附录B 外文原文
Low-Power RFED Wake-Up Receiver Design for
Low-Cost Wireless Sensor Network Applications
David Galante-Sempere, Dailos Ramos-Valido, Sunil Lalchand Khemchandani and Javier del Pino *
Institute for Applied Microelectronics (IUMA), University of Las Palmas de Gran Canaria (ULPGC),
35017 Las Palmas de Gran Canaria, Spain; dgalante@iuma.ulpgc.es (D.G.-S.); dramos@iuma.ulpgc.es (D.R.-V.); sunil@iuma.ulpgc.es (S.L.K.)
* Correspondence: jpino@iuma.ulpgc.es
Received: 28 September 2020; Accepted: 6 November 2020; Published: 10 November 2020
Abstract: The development of wake-up receivers (WuR) has recently received a lot of interest from both academia and industry researchers, primarily because of their major impact on the improvement of the performance of wireless sensor networks (WSNs). In this paper, we present the development of three different radiofrequency envelope detection (RFED) based WuRs operating at the 868 MHz industrial, scientific and medical (ISM) band. These circuits can find application in densely populated WSNs, which are fundamental components of Internet-of-Things (IoT) or Internet-of-Everything (IoE) applications. The aim of this work is to provide circuits with high integrability and a low cost-per-node, so as to facilitate the implementation of sensor nodes in low-cost IoT applications. In order to demonstrate the feasibility of implementing a WuR with commercially available off-chip components, the design of an RFED WuR in a PCB mount is presented. The circuit is validated in a real scenario by testing the WuR in a system with a pattern recognizer (AS3933), an MCU (MSP430G2553 from TI), a transceiver (CC1101 from TI) and a T/R switch (ADG918). The WuR has no active components and features a sensitivity of about minus;50 dBm, with a total size of 22.5 times; 51.8 mm2. To facilitate the integration of the WuR in compact systems and low-cost applications, two designs in a commercial UMC 65 nm CMOS process are also explored. Firstly, an RFED WuR with integrated transformer providing a passive voltage gain of 18 dB is demonstrated. The circuit achieves a sensitivity as low as minus;62 dBm and a power consumption of only 528 nW, with a total area of 634 times; 391 micro;m2. Secondly, so as to reduce the area of the circuit, a design of a tuned-RF WuR with integrated current-reuse active inductor is presented. In this case, the WuR features a sensitivity of minus;55 dBm with a power consumption of 43.5 micro;W and a total area of 272 times; 464 micro;m2, obtaining a significant area reduction at the expense of higher power consumption. The alternatives presented show a very low die footprint with a performance in line with most of the state-of-the-art contributions, making the topologies attractive in scenarios where high integrability and low cost-per-node are necessary.
Keywords: wake-up receiver (WUR); radiofrequency envelope detector (RFED); tuned-radiofrequency (tuned-RF); low power; energy efficient; wireless sensor network (WSN); complementary metal-oxide semiconductor(CMOS);active inductor;integrated transformer
Introduction
The development of circuits and systems for wireless communications and their applications have been under extensive research during the last decades. More precisely, the applications of wireless sensor networks (WSN) have received a lot of attention since they are one of the enabling technologies promoting the Internet-of-Things (IoT) or Internet-of-Everything (IoE) [1]. WSNs are composed of battery-powered devices operating with very low-power consumptions so as to ensure a long lifespan of the network. This requirement is crucial in many application scenarios since the batteries of the sensor nodes are replaceable at a very significant cost because of the harsh environmental conditions. The conventional radio interface or transceiver is frequently the most power-consuming element in a WSN node, dominating both the static and dynamic power consumption of the sensor [2]. For this reason, various strategies have been explored to minimize the activity of the conventional transceiver, and can result in significant energy savings, thus, increasing the sensorrsquo;s battery life. One well-known solution to drastically reduce power consumption is to aggressively duty-cycle the transceiver in order to save power, but this may leave the sensor node unreachable and unable to communicate with other nodes for a short time period [3]. Therefore, this decrease in power consumption when the sensor nodersquo;s radio is in sleep-mode results in a higher latency. Generally, two types of applications can be distinguished in terms of the networkrsquo;s activity: low-average throughput applications, where the activity rate is low and power consumption and sensitivity are key metrics; and high-average throughput applications in which the network is very active and data rate is crucial. Considering the two scenarios, the delay associated with duty-cycled transceivers can severely degrade the performance of the whole WSN in the context of high-throughput applications with a high level of activity, and many real-time applications may not tolerate such delays.
The implementation of a wake-up receiver (WuR) apart from the main radio interface can ensure a low latency along with a very low power consumption. With this solution, the WuR is always listening to the communication channel while the main transceiver remains in sleep-mode. The WuR must be constantly listening to the communication channel to be able to detect wake-up signals coming from other WSN nodes in order to maintain a reasonable latency. A
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低成本无线传感器网络的
低功耗RFED唤醒接收机设计
摘要：近年来，唤醒接收机（WuR）的发展受到了学术界和工业界的广泛关注，这主要是因为WuR对提高无线传感器网络（WSNs）的性能有着重要的影响。本文介绍了在868MHz工业、科学和医学波段工作的三种不同的基于射频包络检测（RFED）的WuRs的研制。这些电路可以应用于人口稠密的无线传感器网络，这些网络是物联网（IoT）或万物互联（IoE）应用的基本组成部分。这项工作的目的是提供具有高集成度和低成本的电路，以便在低成本物联网应用中实现传感器节点的应用。为了证明用商用片外元件实现WuR的可行性，提出了一种PCB封装RFED-WuR的设计方案。通过在一个带有模式识别器（AS3933）、MCU（TI的MSP430G2553）、收发器（TI的CC1101）和T/R开关（ADG918）的系统中测试WuR，验证了该电路的有效性。WuR没有有源元件，其灵敏度约为minus;50 dBm，总尺寸为22.5times;51.8 mm2。为了便于在紧凑系统和低成本应用中集成WuR，本文还探讨了商用UMC 65nm CMOS工艺中的两种设计。首先，本文演示了一种集成变压器的RFED-WuR，它能提供18dB的无功电压增益。该电路的灵敏度低至minus;62 dBm，功耗仅为528 nW，总面积为634times;391micro;m2。其次，为了减小电路的面积，提出了一种集成电流复用有源电感的调谐RF-WuR的设计方案。在这种情况下，WuR具有minus;55 dBm的灵敏度，功耗为43.5micro;W，总面积为272times;464micro;m2，以更高的功耗为代价获得显著的面积减小。提出的备选方案显示了非常低的芯片占用率，其性能符合大多数最先进的贡献，使得拓扑结构在需要高集成度和低每个节点成本的场景中具有吸引力。
关键词：唤醒接收机（WUR）；射频包络检测器（RFED）；调谐射频（调谐RF）；低功耗；节能；无线传感器网络（WSN）；互补金属氧化物半导体（CMOS）；有源电感；集成变压器
1.介绍
在过去的几十年里，无线通信电路和系统的发展及其应用受到了广泛的研究。更确切地说，无线传感器网络（WSN）作为推动物联网（IoT）或物联网（IoE）的一种使能技术，其应用受到了广泛的关注[1]。无线传感器网络由电池供电的设备组成，这些设备以极低的功耗工作，以确保较长的工作网络寿命。这一要求在许多应用场景中是至关重要的，因为由于恶劣的环境条件，传感器节点的电池可以以非常高的成本进行更换。传统的无线接口或收发器通常是WSN节点中最耗电的元件，控制传感器的静态和动态功耗[2]。基于这个原因，已经探索了各种策略来最小化传统收发器的活动，并且可以显著地节省能量，从而增加传感器的电池寿命。大幅度降低功耗的一个众所周知的解决方案是积极地使收发器占空比以节省功率，但这可能使传感器节点在短时间内无法到达并且无法与其他节点通信[3]。因此，当传感器节点的无线电处于睡眠模式时，功耗的这种降低导致更高的延迟。一般来说，可以根据网络的活动区分两种类型的应用程序：低平均吞吐量应用程序，其中活动率低，功耗和灵敏度是关键指标；高平均吞吐量应用程序，其中网络非常活跃，数据速率至关重要。考虑到这两种情况，在高活动水平的高吞吐量应用环境中，与占空比收发器相关联的延迟会严重降低整个WSN的性能，并且许多实时应用可能无法容忍这种延迟。
在主无线电接口之外实现唤醒接收器（WuR）可以确保低延迟和极低功耗。在这个解决方案中，当主收发器保持在睡眠模式时，WuR总是监听通信信道。WuR必须不断地监听通信信道，以便能够检测来自其他WSN节点的唤醒信号，以便保持合理的延迟。占空比WuR还可以用来进一步降低功耗，但代价是更高的延迟[4]。这些节点可以通过交换唤醒信号或分组来单独寻址，采用不同的标识符来避免唤醒其他传感器节点。为了能够明确地识别唤醒信号并避免产生错误的唤醒，WuR通常使用模式识别器实现数字基带（DBB）。用于WuR信号的最常用的调制方案之一是开/关键控（OOK）方案，这主要是由于其解调所需的简单结构[5]。只有在接收到具有正确标识符的唤醒信号之后，主微控制器（MCU）和常规无线电接口才被唤醒，开始通过常规无线电通信进行数据交换。图1显示了WSN节点中WuR的常见集成。
图1 集成唤醒接收器（WuR）的传感器节点的框图
当wur用于低流量和密度较低的wsn时，可以观察到最显著的功耗节省，这主要是因为主收发器大部分时间处于睡眠模式[1]。在设计WuR时，由于采用了简单的体系结构，很难满足高性能的要求。在保持低功耗的同时，设计具有高灵敏度和数据速率的WuRs是一个具有挑战性的过程。
使用WuRs最值得注意的优点是显著降低了功耗和低延迟。省电是通过简单地将MCU和传统收发器置于睡眠模式来实现的，并且由于WuR始终保持活动状态，因此接收器延迟不会受到严重影响。然而，这些优势是以更高的系统复杂性、规模和节点实现成本为代价的[5]。与传统的无线电接收机相比，WuR是一种简单的无线电接口，其特点是功耗非常低，但性能有限。由于所需的低功耗，诸如WuR灵敏度和选择性等方面往往不如普通接收机。在这种情况下，与到达相同距离的传统RF收发机所需的功率相比，从发射机到达WuR需要更高的功率。然而，在人口稠密的网络中，高灵敏度/功耗比通常是不必要的，因为设计工作完全集中在获得尽可能低的每个节点的成本上。因此，在此类应用中，诸如系统可集成性、模具足迹、材料清单、装配成本和校准方案等方面被优先考虑。
近年来，WuRs的发展受到了学术界和工业界的广泛关注，这表明WuRs在商业应用中的集成度正在不断提高。许多最先进的作品已经报道了工作在50micro;W以下的设计，甚至在亚nW范围内，具有非常高的灵敏度。这种功耗严重低于在兆瓦范围内工作的传统收发器。这些WUR可以由硬币大小的电池供电，并且能够持续收听频道数年。一些研究甚至表明，通过应用能量收集技术，从射频信号中获得稳定的直流电源，为所有构建块供电，从而实现了无电池WUR[6]。此外，在某些环境条件下或某些特定事件的触发下，使用低功率传感器实现WuRs可用于唤醒收发器和MCU[2]。如果错误唤醒的概率保持较低，这可能导致更有效的性能和功耗的降低。传统整流器形成的包络检测器通常用于实现WUR，因为它们允许非常低的功耗，因为不需要本地振荡器和锁相环[2]。
从文献中可以看出，在功耗和灵敏度之间存在一种折衷。需要考虑的最相关的指标之一是与每个解决方案相关联的每个节点的成本。一些简单的成本指标是工艺流程复杂度和最小浇口长度、设计的可集成性、材料和装配成本清单、校准方案（如有）和模具占地面积。在无线传感器网络中，将WuR与复杂的传感器和系统集成的可行性是一个关键因素。在设计WuR时，架构的选择起着关键的作用，因为有些拓扑倾向于以牺牲灵敏度为代价来节省更高的功耗，反之亦然。主要区别在于有源射频放大器和混频器的实现，实现了非常高的灵敏度，但功耗约为数十micro;W。类似地，通过避免射频放大器和混频器，亚nW设计是可能的，但灵敏度受到限制。
在以前的文献中，不同的架构提供了灵敏度优化，而没有显著减少电路面积和每个节点的成本，这对于系统集成和低成本的密集网络是最重要的。本文有三个主要贡献，因为我们提出了不同的基于包络检测架构的WuRs的开发，并对其进行了各种修改，以改善电路的占地面积。在第2节中，我们将介绍一个在一个PCB fashion中使用被动开发检测器和片外组件的WuR的实现。CMOS商业技术中两个集成的WUR的发展如第3节所示。第4节评估了建议解决方案的性能，并对最相关的最新解决方案进行了比较。最后，在第5节中得出了本文的结论。
2带片外元件的包络探测器WuR
传统接收机上的大多数工作都基于零中频或低中频直接转换架构[7–10]。然而，由于存在闪烁噪声和信号下变频后的直流偏移，零中频拓扑很少用于实现WuR。因此，通常倾向于采用低IF架构来克服这两个问题。除了传统的零中频和低中频结构外，在无线射频雷达设计领域还存在着各种各样的拓扑结构，如射频包络检测（RFED）、匹配滤波器（MF）、超外差（SH）、子采样（SS）、注入锁定（IL）、不确定中频（UIF）或超再生（SR）结构。
一方面，诸如SH架构之类的结构在灵敏度和抗干扰能力方面可能是令人感兴趣的，因为有可能实现可降低噪声和阻断器影响的高选择性、低功耗IF滤波器[11]。然而，这些WUR具有非常高的功耗，在[12]中可以找到一个例子，报告在10 kbps时灵敏度为minus;97 dBm，功耗为99micro;W。UIF方案的优点是抑制了对锁相环（PLLs）的需求[13]，从而实现了显著的节能。这样做的代价是需要一个非常高Q值的输入滤波器来抵抗干扰[14]。[15]中报告了一个例子，在50 kbps时灵敏度为minus;55 dBm，功耗为100micro;W。另一个不需要PLL的解决方案是IL架构，使用调谐振荡器作为频率-振幅转换器[16–18]。基于SR的体系结构还根据输入信号强度产生振荡，其特征在于射频振荡器在稳定和不稳定状态之间变化，由低频失超振荡器控制[19]。一些例子可以在[20,21]中找到。SS架构与SH有些相似，但在这种情况下，混频器由采样保持（S/H）电路取代[13]。在[22]中，报告了一种基于SS原理的双模接收机，灵敏度为minus;78.5和minus;75 dBm，两种模式（数据速率分别为10和200 kbps）的功耗分别为16.4和22.9micro;W。
另一方面，RFED是在可集成性和低功耗操作方面具有最高潜力的体系结构之一。大量的wur基于这种架构[2,6,11,23–28]，主要是因为它允许设计者实现非常低的功耗。然而，与其他WuR结构相比，RFED结构具有高噪声系数和低抗干扰能力的特点，因此实现了有限的灵敏度。在这一节中，我们探讨了带片外元件的WuR的实现，以证明无源RFED WuR可以在没有直流功耗的情况下获得合理的性能。
传感器节点拟在868mHz工业、科学和医疗（ISM）频段工作，并采用OOK调制方案接收唤醒信号。系统框图如图1所示。在该图中，节点A对应于OOK调制的输入信号，并且在节点B处获得OOK信号的包络，其包含由下一块、模式识别器或信号相关器解码的唤醒模式。在这种结构中，来自天线的信号有两条路径。通向节点A的路径用于接收唤醒信号，而主路径用于常规无线电通信。由外部微控制器（MCU）配置的T/R开关根据传感器节点的状态启用特定路径。在启用低功耗睡眠模式之前，MCU设置开关以激活唤醒信号检测路径。在WuR模块之后，信号的包络到达模式识别器，在15到150kHz的频率范围内工作。当唤醒信号标识符与传感器标识符匹配时，模式识别器生成中断以唤醒MCU并且开始常规无线电通信。唤醒信号由用高频载波（15–150 kHz）调制的低频信号（0.5–4 kbps）产生。然后用868兆赫载波调制信号，以便能够使用与主收音机相同的天线。以这种方式，低成本、低功耗的电路，例如在125 kHz下工作的AS3933电路，可以用作模式识别器[11]。通过这种方法，设计者可以利用高频信号的传播特性
具有低频电路的低功耗能力。
2.1. 方案设计
WuR的结构基于RFED原理，由输入匹配网络、整流器和低通滤波器组成。实现中使用的所有组件都是商用片外组件。图2显示了由T型LC阻抗匹配网络、整流器和常规RC低通滤波器组成的WuR前端。
图2 离散元件包络检测器的WuR结构
由于肖特基二极管的高速开关能力，整流器采用肖特基二极管实现。此外，这些二极管具有非常低的阈值电压，这是高频、低功耗应用的理想特性，允许设计高灵敏度包络检测器。选择了Avago的HSMS-285X肖特基二极管，因为这些器件适用于低于1.5GHz的应用，灵敏度优于minus;20dBm。设计规格是从AS3933集成电路的最低灵敏度中提取出来的，该灵敏度约为80micro;Vrms或113.15micro;Vpeak峰值。通过模拟确定WuR的相应灵敏度为minus;50 dBm，如图3所示。为了在输入端实现阻抗匹配，L1被确定为6nH，L2为90nH，C1为1.2pF。在868MHz频率下，仿真结果表明，输入回波损耗大于35dB。类似地，所需的低通滤波器组件Cf和Rf的值分别为200 pF和5.3 kΩ。
图3 整体WuR灵敏度的测定结果
2 mVpeak峰值开/关键控（OOK）信号产生并通过天线模型和射频包络检测（RFED），最终到达AS3933模型。绘制的波形自上而下表示生成的OOK信号以及在天线、输入匹配网络、RFED和AS3933之后获得的输出。
2.2. 实施与措施
在PCB上实现了基于RFED的WuR，验证了仿真结果。选择Isola的FR-370HR基板是因为它在成本和性能之间提供了一个合理的折衷方案。PCB如图4所示，尺寸为22.5times;51.8 mm2。
图4 用分立元件实现简单RFED-WuR的PCB实现
在868MHz的载波频率下，使用具有100%调制指数的AM信号和125kHz的调制器进行测量。采用E4440A频谱分析仪提取结果。在电路输出端测得的响应如图5a所示，由频谱分析仪获得minus;40 dBm输入信号。可以看出，在50Ω负载上，输出呈现126.1 kHz信号，幅度为minus;67.1 dBm。去除导线损耗后，RFED输出在50Ω负载上获得minus;65.8 dBm的值，这足以达到AS39330s灵敏度。时域WuR的测量输出如图5b所示，表示125 kHz AM信号的包络。
图5 离散频谱分析仪中minus;40 dBm AM输入信号的WuR输出（a）和时域中
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