(diào)制方式采用OOK調(diào)制，載波頻率為780MHz，數(shù)據(jù)率小于500kbps。利用檢波結構接收機對網(wǎng)絡節(jié)點進行控制，使其工作狀態(tài)符合網(wǎng)絡調(diào)度。當節(jié)點不需要通信的時候處于休眠狀態(tài)，需要通信的時候?qū)⑵鋯拘眩瑥亩蟠笱娱L了節(jié)點電池使用壽命，提高了能量利用率。當射頻信號通過匹配網(wǎng)絡后進入高電壓增益的超低功耗前端放大器(FEA)，信號得到放大；低功耗高靈敏度的包絡檢波器(ED)檢測出信號的幅度包絡，并轉(zhuǎn)變成差分信號，實現(xiàn)下變頻(變頻后信號變成頻率等于數(shù)據(jù)率的脈沖信號)；限幅放大器(Limiter)將脈沖信號放大后，使其能很好的驅(qū)動后邊的比較器電路；第一比較器(Comparatorl)在鏈路中作為一個脈沖放大器，將差分輸入信號變成OV到1. 2V的單端脈沖信號，進入積分器(Integrator);積分信號隨時間慢慢變大最后趨于飽和，當在規(guī)定的喚醒時間 500us)內(nèi)積分信號電壓幅度大于第二比較器(Comparator2)的參考電壓時,第二比較器(Comparator2)輸出高電平(變化過程產(chǎn)生一個上升沿)；再利用上升沿有效的邊沿觸發(fā)器(Trigger)，將輸出的高電平信號存儲，用于喚醒節(jié)點芯片進入工作模式。本設計中，供電電源電壓為1.2V;前端放大器(FEA)功耗為55uW，電壓增益大于30dB ;包絡檢波器(ED)和限幅放大器(Limiter)功耗分別為16uW和8. 6uff ；比較器(Comparator1、Comparator〗)功耗均小于3. 6uff ;積分器(Integrator)和邊沿觸發(fā)器(Trigger)為無源電路結構，不消耗能量；所有模塊的偏置電路總功耗小于12uW。測試結果顯示該喚醒接收機本身功耗<100uW，信噪比為12dB時，靈敏度_70dBm，能正確的實現(xiàn)超低功耗的無線喚醒功能。
權利要求
1.一種物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線互聯(lián)無線節(jié)點的超低功耗喚醒接收機，其特征在于，包括級聯(lián)的射頻信號匹配網(wǎng)絡、前端放大器、包絡檢波器、限幅放大器、第一比較器、積分器、第二比較器和邊沿觸發(fā)器；所述射頻信號匹配網(wǎng)絡用于實現(xiàn)前端放大器和天線之間的阻抗匹配；所述前端放大器用于放大信號；所述包絡檢波器用于檢測出信號的幅度包絡，并將信號轉(zhuǎn)變成差分脈沖信號；所述限幅放大器用于放大差分脈沖信號；所述第一比較器用于將輸入的差分脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱味嗣}沖信號；所述積分器用于對單端脈沖信號進行積分；所述第二比較器用于將積分后的電壓信號與參考電壓信號進行比較；所述邊沿觸發(fā)器根據(jù)第二比較器的比較結果喚醒節(jié)點芯片進入工作模式。
2.根據(jù)權利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線互聯(lián)無線節(jié)點的超低功耗喚醒接收機，其特征在于，在規(guī)定的喚醒時間內(nèi)積分信號電壓幅度大于第二比較器的參考電壓時，第二比較器向邊沿觸發(fā)器發(fā)出信號，喚醒無線收發(fā)機進入工作狀態(tài)。
3.根據(jù)權利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線互聯(lián)無線節(jié)點的超低功耗喚醒接收機，其特征在于，所述射頻信號匹配網(wǎng)絡采用LC匹配電路實現(xiàn)。
4.根據(jù)權利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線互聯(lián)無線節(jié)點的超低功耗喚醒接收機，其特征在于，所述邊沿觸發(fā)器為上升沿觸發(fā)器，將檢測第二比較器的輸出前沿，并將輸出的高電平信號存儲。
5.根據(jù)權利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線互聯(lián)無線節(jié)點的超低功耗喚醒接收機，其特征在于，所述積分器和邊沿觸發(fā)器為無源電路結構。
6.根據(jù)權利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線互聯(lián)無線節(jié)點的超低功耗喚醒接收機，其特征在于，所述前端放大器的功耗為55uW。
7.根據(jù)權利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線互聯(lián)無線節(jié)點的超低功耗喚醒接收機，其特征在于，所述包絡檢波器的功耗為16uW。
8.根據(jù)權利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線互聯(lián)無線節(jié)點的超低功耗喚醒接收機，其特征在于，所述限幅放大器的功耗為8. 6uW。
9.根據(jù)權利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線互聯(lián)無線節(jié)點的超低功耗喚醒接收機，其特征在于，所述第一比較器和第二比較器的功耗均小于3. 6uW。
10.根據(jù)權利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線互聯(lián)無線節(jié)點的超低功耗喚醒接收機，其特征在于，所述超低功耗喚醒接收機調(diào)制方式采用OOK調(diào)制，載波頻率為780MHz。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線互聯(lián)無線節(jié)點的超低功耗喚醒接收機，包括射頻信號匹配網(wǎng)絡用于實現(xiàn)前端放大器和天線之間的阻抗匹配；前端放大器用于放大信號；包絡檢波器用于檢測出信號的幅度包絡，并將信號轉(zhuǎn)變成差分脈沖信號；限幅放大器用于放大差分脈沖信號；第一比較器用于將輸入的差分脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱味嗣}沖信號；積分器用于對單端脈沖信號進行積分；第二比較器用于將積分后的電壓信號與參考電壓信號進行比較；邊沿觸發(fā)器根據(jù)第二比較器的比較結果喚醒節(jié)點芯片進入工作模式。本發(fā)明對無線網(wǎng)絡節(jié)點進行外部遠程控制使其符合網(wǎng)絡調(diào)度，或用于控制短距離無線互聯(lián)及信息傳輸節(jié)點的工作狀態(tài)。
文檔編號H04B1/16GK103023522SQ20121051744
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月5日 優(yōu)先權日2012年12月5日
發(fā)明者田彤, 張科, 劉宏, 孟凡振 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所