本發(fā)明涉及物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，具體涉及一種基于比特采樣的對數(shù)功率檢測器架構(gòu)的無線喚醒接收機(jī)。

背景技術(shù)：

由于無線喚醒接收機(jī)可以同時(shí)提供超低功耗和快速通信功能，因而引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并提出了許多無線喚醒接收機(jī)的方案。根據(jù)降低無線接收機(jī)功耗的思路來分，可將現(xiàn)有的無線喚醒接收機(jī)劃分為兩類：1)以增大接收靈敏度為代價(jià)降低功耗的喚醒接收機(jī)，2)以降低傳輸速率為代價(jià)降低功耗的喚醒接收機(jī)

1)以增加接收靈敏度為代價(jià)降低功耗的喚醒接收機(jī)

為了降低無線喚醒接收機(jī)的功耗，一種思路就是去掉或改造現(xiàn)有無線接收機(jī)的高功耗元件(如頻率合成器和射頻放大器)，以期降低其功耗，但與此同時(shí)其接收靈敏度也會(huì)相應(yīng)增加。在該研究領(lǐng)域中，根據(jù)所設(shè)計(jì)的接收機(jī)的架構(gòu)的不同，可分為三種類型：基于比較器架構(gòu)的無線喚醒接收機(jī)，基于放大器架構(gòu)的無線喚醒接收機(jī)和不定中頻架構(gòu)的無線喚醒接收機(jī)。對于這三種架構(gòu)的無線喚醒接收機(jī)的研究中，國際上有美國伯克利大學(xué)janrabaey研究組，密西根大學(xué)davidd.wentzloff研究組，愛爾蘭考克大學(xué)emanuelpopovici研究組，德國弗萊堡大學(xué)leonhardmichaelreindl研究組等，國內(nèi)有中科院電子所葉甜春課題組，北京交通大學(xué)駱麗課題組，上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所田彤課題組等做出了前沿性的突出貢獻(xiàn)。表2對他們的研究成果進(jìn)行了總結(jié)。

基于比較器架構(gòu)的喚醒接收機(jī)最為簡單。它主要由一個(gè)整流電路和一個(gè)比較器組成。它大概的工作流程如下：高頻信號(hào)(如900mhz)經(jīng)過整流放大電路后，變?yōu)榈皖l的包絡(luò)信號(hào)(如100khz)。然后該包絡(luò)信號(hào)與包絡(luò)信號(hào)均值通過比較器相比較，輸出電壓足夠大的ook(onoffkeying)解調(diào)的方波信號(hào)。這種基于比較器的喚醒無線接收機(jī)唯一需要供電的就是比較器，因此功耗很低(小于1uw)，但接收靈敏度較大(-50dbm)，因此只適合短距離的通信。

第二種喚醒無線接收機(jī)為基于放大器的喚醒無線接收機(jī)。該接收機(jī)的前端電路與基于比較器的喚醒無線接收機(jī)一樣(有的會(huì)增加一個(gè)低噪聲放大器)，都是采用整流放大電路將射頻信號(hào)的包絡(luò)提取出來，然后將中頻信號(hào)經(jīng)過一個(gè)自動(dòng)增益控制的放大器進(jìn)行放大，最后用數(shù)據(jù)提取器對放大后的ook調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。該接收機(jī)的功率由中頻放大器的功率和數(shù)據(jù)提取器的功率組成。數(shù)據(jù)提取器的功率一般比較低，可達(dá)到納瓦級別。放大器的功率與其增益有關(guān)。增益越小，則功率越小，但電路接收靈敏度也會(huì)升高。為了平衡功耗和接收靈敏度，基于中頻放大器的喚醒無線接收靈敏度也不會(huì)太高(大約在-32dbm到-60dbm的水平)。

第三種無線喚醒接收機(jī)的架構(gòu)為不定中頻。它采用一個(gè)寬帶中頻放大器(一般小于100mhz)，對射頻輸入信號(hào)和本振信號(hào)混頻之后的信號(hào)進(jìn)行帶通濾波和放大，并直接交給包絡(luò)檢波器進(jìn)行解調(diào)。只要本振信號(hào)的頻率與射頻輸入信號(hào)的載波頻率之差在中頻放大器的帶寬范圍之內(nèi)，就可以實(shí)現(xiàn)正確的解調(diào)，并不需要高精度的本振信號(hào)，這就大大降低了本地振蕩器的功耗。該喚醒接收機(jī)的接收機(jī)靈敏度比前兩種接收機(jī)低，可達(dá)到-70dbm左右，然而功耗最高，大約為50μw。

2)以降低傳輸速率為代價(jià)降低功耗的喚醒接收機(jī)

在絕大多數(shù)應(yīng)用環(huán)境下，無線喚醒接收機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)量很少(只包括喚醒信號(hào)和地址信息)，因而對其傳輸速率要求不高，一般來講1kbps甚至以下的傳輸速率的喚醒接收機(jī)就能滿足大部分無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景。所以有一些研究人員試圖通過降低傳輸速率而非增大接收靈敏度的方式來降低功耗。

2012年美國弗吉尼亞理工學(xué)院dongsamha研究組和韓國先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究院sang-guglee研究組提出了一種比特級采樣的喚醒接收機(jī)。該接收機(jī)在一個(gè)比特的傳輸間隔內(nèi)(如1kbps的位傳輸間隔為1ms)僅僅開啟一段小段時(shí)間(如6μs)，以大幅降低其功耗。他們的研究表明，該喚醒接收機(jī)在1kbps的傳輸速率下的功率僅為8.5μw。但由于該喚醒接收機(jī)采用調(diào)諧式射頻(tunedrf)接收機(jī)架構(gòu)，其射頻放大器在低功耗條件下放大能力非常有限，所以接收靈敏度也只有-73dbm。2013年德國弗勞恩霍夫集成電路研究所heinrichmilosiu等研究人員研制了一款超外差式的比特采樣的喚醒接收機(jī)。該喚醒接收機(jī)在1kbps傳輸速率下的功耗僅為28.25μw，而接收靈敏度可以達(dá)到-83dbm。然而該接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍不高，易受到慢衰落干擾影響。為此，他們對該接收機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，于2015年提出了3通道的超外差比特采樣喚醒接收機(jī)。該接收機(jī)在1kbps傳輸速率下的功耗為6.9μw，接收靈敏度為-80dbm。

比特采樣的喚醒接收機(jī)具有接收靈敏度低，傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，因而具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。但現(xiàn)有的比特采樣技術(shù)的接收機(jī)架構(gòu)主要有兩種：調(diào)諧式射頻接收機(jī)，超外差射頻接收機(jī)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于比特采樣的對數(shù)功率檢測器架構(gòu)的無線喚醒接收機(jī)，相比調(diào)諧式射頻接收機(jī)架構(gòu)，在功耗相同的情況下具有更低的接收靈敏度，因而通信距離更長。與超外差架構(gòu)的接收機(jī)相比，由于沒有高頻振蕩器，因而具有較快的上電響應(yīng)速度，因而更加適合比特采樣技術(shù)的應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

基于比特采樣的對數(shù)功率檢測器架構(gòu)的無線喚醒接收機(jī)，包括一個(gè)功耗極低的喚醒無線接收機(jī)和一個(gè)接收數(shù)據(jù)的主無線接收機(jī)；在一般狀態(tài)下，接收節(jié)點(diǎn)的主無線接收機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，而喚醒無線接收機(jī)處于打開狀態(tài)；當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先發(fā)送請求包給喚醒接收機(jī)；喚醒接收機(jī)收到該請求包，喚醒節(jié)點(diǎn)的微處理器，然后由微處理器開啟主無線收發(fā)器與發(fā)送節(jié)點(diǎn)通信。

其中，所述接收機(jī)的架構(gòu)采用功率檢測器架構(gòu)。

其中，采用軟件定義傳輸速率和占空比，采用微處理器io控制喚醒接收前端電路的開關(guān)，采用ad讀取調(diào)制后的輸入信號(hào)；這種方式可以使信號(hào)的傳輸速率和對信號(hào)比特采樣的占空比完全由軟件決定。相比與現(xiàn)有的硬件定義傳輸速率的方式，該種方式可以方便用戶按照其應(yīng)用需求，通過改變傳輸速率或占空比來改變其功率。

本發(fā)明具有以下有益效果：

采用功率檢測器架構(gòu)。該架構(gòu)相比調(diào)諧式射頻接收機(jī)架構(gòu)，在功耗相同的情況下具有更低的接收靈敏度。與超外差架構(gòu)的接收機(jī)相比，由于沒有高頻振蕩器，因而具有較快的上電響應(yīng)速度，因而更加適合比特采樣技術(shù)的應(yīng)用；采用軟件定義傳輸速率或占空比，采用微處理器io控制喚醒接收前端電路的開關(guān)，采用ad讀取調(diào)制后的輸入信號(hào)；這種方式可以使信號(hào)的傳輸速率和對信號(hào)比特采樣的占空比完全由軟件決定。相比與現(xiàn)有的硬件定義傳輸速率的方式，該種方式可以方便用戶按照其應(yīng)用需求，通過改變傳輸速率來改變其功率。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有常見的對數(shù)功率檢測器架構(gòu)的無線喚醒接收器架構(gòu)。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例基于比特采樣的對數(shù)功率檢測器架構(gòu)的無線喚醒接收機(jī)的架構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例基于比特采樣的對數(shù)功率檢測器架構(gòu)的無線喚醒接收機(jī)的工作原理。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于比特采樣的對數(shù)功率檢測器架構(gòu)的無線喚醒接收機(jī)，包括一個(gè)功耗極低的喚醒無線接收機(jī)和一個(gè)接收數(shù)據(jù)的主無線接收機(jī)；在一般狀態(tài)下，接收節(jié)點(diǎn)的主無線接收機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，而喚醒無線接收機(jī)處于打開狀態(tài)；當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先發(fā)送請求包給喚醒接收機(jī)；喚醒接收機(jī)收到該請求包，喚醒節(jié)點(diǎn)的微處理器，然后由微處理器開啟主無線收發(fā)器與發(fā)送節(jié)點(diǎn)通信。采用功率檢測器架構(gòu)，如圖2所示，該架構(gòu)相比調(diào)諧式射頻接收機(jī)架構(gòu)，在功耗相同的情況下具有更低的接收靈敏度。與超外差架構(gòu)的接收機(jī)相比，由于沒有高頻振蕩器，因而具有較快的上電響應(yīng)速度，因而更加適合比特采樣技術(shù)的應(yīng)用；采用軟件定義傳輸速率或占空比，采用微處理器io控制喚醒接收前端電路的開關(guān)，采用ad讀取調(diào)制后的輸入信號(hào)；這種方式可以使信號(hào)的傳輸速率和對信號(hào)比特采樣的占空比完全由軟件決定。相比與現(xiàn)有的硬件定義傳輸速率的方式，該種方式可以方便用戶按照其應(yīng)用需求，通過改變傳輸速率來改變其功率。

本具體實(shí)施經(jīng)過測試該產(chǎn)品原型在10bps到1kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率下的功耗為2.3μw到85.6μw，而接收器的靈敏度在誤喚醒概率低于1％的情況下能達(dá)到-77dbm。該喚醒接收機(jī)可以較好地滿足喚醒接收機(jī)的功能。

一種常用的無線喚醒接收器架構(gòu)是調(diào)諧射頻接收機(jī)，這也是迄今為止最簡單的架構(gòu)，僅僅由一個(gè)帶通濾波器，低噪放大器和一個(gè)包絡(luò)檢波器構(gòu)成。這種調(diào)諧射頻接收機(jī)能適應(yīng)快速比特采樣技術(shù)，但是接收靈敏度過高。為了在保證相同功耗的基礎(chǔ)上提高其靈敏度，我們提出了采用對數(shù)檢測框架的喚醒接收機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1。

不同于調(diào)諧射頻接收器是我們提出的接收機(jī)將每個(gè)階段的檢測器的輸出疊加，這種結(jié)構(gòu)在相同放大增益下能提供調(diào)諧射頻接受機(jī)更好的靈敏度。我們可以從算數(shù)上證明對數(shù)檢測器的噪聲因子小于調(diào)諧射頻接收器，而噪聲因子和接收器的最小信噪比是影響靈敏度的主要原因。假設(shè)調(diào)諧射頻和對數(shù)檢測有相同的最小信噪比解調(diào)，我們可以知道對數(shù)檢測框架的靈敏度低于相同增益下的調(diào)諧射頻結(jié)構(gòu)。同時(shí)，兩種框架結(jié)構(gòu)的能耗是相同的。

我們提出的采用對數(shù)檢測框架比特采樣喚醒接收機(jī)的組合如圖2。

ook(onoffkey)的調(diào)射頻信號(hào)為比特采樣喚醒接收機(jī)的輸入。在每個(gè)比特持續(xù)時(shí)間(如1ms)，微控制器通過io端打開接收機(jī)前端電路一段時(shí)間(如10μs)，并在這段時(shí)間內(nèi)對功率檢測器的輸出電平進(jìn)行采樣，而在剩余的時(shí)間(如990μs)通過io將接收機(jī)前端電路關(guān)閉。最后所采樣值來判斷傳輸?shù)谋忍貫?還是為0。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。