关键词:
唤醒接收机
低功耗
高灵敏度
物联网标签
射频前端
摘要:
物联网标签作为物联网的终端节点,在与超低功耗传感集成融合下,逐步发展成为新一代通信技术、大数据技术和智能化技术的重要组成部分。满足超低功耗下的远距离通信是物联网标签实现应用广度拓展所面临的重要难题,针对此问题,本文探索研究一种工作寿命在5年以上、实现百米通信距离的半有源唤醒接收机集成标签电路,针对传统的唤醒接收电路架构的不足进行改进优化,设计完成了一种灵敏度能够达到-52d Bm,理论通信距离能够达到600m,在0.5V电源电压下正常工作功耗仅为227n W的唤醒接收机电路。根据高灵敏度下射频前端能够检测出微弱射频信号的原理,本文采用了天线-整流器协同设计的方案,通过天线阻抗与多级级联的高Q值整流器阻抗达到共轭匹配,来获得更高的无源增益。最终,结合本文给出的高Q值天线设计方案,本文设计的射频前端能够检测出功率为-52d Bm,频率为922.5MHz的射频信号,并获得最高幅度为25m V的整流输出。本论文通过采用均值检测的技术方案,解决了输入信号在标签近场区发生的调制深度变浅的问题,设计了一种能够解调多种调制深度信号的解调电路。经仿真验证,本文设计的高灵敏度解调电路能够正确检测幅度为25m V的输入信号,整体功耗仅为170.6n W。针对接收机中如何对判决器输出的基带信号编码进行高可靠、低功耗检验的问题,本文采用了判断阈值可调的相关器逻辑作为基带逻辑,通过连续计算输入编码与内部编码之间的汉明距离来判断是否触发唤醒命令,并根据分析得到的编码长度、误唤醒率和灵敏度之间的关系选择了7位巴克码作为唤醒码编码,根据电源电压为0.5V的要求,通过反向提图的方式验证了低压数字基带的可行性。针对内部时钟和输入数据之间可能存在的相位误差,本文设计实现了一种时钟同步逻辑,该电路能够同步时钟上升沿和数据边沿,并能够提高采样系统对时钟频率误差的容忍度。本文所设计的基带逻辑和时钟同步逻辑在正常工作时功耗仅为13n W,从接收到唤醒信号到触发唤醒命令的唤醒延迟约为8ms。最后,本文针对唤醒接收系统在Cadence平台进行了整体仿真,通过观察关键节点信号波形,验证了系统功能的正确性,最终在TSMC 0.18μm CMOS工艺下进行了流片,集成天线后芯片面积约为1800mm。经过实际测试,唤醒接收电路实测灵敏度能够达到-47d Bm,平均功耗为305n W,与设计仿真结果基本保持一致。