CN102017435A - 使用占空比和断电技术的唤醒接收机和唤醒方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种对电波敏感的低功率唤醒接收机，通过该唤醒接收机使得无处不在传感器网络(USN)中的传感器节点的射频(RF)收发机所消耗的功率最小化。用于唤醒主收发机的唤醒接收机包括：占空比信号生成单元，用于控制占空比信号的占空比；突发信号检测单元，用于基于占空比信号来接收包括突发信号和数据信号的输入信号，对输入信号进行放大，并且如果所放大的输入信号是突发信号，则输出控制信号；以及数据信号检测单元，用于基于控制信号对所放大的输入信号进行再放大，并且如果再放大的输入信号是数据信号，则输出唤醒信号。基于控制信号来中断向占空比信号生成单元供应的功率，并且基于唤醒信号来向占空比信号生成单元重新供应功率。

Description

使用占空比和断电技术的唤醒接收机和唤醒方法
技术领域
本发明一般涉及无线接收唤醒(wake-up)***，并且更具体地，涉及用于使得由无处不在传感器网络(USN：ubiquitous sensor network)中的传感器节点的射频(RF)收发机所消耗的功率最小化的唤醒接收机和唤醒方法。
本发明源自由韩国信息通信部(MIC)和信息技术(IT)推进学院(IITA)的信息技术研发(R&D)计划所部分支持的研究项目[2005-S-106-03，Development of Sensor Tag and Sensor Node Technologies for RFID/USN]。
本申请要求2007年12月18日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2007-0133740的权益，其公开通过参考而全部合并于此。
背景技术
随着无线通信变得被更广泛地使用，已经在各个领域部署了集成有线和无线技术的网络。相应地，已经提出了对用于高速度、低成本、和低功率无线通信的技术标准的需求。
为此，已经引入了各种唤醒接收机，其通过在大多数情况下关断主收发机以及仅仅当它执行通信时才接通主收发机，来减少功耗和延长电池寿命。
图1和图2是传统的唤醒接收机的电路图。
参考图1，传统的唤醒接收机包括薄膜体声波谐振器(FBAR：film bulk acoustic resonator)放大器100、包络检测器110、可编程增益放大器(PGA)120、模数转换器(ADC)130、和带隙参考(BGR)装置(140)。图1中图示的传统的唤醒接收机通过利用FBAR放大器100执行高阻抗转换和利用低噪声放大器(LNA)(未示出)执行RF信号的放大，来将射频(RF)信号传递到包络检测器110，以便获得高接收灵敏度。然而，图1的传统的唤醒接收机由于使用放大器而消耗很多功率，并且在远程地点提供低接收灵敏度。此外，由于使用专门元件，即FBAR放大器100，所以传统的唤醒接收机难以实现为片上***(system-on-a-chip)。
参考图2，传统的唤醒接收机被构建为2级。这两级中的第一级包括检测器200、比较器210和定时器220，并且剩下的第二级包括LNA 230、检测器240、和地址解码器250。在图2的传统的唤醒接收机的操作中，当感测到从传送方传递的强突发信号时，传统的唤醒接收机依次操作第一级中的检测器200、比较器210和定时器220以便向第二级供电，并且将第二级切换到数据信号接收模式，其中经由LNA 230来接收所述信号。一旦第一级将第二级切换到用于数据接收的模式，则第二级接收数据。尽管因为由检测器200、比较器210和定时器220组成的第一级没有使用放大器、所以图2中图示的唤醒接收机消耗少量功率，但是它对于强突发信号具有低接收灵敏度，并且由于使用2个或更多检测器而增加了芯片面积。此外，第一级中的检测器200是包括多级零偏置肖特基二极管的专门元件，并因此难以通过使用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺进行集成。
发明内容
技术问题
技术方案
本发明提供了一种唤醒接收机，其消耗低功率、在远程距离处提供高接收灵敏度、并不使用专门组件而基于互补金属氧化物半导体(CMOS)实现为片上***，本发明还提供了一种在CMOS片上***上实现唤醒接收机的方法。
有益效果
根据本发明的唤醒接收机可实现为基于CMOS的片上***，因为没有使用诸如FBAR放大器或零偏置肖特基二极管的专门元件。
此外，根据本发明的唤醒接收机借助于由占空比信号生成单元生成的占空比信号而通常工作在突发信号检测模式和数据信号检测模式之中的突发信号检测模式中，并且当感测到具有等于或大于预定电平的功率的突发信号时、借助于从切换单元输出的控制信号而将它的模式改变到数据信号检测模式。在所述数据信号检测模式中，唤醒接收机借助于唤醒处理单元来检测有效的唤醒信号。所述唤醒接收机具有其中根据级来改变操作模式的结构，使得唤醒接收机可在唤醒处理单元检测到唤醒信号之后将它的操作模式从数据信号检测模式切换到突发信号检测模式、或者通过使用切换单元的内部定时器来将它的操作模式从从数据信号检测模式切换到突发信号检测模式，从而显著地减少平均功耗。
此外，取决于由占空比信号生成单元所生成的占空比信号，仅仅在占空比信号的预定周期中包括的预定时间段期间执行突发信号检测模式，并且在预定周期的剩余时间段期间中断供电，从而减少用于突发信号的接收的时间。这导致实现低功率唤醒接收机。
另外，突发信号检测单元和数据信号检测单元共享放大单元、包络检测单元、和解调单元，从而减少用于实现唤醒接收机的电路面积。另外，唤醒接收机通过在突发信号检测模式中使用放大器而可以在远程距离处具有高接收灵敏度。
附图说明
通过参考附图来详细描述本发明的实施例，本发明的以上和其它特征和优点将变得更明显，在附图中：
图1和2是传统的唤醒接收机的电路图；
图3图示了根据本发明示范实施例的唤醒接收机的占空比信号和输入信号的时序图；
图4是图3中图示的根据本发明示范实施例的唤醒接收机的电路图；
图5是图示了根据本发明示范实施例的用于唤醒主收发机的方法的流程图；
图6A是当图4中图示的唤醒接收机操作在突发信号检测模式中时、唤醒接收机的电路图；以及
图6B是当图4中图示的唤醒接收机操作在数据信号检测模式中时、唤醒接收机的电路图。
具体实施方式
最佳模式
根据本发明的一方面，提供了一种用于唤醒主收发机的唤醒接收机，该唤醒接收机包括：占空比信号生成单元，用于控制占空比信号的占空比；突发信号检测单元，用于基于占空比信号来接收包括突发信号和数据信号的输入信号，对输入信号进行放大，并且如果所放大的输入信号是突发信号，则输出控制信号；以及数据信号检测单元，用于基于控制信号对所放大的输入信号进行再放大，并且如果再放大的输入信号是数据信号，则输出唤醒信号，其中，基于控制信号来中断向占空比信号生成单元供应的功率，并且基于唤醒信号来向占空比信号生成单元重新供应功率。
所述突发信号检测单元和所述数据信号检测单元可共享检测输入信号的包络以便恢复数字信号的解调单元；以及所述突发信号或数据信号可基于解调单元的输出来确定。
所述突发信号检测单元可包括用于对输入信号进行放大的第一放大单元，以及所述数据信号检测单元可包括用于对所放大的输入信号进行再放大的第二放大单元。
如果激活占空比信号，则可接收输入信号中的突发信号。
可仅仅在预置周期内的时间段期间激活所述占空比信号。
如果激活控制信号，则可接收输入信号中的数据信号。
如果在输出唤醒信号之后过去了预置时间段，则可停用控制信号并且可向占空比信号生成单元重新供应功率。
根据本发明的另一方面，提供了一种唤醒主收发机的方法，所述方法包括：生成占空比信号并控制占空比信号的占空比；基于占空比信号来接收包括突发信号和数据信号的输入信号，对输入信号进行放大，并且如果所放大的输入信号是突发信号，则输出控制信号；以及基于控制信号对所放大的输入信号进行再放大，并且如果再放大的输入信号是数据信号，则输出唤醒信号，其中，所述占空比信号的生成基于控制信号来中断，并且基于唤醒信号来执行。
所述输出控制信号的步骤和输出唤醒信号的步骤可通过共享通过检测输入信号的包络并恢复数字信号来对输入信号进行解调的步骤，以及所述突发信号或数据信号可基于解调步骤的输出来确定。
所述输出控制信号的步骤包括对输入信号进行放大，以及所述输出唤醒信号的步骤可包括对所放大的输入信号进行再放大。
如果激活占空比信号，则可接收输入信号中的突发信号。
可仅仅在预置周期内的时间段期间激活所述占空比信号。
如果激活控制信号，则可接收输入信号中的数据信号。
如果在输出唤醒信号之后过去了预置时间段，则可停用控制信号，并且可重新执行占空比信号的生成。
发明模式
为了全面理解本发明，在接下来的描述中陈述诸如具体电路、具体元件、和技术之类的特定细节。接下来的描述和图不能被理解为限制本发明，并且描述很多的特定细节以提供本发明的透彻理解。然而，在某些实例中，不描述公知的或传统的细节，以便没有不必要地使本发明模糊。
下文中，将通过参考附图说明本发明的优选实施例来详细描述本发明。图中的相同附图标记指的是相同元件。
这里，可交换的术语“接通(turn on)”、“激活”、和“使能”意指供应功率使得操作开始，而可交换的术语“断开(turn off)”、“停用”、和“禁能”意指中断功率使得操作停止。
图3是示出了根据本发明示范实施例的唤醒接收机(见图4)的占空比信号和输入信号之间的关系的时序图。所述关系基于应用如下技术的结果，其中唤醒接收机仅仅在存在于突发信号的单个周期内的至少一个预定时间段期间向第一放大单元402、包络检测单元404、和解调单元405(参见图4)供应功率，并且在所述突发信号的单个周期的剩余时间段期间中断对第一放大单元402、包络检测单元404、和解调单元405供应功率。唤醒接收机检测输入信号是否包括用于确定是否唤醒主收发机的数据(即，唤醒确定数据)。根据由占空比信号生成单元400(见图4)所生成的占空比信号来执行功率的供应和中断。将参考图4来更详细地描述唤醒接收机的这些组件。尽管按照周期重复图3图示的时序图，但是为了便于说明而在图3中仅图示了一个周期。参考图3，通常为1ms但是可改变的T指明了突发信号的周期。由占空比信号生成单元400生成的占空比信号以与T相同的时间间隔来重复，但是它的有效时间段是t1，该t1小于T并且可改变。这样，可以仅仅在有效时间段t1期间接收突发信号，从而将电流消耗减少t1/T倍。
图4是根据本发明示范实施例的唤醒接收机的电路图。
参考图4，唤醒接收机包括突发信号检测单元410和数据信号检测单元430。突发信号检测单元410包括第一放大单元402、包络检测单元404、解调单元405和切换单元420。数据信号检测单元430与突发信号检测单元410共享第一放大单元402、包络检测单元404、和解调单元405，并包括第二放大单元403、和唤醒处理单元406。假设典型地断开数据信号检测单元430直到通过从切换单元420输出的控制信号来接通它，并且响应于由占空比信号生成单元400所生成的占空比信号，而仅仅在周期T内的有效时间段t1期间向第一放大单元402、包络检测单元404和解调单元405供应功率，以便接收突发信号，并且在周期T的剩余时间段期间中断到第一放大单元402、包络检测单元404和解调单元405的功率。
在由唤醒接收机接收之前已经使用开/关键控(OOK)调制了唤醒接收机经由天线(未示出)接收的射频(RF)信号。如上所述，RF信号包含载波频率。由于突发信号和数据信号二者在通过包络检测单元404之前包含载波频率，所以只要它们还没有通过包络检测单元404就将它们称为RF信号。这里，突发信号是其中传送方在传送数据之前、以大约1ms的周期和强功率进行传送、以便向接收方通知要传送数据的典型突发信号。所述突发信号指的是这样的信号，其中高功率载波信号的传送突然开始而没有信号出现并持续1ms或更长。
在无线通信***中典型地使用OOK调制方案，以便仅传递信息“1”或“0”。在码分多址(CDMA)2000IX***的快速寻呼信道(QPCH)中，作为代表性OOK调制方案，用于以时隙为单位向终端通知在寻呼时隙中是否包括寻呼信息的1比特寻呼指示符被OOK调制，并然后被传送。这样的QPCH用于通过防止不必要的寻呼信道解调来减少终端的功耗。通常，尽管OOK调制方案在功率效率方面并不优于二进制相移键控(BPSK)调制方案，但是OOK调制方案在***容量方面有益，因为传送“通(ON)”的概率远远低于传送“断(OFF)”的概率、并且可以减少由于其它用户导致的干扰。此外，OOK调制方案可以减少由于其它用户导致的干扰。由于这些原因，使用OOK调制方案来形成本发明的最佳实施例。
当第一放大单元402、包络检测单元404和解调单元405仅仅在处于周期T内的有效时间段t1期间、通过由占空比信号生成单元400生成的占空比信号来接通时，第一放大单元402对唤醒接收机经由天线接收的强突发信号进行低噪声放大。包络检测单元404检测由第一放大单元402放大的突发信号作为包络，并且通过解调单元405来比较由包络检测单元404检测的包络和参考电压。如果所述包络大于参考电压，则恢复原始数字信号“1”。如果包络小于参考电压，则恢复原始数字信号“0”。
通过检测由解调单元405恢复的从“0”上升到“1”的数字信号，即通过数字信号的上升沿，来感测有效突发信号的接收。这里，有效的突发信号意指除了经由天线接收的RF信号的分量之中的噪声之外的分量。所感测的突发信号激活切换单元420，并因此切换单元420在比接收数据的数据接收时间段大的预定时间段t2期间生成控制信号。这里，数据接收时间段与唤醒处理单元406在其期间生成唤醒信号的时间段具有基本上相同的含义。通常，切换单元420可包括定时器。从切换单元420输出的控制信号禁能占空比信号生成单元400，并向数据信号检测单元430供应功率(直到切换单元420断开为止)。
下文中，将更详细地描述其中从切换单元420输出的控制信号向数据信号检测单元430供应功率以便接通数据信号检测单元430的处理。通过从切换单元420输出的控制信号来断开占空比信号生成单元400。然后，从切换单元420输出的控制信号而不是由占空比信号生成单元400生成的占空比信号闭合开关SW1，从而向第一放大单元402、包络检测单元404和解调单元405供应功率。同时，从切换单元420输出的控制信号还闭合连接到第二放大单元403和唤醒处理单元406的开关SW2和SW3，从而向第二放大单元403和唤醒处理单元406供应功率VDD。从第一放大单元402连接到包络检测单元404的开关SW4打开，以便第二放大单元403接收数据，从而在时间段t2期间接通包括第一放大单元402、第二放大单元403、包络检测单元404和解调单元405的数据信号检测单元430。
按照这种方式，通过从切换单元420输出的控制信号来操作数据信号检测单元430。这样，经由天线接收的数据信号被第一放大单元402和第二放大单元403放大，并且包络检测单元404检测所放大的信号作为包络。解调单元405将所检测的包络与参考电压进行比较，并且作为比较结果，如果所检测的包络大于参考电压，则将原始数字信号恢复为“1”，而如果所检测的包络小于参考电压，则将原始数字信号恢复为“0”。
唤醒处理单元406通过确定所恢复的数字信号是否与预定的唯一唤醒标识(ID)匹配来确定所接收的已恢复数字数据信号是否是噪声，从而输出唤醒信号。
当输出唤醒信号时，切换单元420的时间段t2(其大于其间生成唤醒信号的时间段)期满，并因此切换单元420断开。当切换单元420断开时，断开已经通过从切换单元420输出的控制信号而接通的数据信号检测单元430。同时，使能占空比信号生成单元400，以便控制开关SW1，开关SW1已经由从切换单元420输出的控制信号控制。这样，向通过使用由占空比信号生成单元400生成的占空比信号而在周期T内的时间段t1期间激活的第一放大单元402、包络检测单元404和解调单元405供应功率，并因此第一放大单元402、包络检测单元404和解调单元405可再次接收突发信号。
图5是图示了如上面参考图4描述的唤醒方法的流程图。
参考图5，在操作500中，唤醒接收机仅仅在如图3中图示的周期T中包括的有效时间段t1期间经由天线接收突发信号。
在操作510中，对所接收的突发信号进行放大，并且从所放大的突发信号检测包络，并将该包络与参考电压进行比较。作为比较结果，如果所检测的包络大于参考电压，则将原始数字信号恢复为“1”，而如果所检测的包络小于参考电压，则将原始数字信号恢复为“0”。在操作510中，通过检测从“0”上升到“1”的所重构的原始信号来感测有效突发信号的接收。
在操作520中，一旦感测到突发信号，唤醒数据就经由天线来接收并被放大，并且从所放大的数据中检测包络，并将包络与参考电压进行比较。作为比较结果，如果所检测的包络大于参考电压，则将原始数字信号重构为“1”，而如果所检测的包络小于参考电压，则将原始数字信号重构为“0”。在操作520中，确定所重构的原始数字信号是否与预定的唯一唤醒ID匹配，从而生成唤醒信号。
在操作530中，在时间段t2期满之后，所述方法返回到操作500。
图6A是操作在突发信号检测模式中的图4中图示的唤醒接收机的电路图，而图6B是操作在数据信号检测模式中的图4中图示的唤醒接收机的电路图。在图6A和图6B中，相同的附图标记指的是相同的元件。
现在将参考图6A描述处于突发信号检测模式中的图4的唤醒接收机的操作。参考图6A，当仅仅在周期T内的时间段t1期间、通过由占空比信号生成单元400所生成的占空比信号来接通第一放大单元402、包络检测单元404和解调单元405时，第一放大单元402对经由天线(未示出)接收并输入到唤醒接收机的强突发信号进行低噪声放大。包络检测单元404检测由第一放大单元402放大的突发信号作为包络，并且解调单元405将包络检测单元404所检测的包络与参考电压进行比较。如果所述包络大于参考电压，则将原始数字信号重构为“1”。如果所述包络小于参考电压，则将原始数字信号重构为“0”。通过检测由解调单元405重构的从“0”上升到“1”的数字信号，即通过数字信号的上升沿，来感测有效突发信号的接收。所感测的突发信号激活切换单元420，并因此切换单元420在时间段t2期间生成控制信号。换言之，切换单元420使能数据信号检测模式信号。
现在将参考图6B描述处于数据信号检测模式中的图4的唤醒接收机的操作。参考图6B，如上所述，通过从切换单元420输出的控制信号来操作数据信号检测单元430。这样，经由天线接收的数据信号被第一放大单元402和第二放大单元403放大，并且所放大的数据信号被检测作为包络。解调单元405将包络检测单元404所检测的包络与参考电压进行比较。如果所述包络大于参考电压，则将原始数字信号重构为“1”。如果所述包络小于参考电压，则将原始数字信号重构为“0”。唤醒处理单元406确定所重构的数字信号是否与预定的唯一唤醒ID匹配，从而输出唤醒信号。
本发明可实施为计算机可读记录介质上的计算机可读代码。所述计算机可读记录介质是可存储其后可由计算机***读取的数据的任何数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘、光学数据存储装置、和载波。计算机可读记录介质还可分布在耦接计算机***的网络上，从而以分散的方式来存储和执行计算机可读代码。此外，本领域的普通程序员还可以容易地构思用于实现本发明的功能程序、代码和代码段。
尽管已经参考本发明的实施例而具体示出和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种改变，而不脱离由接下来的权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (14)

1.一种用于唤醒主收发机的唤醒接收机，该唤醒接收机包括：
占空比信号生成单元，用于控制占空比信号的占空比；
突发信号检测单元，用于基于占空比信号来接收包括突发信号和数据信号的输入信号，对输入信号进行放大，并且，如果所放大的输入信号是突发信号，则输出控制信号；以及
数据信号检测单元，用于基于控制信号对所放大的输入信号进行再放大，并且，如果再放大的输入信号是数据信号，则输出唤醒信号，
其中，基于该控制信号来中断向该占空比信号生成单元供应的功率，并且基于唤醒信号来向该占空比信号生成单元重新供应功率。
2.根据权利要求1的唤醒接收机，其中所述突发信号检测单元和所述数据信号检测单元共享检测输入信号的包络以便恢复数字信号的解调单元；以及
其中所述突发信号或数据信号是基于该解调单元的输出来确定的。
3.根据权利要求1的唤醒接收机，其中所述突发信号检测单元包括用于对输入信号进行放大的第一放大单元，以及
其中所述数据信号检测单元包括用于对所放大的输入信号进行再放大的第二放大单元。
4.根据权利要求1的唤醒接收机，其中，如果激活该占空比信号，则接收输入信号中的突发信号。
5.根据权利要求4的唤醒接收机，其中仅仅在预置周期内的时间段期间激活所述占空比信号。
6.根据权利要求1的唤醒接收机，其中，如果激活该控制信号，则接收输入信号中的数据信号。
7.根据权利要求1的唤醒接收机，其中，如果在输出唤醒信号之后过去预置时间段，则停用控制信号并且将功率重新供应到该占空比信号生成单元。
8.一种唤醒主收发机的方法，所述方法包括：
生成占空比信号并控制占空比信号的占空比；
基于该占空比信号来接收包括突发信号和数据信号的输入信号，对该输入信号进行放大，并且如果所放大的输入信号是突发信号，则输出控制信号；以及
基于该控制信号对所放大的输入信号进行再放大，并且如果再放大的输入信号是数据信号，则输出唤醒信号，
其中，所述占空比信号的生成基于该控制信号来中断，并且基于该唤醒信号来执行。
9.根据权利要求8的方法，其中输出控制信号的步骤和输出唤醒信号的步骤共享通过检测输入信号的包络并恢复数字信号来对输入信号进行解调的步骤，以及
其中所述突发信号或数据信号是基于该解调步骤的输出来确定的。
10.根据权利要求8的方法，其中所述输出控制信号的步骤包括对输入信号进行放大，以及
其中所述输出唤醒信号的步骤包括对所放大的输入信号进行再放大。
11.根据权利要求8的方法，其中，如果激活该占空比信号，则接收该输入信号中的突发信号。
12.根据权利要求11的方法，其中仅仅在预置周期内的时间段期间激活所述占空比信号。
13.根据权利要求8的方法，其中，如果激活该控制信号，则接收该输入信号中的数据信号。
14.根据权利要求8的方法，其中，如果在输出唤醒信号之后过去了预置时间段，则停用控制信号，并且重新执行占空比信号的生成。
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