专利名称：物联网与短距离无线互联无线节点的超低功耗唤醒接收机的制作方法
技术领域：
本发明涉及物联网无线通信的低功耗技术领域，特别是涉及一种用于物联网与短距离无线互联无线节点的超低功耗唤醒接收机。
背景技术：
物联网技术在可以预见的将来将广泛应用于经济生活以及国家安全的方方面面，并越来越深入地影响到经济发展(比如在金融，物流，商业等方面)以及社会生活和国家安全(比如灾害监控，预警等)。相对于方便的无线互连技术，节点电路和整个系统的功耗问题将越来越明显地成为其广泛适用的制约。对大量散布的物联网节点而言，采用电源线供电显然是不现实的也不恰当的解决方案。而采用电池供电，频繁更换电池对系统的长期稳定工作带来很大不便，在成本和代价上也是非常巨大甚至难以承受的。在一些特定应用场合，比如人体植入节点，频繁更换电池不但给监护对象造成极大痛苦，也给实际应用带来极大困难。在同样采用电池供电的移动设备中，低功耗高能量效率技术是提高系统性能的技 术之一，而在物联网技术中，极低功耗高能量效率技术将是决定物联网实用性的关键核心技术。可以预见，节点电路的功耗和能量效率将是制约物联网广泛实际应用的关键因素。功耗问题和能量效率是依赖无线互连技术的大量散布节点物联网技术广泛应用的瓶颈。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种物联网与短距离无线互联无线节点的超低功耗唤醒接收机，对无线网络节点进行控制，使其符合网络调度。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种物联网无线节点与短距离无线互联的超低功耗唤醒接收机，包括级联的射频信号匹配网络、前端放大器、包络检波器、限幅放大器、第一比较器、积分器、第二比较器和边沿触发器；所述射频信号匹配网络用于实现前端放大器和天线之间的阻抗匹配；所述前端放大器用于放大信号；所述包络检波器用于检测出信号的幅度包络，并将信号转变成差分脉冲信号；所述限幅放大器用于放大差分脉冲信号；所述第一比较器用于将输入的差分脉冲信号转变为单端脉冲信号；所述积分器用于对单端脉冲信号进行积分；所述第二比较器用于将积分后的电压信号与参考电压信号进行比较；所述边沿触发器根据第二比较器的比较结果唤醒节点芯片进入工作模式。在规定的唤醒时间内积分信号电压幅度大于第二比较器的参考电压时，第二比较器向边沿触发器发出信号，唤醒无线收发机进入工作状态。所述射频信号匹配网络采用LC匹配电路实现。所述边沿触发器为上升沿触发器，将输出的高电平信号存储。所述积分器和边沿触发器为无源电路结构。所述前端放大器的功耗为55uW。所述包络检波器的功耗为16uW。所述限幅放大器的功耗为8. 6uW。
所述第一比较器和第二比较器的功耗均小于3. 6uW。所述超低功耗唤醒接收机调制方式采用OOK调制，载波频率为780MHz。有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果本发明采用简单、实用的以包络检波结构为核心的唤醒接收电路，在采用低功耗设计情况下，能够极大的减少功耗；采用了无源积分器(Integrator)和边沿触发器(Trigger)降低误触发概率；在适当的设计条件下，唤醒接收机电路的接受灵敏度达到_70dBm、功耗IOOuff以下。
图1是具有无线唤醒功能的物联网无线节点示意图；图2是本发明提出的超低功耗无线唤醒接收机系统架构图；图3是本发明的PCB电路连接原理图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进ー步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。具有无线唤醒功能的物联网、短距离无线互联及信息传输无线节点示意图如图1所示。唤醒接收机一直处于监控状态，节点主芯片的接收链路和发射链路都处于休眠状态。当对指定无线节点有通信需求的时候，对其发送ー个通信需求指令，唤醒接收机探测接收到该信号，通过数据处理产生一个唤醒信号，用于唤醒主芯片，使其进入工作模式(接收或发送)，和其他节点进行通信。通信结束后由于唤醒信号的中断，主芯片重新回到休眠模式，唤醒接收机继续处于监控状态，等待下一次通信需求。本发明提出的可用干物联网、短距离无线互联及信息传输无线节点的超低功耗唤醒接收机系统架构如图2所示，包括级联的射频信号匹配网络、前端放大器、包络检波器、限幅放大器、第一比较器、积分器、第二比较器和边沿触发器；所述射频信号匹配网络用于实现前端放大器和天线之间的阻抗匹配；所述前端放大器用于放大信号；所述包络检波器用于检测出信号的幅度包络，并将信号转变成差分脉冲信号；所述限幅放大器用于放大差分脉冲信号；所述第一比较器用于将输入的差分脉冲信号转变为单端脉冲信号；所述积分器用于对单端脉冲信号进行积分；所述第二比较器用于将积分后的电压信号与參考电压信号进行比较；所述边沿触发器根据第二比较器的比较结果唤醒节点芯片进入工作模式。图
3是本发明的PCB电路连接图。本发明使得节点平台大大降低节点电路的功耗,大大延长节点电路的工作时间，从而大大降低节点电路电源更新的成本。大大提高物联网的技术优势和应用范围，降低物联网的使用成本。从整个无线互连技术的发展看，低功耗电路将越来越占据重要地位，因此以低功耗、高集成度为特点的节点平台将在物联网的无线节点电路应用中占据越来应用的地位。低功耗无线唤醒技术就是基于提高能量效率的ー种管理策略和实现技木。
该接收机以实现低功耗、高能效为前提，对无线网络节点进行控制，使其符合网络调度。各电路模块说明如下射频匹配网络(Matching)完成对前端放大器(FEA)和天线之间的阻抗匹配。前端放大器(FEA)为超低功耗，高电压增益设计，用于提高接收灵敏度。包络检波器(ED)用于探测信号的电压幅度包络，实现下变频，使得变频后频率等于OOK信号数据率，同时也为超低功耗设计。限幅放大器为超低功耗设计，用于放大检波器输出的差分信号，使其能驱动后边的第一比较器(Comparatorl)。第一比较器(Comparatorl)作为一个脉冲放大器将限幅放大器输出的差分信号放大并转变成单端信号，同时也为超低功耗设计。·积分器(Integrator)可设计为无源结构，对第一比较器的输出信号进行积分。第二比较器(Comparator2)为超低功耗、高精度设计,利用前边积分信号和参考电压信号的比较决定是否产生唤醒信号。边沿触发器(Trigger)为上升沿有效，用于将前边比较器输出的唤醒信号保持，使其有足够的时间激活主芯片。本发明中唤醒接收机一直处于监控状态，其本身消耗的能量必须非常的低(远远低于节点芯片收发链路的功耗)，才能满足超低功耗设计的要求。唤醒接收机调制方式采用OOK调制，载波频率为780MHz，数据率小于500kbps。利用检波结构接收机对网络节点进行控制，使其工作状态符合网络调度。当节点不需要通信的时候处于休眠状态，需要通信的时候将其唤醒，从而大大延长了节点电池使用寿命，提高了能量利用率。当射频信号通过匹配网络后进入高电压增益的超低功耗前端放大器(FEA)，信号得到放大；低功耗高灵敏度的包络检波器(ED)检测出信号的幅度包络，并转变成差分信号，实现下变频(变频后信号变成频率等于数据率的脉冲信号)；限幅放大器(Limiter)将脉冲信号放大后，使其能很好的驱动后边的比较器电路；第一比较器(Comparatorl)在链路中作为一个脉冲放大器，将差分输入信号变成OV到1. 2V的单端脉冲信号，进入积分器(Integrator);积分信号随时间慢慢变大最后趋于饱和，当在规定的唤醒时间 500us)内积分信号电压幅度大于第二比较器(Comparator2)的参考电压时,第二比较器(Comparator2)输出高电平(变化过程产生一个上升沿)；再利用上升沿有效的边沿触发器(Trigger)，将输出的高电平信号存储，用于唤醒节点芯片进入工作模式。本设计中，供电电源电压为1.2V;前端放大器(FEA)功耗为55uW，电压增益大于30dB ;包络检波器(ED)和限幅放大器(Limiter)功耗分别为16uW和8. 6uff ；比较器(Comparator1、Comparator〗)功耗均小于3. 6uff ;积分器(Integrator)和边沿触发器(Trigger)为无源电路结构，不消耗能量；所有模块的偏置电路总功耗小于12uW。测试结果显示该唤醒接收机本身功耗<100uW，信噪比为12dB时，灵敏度_70dBm，能正确的实现超低功耗的无线唤醒功能。
权利要求
1.一种物联网与短距离无线互联无线节点的超低功耗唤醒接收机，其特征在于，包括级联的射频信号匹配网络、前端放大器、包络检波器、限幅放大器、第一比较器、积分器、第二比较器和边沿触发器；所述射频信号匹配网络用于实现前端放大器和天线之间的阻抗匹配；所述前端放大器用于放大信号；所述包络检波器用于检测出信号的幅度包络，并将信号转变成差分脉冲信号；所述限幅放大器用于放大差分脉冲信号；所述第一比较器用于将输入的差分脉冲信号转变为单端脉冲信号；所述积分器用于对单端脉冲信号进行积分；所述第二比较器用于将积分后的电压信号与参考电压信号进行比较；所述边沿触发器根据第二比较器的比较结果唤醒节点芯片进入工作模式。
2.根据权利要求1所述的物联网与短距离无线互联无线节点的超低功耗唤醒接收机，其特征在于，在规定的唤醒时间内积分信号电压幅度大于第二比较器的参考电压时，第二比较器向边沿触发器发出信号，唤醒无线收发机进入工作状态。
3.根据权利要求1所述的物联网与短距离无线互联无线节点的超低功耗唤醒接收机，其特征在于，所述射频信号匹配网络采用LC匹配电路实现。
4.根据权利要求1所述的物联网与短距离无线互联无线节点的超低功耗唤醒接收机，其特征在于，所述边沿触发器为上升沿触发器，将检测第二比较器的输出前沿，并将输出的高电平信号存储。
5.根据权利要求1所述的物联网与短距离无线互联无线节点的超低功耗唤醒接收机，其特征在于，所述积分器和边沿触发器为无源电路结构。
6.根据权利要求1所述的物联网与短距离无线互联无线节点的超低功耗唤醒接收机，其特征在于，所述前端放大器的功耗为55uW。
7.根据权利要求1所述的物联网与短距离无线互联无线节点的超低功耗唤醒接收机，其特征在于，所述包络检波器的功耗为16uW。
8.根据权利要求1所述的物联网与短距离无线互联无线节点的超低功耗唤醒接收机，其特征在于，所述限幅放大器的功耗为8. 6uW。
9.根据权利要求1所述的物联网与短距离无线互联无线节点的超低功耗唤醒接收机，其特征在于，所述第一比较器和第二比较器的功耗均小于3. 6uW。
10.根据权利要求1所述的物联网与短距离无线互联无线节点的超低功耗唤醒接收机，其特征在于，所述超低功耗唤醒接收机调制方式采用OOK调制，载波频率为780MHz。
全文摘要
本发明涉及一种物联网与短距离无线互联无线节点的超低功耗唤醒接收机，包括射频信号匹配网络用于实现前端放大器和天线之间的阻抗匹配；前端放大器用于放大信号；包络检波器用于检测出信号的幅度包络，并将信号转变成差分脉冲信号；限幅放大器用于放大差分脉冲信号；第一比较器用于将输入的差分脉冲信号转变为单端脉冲信号；积分器用于对单端脉冲信号进行积分；第二比较器用于将积分后的电压信号与参考电压信号进行比较；边沿触发器根据第二比较器的比较结果唤醒节点芯片进入工作模式。本发明对无线网络节点进行外部远程控制使其符合网络调度，或用于控制短距离无线互联及信息传输节点的工作状态。
文档编号H04B1/16GK103023522SQ20121051744
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月5日 优先权日2012年12月5日
发明者田彤, 张科, 刘宏, 孟凡振 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所