KR20160060080A

KR20160060080A - 자동 간섭 방지 웨이크업 수신기

Info

Publication number: KR20160060080A
Application number: KR1020167009876A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 디 원츠로프; 오승현; 네이쓴 이 로버트
Original assignee: 더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 미시건
Priority date: 2013-09-20
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2016-05-27
Also published as: WO2015042362A1; JP2016536822A; KR102196172B1; US20150087255A1; US9413403B2

Abstract

저전력 라디오는 자동적 간섭 거절을 제공한다. 상기 라디오는 일반적으로 안테나, 정류기, 비교기 및 상관기를 포함한다. 상기 비교기는 상기 정류기로부터 입력 신호를 수신하고, 상기 입력 신호를 기준 신호에 비교하여, 디지털 신호를 출력한다. 상기 상관기는 차례로 상기 비교기로부터 디지털 신호를 수신하고, 디지털 신호를 웨이크업 코드와 상관하며, 상기 디지털 신호가 상기 웨이크업 코드와 높게 상관될 때, 높은 값을 갖는 웨이크업 신호를 출력한다. 상기 라디오는 상기 비교기의 민감도를 조절하는 자동 문턱 값 제어기를 더 포함한다. 중요하게, 상기 정류기, 비교기, 상관기 및 자동 문턱 값 컨트롤러들은 서브 문턱 값 영역에서만 동작하는 트랜지스터들을 구비한 회로들에 부분적으로 포함된다.

Description

자동 간섭 방지 웨이크업 수신기{WAKE-UP RECEIVER WITH AUTOMATIC INTERFERENCE REJECTION}

본 발명은 국립과학재단에서 수여한 보조금 번호 CNS1035303 하의 정부 지원을 받아 이뤄졌다. 정부는 본 발명에서의 일정 권리를 갖는다.

본 출원은 2014년 09월 19일자 미국 출원 제14/490,786호 및 2013년 09월 20일자 미국 가출원 제61/880,206호의 우선권을 주장한다. 상기 출원들의 전체 내용들은 본원에 병합된다.

본 개시(disclosure)는 저전력 무선에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자동 간섭 방지 웨이크업 수신기에 관한 것이다.

무선 센서들(Wireless sensors)은 대부분의 시간을 에너지를 보존을 위하여 그것들의 라디오들이 꺼진 초저전력 수면 상태로 보낸다. 이것은 센서들의 노드들(nodes)들에 동기화(synchronizing)하거나 원격 웨이킹업(remotely waking up)을 하는데 문제가 있다. 웨이크업 라디오들(WRX)은 실행 가능한 해결책이 있으나, 오직 그것들의 유효 전력(active power)이 노드(node)의 수면 전력(Sleep Power) 아래에 있는 경우에만 그렇고, 그렇지 않다면, 웨이크업 라디오(WRX) 전력은 노드(node)의 수명을 지배하고 좌우한다(dominates and dictates). nW 범위에서 보고된 디지털 수면 전력에서는 이것은 웨이크업 라이도 디자인에 상당한 어려움을 갖게 한다. 웨이크업 라디오(WRX)의 전력을 줄이기 위한 간단한 방법은 주목적이 수년간의 수명일 때, 짧은 범위의 통신에서 참을만한 민감도를 줄이는 것이다. 예를 들어, -40 데시벨 밀리와트(dBm)의 민감도 수신기라면, 400MHz에서 6 미터(m) 통신은 0 dBm 전송 전력만으로 가능하다. 이것은 의학과 인터넷 애플리케이션들의 넓은 범위에서 적합하다.

공개된 대부분의 웨이크업 라디오들(WRXs)은 낮은 전력을 유지하기 위해 에너지 탐지 아키텍쳐들(detection architectures)을 사용한다: 하지만, 적절한 주파수에서 어떤 신호는 웨이크업 라디오들의 잘못된 웨이크업을(false wake-up) 작동시킬 수 있고, 잘못된 웨이크업들은 노드(node) 상에 버려진 에너지의 상당한 양을 야기할 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해, 웨이크업 라디오(WRX)는 노드의(node's)의 메인 프로세서의 사용 없이 간섭으로부터 웨이크업 이벤트(wake-up event)를 다르게 하는 충분한 로컬 프로세싱(processing)을 가져야 한다. 이런 공개된 WRX는 크리스탈 레퍼런스(crystal reference), 간섭 보상(interference compensation) 및 모든 필요한 베이스밴드 프로세싱(baseband processing)을 완비한 116[nW] 웨이크업 수신기를 구비하는데, 선택가능한 31 비트 코드(selectable 31-bit code)는 웨이크업 신호를 토글(toggle) 하도록 요구되어 진다. 프론트-앤드(front-end)는 오프칩 밴드 선택 필터(off-chip band-select filter)와 매칭 네트워크(matching network)에 의해 조절되는 넓은 주파수 범위에서 동작하고, 403MHz MICS 밴드, 915MHz 및 2.4GHz ISM 밴드들에서 실행되어 집니다. 추가적으로 베이스밴드 프로세서(baseband processor)는 자동 문턱 피드백을 실행하여 간섭들의 존재를 감지하고, 수신기 민감도를 다이나믹(dynamically) 하게 변화시켜, 이전 에너지 검파 웨이크업 라디오들(energy-detection WRXs)에 고유한 통신 방해 문제(jamming problem)를 완화한다.

이 섹션은 종래 기술에 필수적이지 않은 본 개시와 관련된 배경 기술을 제공한다.

이 섹션은 본 개시의 일반적 요약을 제공하고, 본 개시의 특징들 모두 또는 전 범위의 포괄적인 내용은 아니다(is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).

저전력 라디오가 개시되어 있다. 라디오는 일반적으로 안테나, 정류기, 비교기 및 상관기를 포함한다. 정류기는 안테나를 통하여 RF 신호를 수신하고, 정류된 입력 신호를 발생한다. 상기 비교기는 차례로 상기 정류기로부터 입력 신호를 수신하고, 상기 입력 신호를 기준 신호와 비교하며, 디지털 신호를 출력한다. 상기 상관기는 상기 비교기로부터 디지털 신호를 수신하고, 디지털 신호를 웨이크업 코드와 상관시키며(correlates), 웨이크업 신호를 출력하고, 상기 웨이크업 신호는 상기 디지털 신호와 상기 웨이크업 코드 사이의 상관이 상관 문턱값을 초과할 때, 높은 값을 가지고, 상기 디지털 신호와 상기 웨이크업 코드 사이의 상관이 상관 문턱값 보다 작을 때, 낮은 값을 갖는다. 각각의 정류기, 비교기 및 상관기는 서브 문턱 값 영역에서만 동작하는 트랜지스터들을 포함하는 회로들에 부분적으로 포함된다.

일실시예에서, 상기 정류기는 추가적으로 딕슨 배율기 회로로 정의된다.

다른 실시예에서, 상기 상관기는 평행하게 동작하는 복수의 상관기들로 정의되고, 각 상관기는 입력 신호의 비트 슬라이스(bit slice)로부터 다른 시프트된 샘플들(different shifted samples)을 수신하고, 시프트된 샘플들을 웨이크업 코드와 비교한다.

상기 저전력 라디오는 상기 비교기로부터 상기 디지털 신호를 수신하고, 상기 수신기의 민감도 변화를 위해 기준 신호를 조절하도록 결합된 자동 문턱 값 제어회로를 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 자동 문턱 값 제어회로는 높은 값을 갖는 디지털 신호로부터 연속된 샘플들의 수가 제1 문턱 값을 초과할 때, 비교기의 민감도는 줄어들고, 낮은 값을 갖는 상기 디지털 신호로부터 연속된 샘플들의 수가 제2 문턱 값을 초과할 때, 비교기의 민감도는 증가한다. 이와 같이, 자동 문턱 값 제어회로는 서브 문턱값 영역에서만 동작하는 트랜지스터들을 구비하는 디지털 회로들에 의해 부분적으로 포함된다.

저전력 라디오는 또한 클럭 신호를 발생하는 오실레이터(osillator)를 포함하고, 상기 비교기, 상관기 및 자동 문턱 값 제어회로는 오실레이터에 의해 클럭된다(are clocked).

다른 실시예들에서, 상기 오실레이터는 크리스탈(crystal)과 오실레이터 회로(oscillator circuit)를 포함하고, 상기 오실레이터 회로는 크리스탈과 교차로 결합된 증폭기를 포함하며, 상기 증폭기는 최소 전력 소비로 크리스탈의 진동(oscillation )을 유지하기 위해 피드백 회로에 의해 바이어스(biased) 된다.

상기 저전력 라디오는 안테나와 정류기 사이에서 전기적으로 결합된 저전력 증폭기를 더 포함할 수 있다.

다른 실시예들에서, 상기 정류기, 상기 비교기 회로, 상기 상관기 회로, 상기 자동 문턱 값 제어회로 및 오실레이터 회로들은 집적회로(integrated circuit)로 구현된다.

추가적인 적용 가능성(further areas of applicability)은 본 명세서에 제공된 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 요약서의 상세하고 구체적인 예시들은 설명의 목적을 위한 것이며, 본 개시의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.

첨부된 도면들은 오로지 선택된 실시예들의 설명을 위한 것이고, 모든 가능한 실시예들을 위한 것이 아니며, 본 개시의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 웨이크업 라디오의 아키텍쳐를 도시한 블럭도이다.
도 2는 웨이크업 라디오에 사용되는 정류 회로의 일예를 나타낸 도면이다.
도 3a는 웨이크업 라디오에 사용되는 오실레이터 회로의 일예를 나타낸 도면이다.
도 3b는 50kHz 크리스탈에 대한 고유 값들(intrinsic values)을 나타내는 도면이다.
도 4는 웨이크업 라디오에 사용되는 비교기 및 자동 문턱 값 제어회로의 일예를 나타낸 도면이다.
도 5는 웨이크업 라디오에 사용되는 상관기 회로를 나타낸 도면이다.
도 6은 탐지를 위해 프로그램화되지 않은 코드들을 거절하는 라디오의 성능을 도시한 그래프이다.
도 7a는 정상 동작 동안 웨이크업 라디오의 일시적 응답을 도시한 그래프이다.
도 7b는 간섭이 존재하는 동안 웨이크업 라디오의 일시적 응답을 도시한 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 신호 강도 및 상관기의 문턱 값에 관련된 웨이크업 에러율을 각각 도시한 그래프들이다.
해당 도면 번호들(corresponding reference numerals)은 도면들의 여러 뷰들(views)에 걸쳐 대응되는 부분들(corresponding parts)을 나타낸다.

이하 예시적인 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 보다 완벽하게 설명될 것이다.

도 1은 웨이크업 라디오(10)에 대한 아키텍쳐를 도시한다. 라디오(10)는 일반적으로 안테나(12), 정류기(14), 비교기(16) 및 상관기(18)를 포함한다. 라디오(10)는 밴드 선택 필터(band-select filter, 13), 오실레이터(11) 및 자동 문턱 값 제어회로(ATC: Automatic Threshold Control circuit, 19)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서는, 오실레이터(11), 정류기(14), 비교기(16) 및 자동 문턱 값 제어회로(19)들이 집적회로로 구현되어 있다. 반면, 안테나(12), 정류기(13) 및 오실레이터(11)를 구동하는 크리스탈들은 오프 칩(Off Chip)에 위치한다. 이런 회로들은 수면 전력(sleep power) 향상을 위해 두꺼운 산화막 피모스 헤더(thick-oxide PMOS header)를 사용하는 것에 주목해야 한다. 라디오와 관련된 구성부들에 대해서만 도 1에서 설명되어진 것으로 이해 해야 하나, 컨트롤러 또는 오디오 출력단과 같은 다른 구성들은 운용 장치를 구성하기 위해 필요 되어질 수 있다. 구성부들에 대한 다른 배열들은 본 개시의 내용에 의해 또한 고려될 수 있다.

동작 기간에 RF 신호를 수신하기 위해 안테나(12)가 배치된다(configured to). RF 신호는 먼저, 온 칩(on-chip)에 전달되기 전에 신호를 필터링 및 부스트하는 입력 매칭 네트워크(즉, 필터 13)을 통과한다. 일 실시예에서는, 2 구성 오프칩 매칭 네트워크(2 element off-chip matching network)가 사용 되어지고, 패시브 5 데시벨 전압 부스트(a passive 5dB voltage boost)를 제공한다. 칩의 입력 임피던스는 네트워크 분석기(network analyzer) 상에서 400MHz에서 23-j35[Ω]으로 측정되는데, 그래서 12[㎊] 직렬 커패시터와 15.7[nH] 션트 인덕터(Shunt Inductor)들이 사용된다. 입력 임피던스의 Q 팩터(Q factor)는 전압 제한기(voltage limiter)가 정류된 전압이 FET의 항복전압(Breakdown voltage)을 초과하는 것을 방지하기 때문에 낮다. 그래서 브로드밴드 매칭 네트워크(broadband matching network)가 적용될 수 있다. 필름 벌크 음향 공진기들(film bulk acoustic resonators), 벌크 음향 공진기들(bulk acoustic resonators) 또는 표면탄성파 필터들(surface acoustic wave filters)은 요구되는 동작 주파수(desired frequency of operation)로 조절을 위해 사용될 수 있다.

민감도는 감소될 수 있기 때문에, 저잡음 증폭기(low noise amplifier)는 수신된 신호를 증폭할 필요가 없다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제로 전력(zero-power) RF 정류기(14)가 증폭기를 대신하면, 그로 인하여 나노와트(nanowatt) 범위에서 상당한 전력을 절감할 수 있고 통신할 수 있다. 다른 실시예에서는, 저잡음 증폭기는 필터(13)과 정류기(14) 사이의 온 칩(on-chip) 상에 배치될 수 있다.

정류기(14)는 안테나로부터 RF 신호를 수신하거나 정류된 입력 신호를 발생하기 위해 배치된다. 도 2에서는 정류기(14)에 대한 일 실시예를 도시하였다. 일 실시예에서, 입력 신호(incoming signal)는 온오프 키잉(OOK: on-off keying) 형태이고, 정류기(14)는 펄스 형태를 갖는 신호를 출력한다. 그렇게 하기 위해서, 정류기(14)의 구조는 정류기를 포함하는 모든 트랜지스터들이 서브 문턱 값 영역에서 동작하는 것을 제외하고 딕슨 배율기 회로(Dickson Multiplier Circuit)와 유사하다. 이와 같이, 출력 전압 계산은 작은 RF 입력 때문에 다르다. 일 실시예에서는, 30 스테이지들(30 stages)은 비록 대략적인 스테이지들이 고려될지라도 빠른 충전 시간을 갖는 충분한 RF 이득(gain)을 얻기 위해 사용된다. 입력 신호는 다른 형태(예를 들어 FSK)를 가질 수 있고, 어떤 정류 또는 다른 형태의 정류를 요구하지 않는다. 이와 같이, 정류기(14)의 다른 회로 배열들은 또한 본 개시에서 고려되어 질 수 있다.

오실레이터(11)는 웨이크업 라디오(10)의 기준 클럭을 제공한다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 오실레이터(11)는 오프칩(off-chip) 크리스탈(31)(예를 들어, 50kHz)과 서브 문턱 값 영역에서 동작하는 온 칩 오실레이터 회로에 포함된다. 일 실시예에서는, 오실레이터를 위한 주 증폭기(primary amplifier, 32)는 저항성 피드백(resistive feedback)을 갖는 인버터이다. 크리스탈을 위한 피드백 회로는 전류 미러(33)와 RC 필터(34)를 포함하고, 이들은 크리스탈 출력단으로부터 직류(DC) 레벨을 풀 아웃(pulls out)하고 전류 미러(33)를 조절한다. 한 쌍의 버퍼들(35)은 오실레이터의 출력단 형태로 사용된다.

도 3b는 50kHz 크리스탈의 고유 값(intrinsic values)을 도시한다. 목적 설명을 위해, 지속적인 진동들을 구현하기 위해 제조되는 증폭기의 트랜스컨덕턴스는 이러한 고유값들과 아래 방정식 1을 사용하여 계산된다.

.......(1)

C와 C₀는 크리스탈의 운동과 션트 커패시턴스(motional and shunt capacitance)이고, ω는 공진주파수(resonant frequency), 크리스탈의 Q 팩터 및 C1, C2들은 회로의 부하 커패시턴스이다. 만약, 주 증폭기(32)가 인접한 문턱 값 영역에서 바이어스(Biased)되면, g_m/i_D 비(ratio)는 대략 10, 여기서 임계(critical) g_m값은 대략 20[nA]이다. 초기에, 주 증폭기(32)의 트랜스컨덕턴스는 크리스탈의 임계 트랜스컨덕턴스 g_m 보다 더 크고, 이것은 진동 증폭을 빠르게 증가하기 위해 필요하다. 하지만, 진동 증폭이 증가함에 따라, 진동의 직류(DC) 레벨 또한 떨어지고, 이런 공통 모드(common-mode) 신호는 지속적인 진동들에 놓일 때까지 주 증폭기(32)를 가혹하게 하기 위해(to starve) 피드백으로 사용된다. 측정된 결과들은 공급전압 1.2[V] 사용으로 진동들이 유지될 때, 전체 전력 소비는 30[nW]임을 보여준다. 진동은 라디오에 대한 기준 클럭(reference clock)을 제공하기 위해 완충 되어진다(is buffered). 저전력 소비를 구현하기 위한 오실레이터에 대한 구체적인 언급이긴 하지만, 링 오실레이터(ring oscillator), 엘씨 오실레이터(LC oscillator), 저항성 오실레이터(resistive oscillator) 또는 위상 동기 루프 회로(phase lock loop circuit)와 같은 다른 타입의 오실레이터들은 본 개시의 범위 내에서 적용될 수 있다.

도 4는 자동 문턱 값 제어를 구비한 비교기 회로(16)의 일 실시예를 도시한다. 비교기 회로(16)는 정류기(14)로부터 입력 신호를 받고, 입력 신호를 기준 신호(예를 들어, 오프셋 전압)와 비교한다. 비교기 회로(16)는 입력 신호가 기준 신호를 초과할 때, 높은 값을 갖는 입력 신호를 출력 하고, 입력 신호가 기준 신호를 초과하지 않을 때, 낮은 값을 갖는 입력 신호를 출력한다. 주요하게 비교기(16)는 오직 서브 문턱값 영역에서 동작하는 트랜지스터들을 구비한 디지털 회로들에 부분적으로 포함된다. 일 실시예에서는, 비교기 회로(16)는 일반적으로 오실레이터(11)에 의해 클럭되는(clocked) 재생 피드백(regenerative feedback)을 공급하는 재생 이득 동적 비교기(regenerative gain dynamic comparator)로써 언급된다. 두 개의 분리된 전류 바이어스들은 4 비트 이중-가중 전류 디지털-아날로그 컨버터(4-bit binary-weighted current digital-to-analog converters)들에 의해 각각 컨트롤된다. 비교기 문턱 값은 라디오 민감도를 조절하기 위해 4비트 이중-가중 값(4-bit binary-weighted value)으로 프로그램될 수 있다. 비교기 회로는 더욱 일반적으로 복조기(demodulator)로써 보여질 수 있고, 아날로그-디지털 컨버터와 같이 복조 회로의 다른 타입들로 대체될 수 있다.

비교기의 오프셋 전압이 간섭 신호들을 극복하기 위해 자동 문턱 값 컨트롤러(19)에 의해 컨트롤된다. 자동 문턱 값 컨트롤러(19)는 정해진 기간(예컨데, one 31-bit code period)에 대해 비교기(16)의 출력단으로부터 발생하는 샘플들을 모니터링 한다. 복수의 높은 값들(즉, 1's)이 프로그래머블 값보다 더 크다면, 간섭 신호는 현재에 존재하는 것으로 여기고, 자동 문턱 값 컨트롤러(19)는 간섭 신호의 값 위로 수신기의 민감도를 가져가기 위해 비교기의 문턱 값을 증가할 것이다. 비교기의 출력단에서 복수의 낮은 값들(즉, 0's)이 분리된 프로그래머블 값에 미칠 때(reach), 간섭 신호는 지나간(be gone) 신호로 여기고, 자동 문턱 값 컨트롤러(19)는 수신기의 민감도를 증가하기 위해 문턱 값을 줄인다. 히스테리시스는 제한 사이클(limit-cycles)을 제거하기 위해 두 개의 프로그래머블 문턱 값들 사이에 더해진다. 이러한 매카니즘에 따라, 비교기는 간섭 신호들을 거부할 수 있고, 비록 간섭 신호가 BPSK 또는 OOK에 의해 조절될지라도, 비교기의 문턱 값은 간섭의 최대 레벨(maximum level of interference) 위에 셋팅되며, 그래서 비교기는 수정된 출력을 생산할 것이다.

도 5를 참조하면, 상관기(18)는 연속적으로 입력 RF 신호가 임베디드(embedded)된 코드(code)를 상관기에 저장된 웨이크업 코드와 비교한다. 상관기(18)는 교대로 상관 결과가 상관 문턱 값을 초과할 때, 높은 값을 갖는 웨이크업 신호와 상관 결과가 상관 문턱 값을 초과하지 않을 때, 낮은 값을 갖는 웨이크업 신호를 출력한다. 웨이크업 신호는 다른 라디오 구성부를 위한 활성 신호로써 사용되어 질 수 있다. 예를 들면, 웨이크업 신호는 컨트롤러, 다른 라디오 트랜스시버(예를 들어, 블루투스 트랜스시버) 또는 저전력 소비모드로 동작하는 다른 라디오 구성부를 파워업(power-up) 또는 활성화를 위해 사용될 수 있다. 웨이크업 신호는 무선 센서 또는 그와 같은 라디오 바깥쪽의 애플리케이션들을 가질 수 있다고 고려될 수 있다.

일 실시예에서는, 4개의 상관기들(51)의 뱅크는 연속하여 오버샘플링된 비교기 비트스트림(bit-stream)을 프로그래머블 웨이크업 코드(예를 들어, 31-비트 골드 코드(31-bit Gold code))과 상관한다. 이것은 전송된 코드에 동기화하고, 오직 요구된 코드가 수신될 때, 웨이크업 출력을 이슈화한다(issues). 골드 코드들은 바이너리 시?스 세트(a set of binary sequences)이고, 그 바이너리 시?스 세트 중에 상호 상관은 3개의 값들로 묶여진다. 골드 코드들은 일반적으로 CDMA가 실행될 때 사용된다. 일 실시예에서는, 골드 코드들이 두 개의 선형 피드백 시프트 레지스터들(52)과 XOR 게이트(53)로 실행된다. 세 개 구성 비트들을 갖는31 비트 골드 코드들은 실행된다. 일 실시예에서는, 오버샘플링된 비교기 비트스트림의 마지막 2개의 비트들은 상관에 사용된다. 즉, 상관기는 코드를 구비한 각 비트 슬라이스(bit slice)에서 마지막 두 개의 샘플들을 비교하고, 각 31 비트 코드는 전체 62개의 비교들(62 comparisons)을 생성한다. 프로그래머블 상관기 문턱 값은 사용자가 유효한 웨이크업 이벤트를 지시하는 수신된 코드를 위해 하는 1과 61 사이의 값으로 정의할 수 있다. 하한 상관기 문턱 값은 민감도 향상에서 코드와 매칭하는 더 적은 비트들을 의미하나, 더 많은 잘못된 웨이크업들을 낳는다. 상관기 문턱 값이 높을수록 잘못된 웨이크업들은 방지되지만, 수신기의 민감도는 낮아진다. CDMA와 골드 코드들에 제조된 것을 중심으로 언급하였지만, 이것은 웨이크업 라디오는 다른 타입 코드들에 실행될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

수신기와 전송된 코드를 동기화하기 위해, 4개의 상관기들(51)은 동시에 동작하고, 각 상관기(51)는 수신기가 오버샘플화되기 때문에(예를 들어, 4번) 각 비트 슬라이스의 시프트된 샘플들을 수신한다. 각 상관기에서, 31 비트 골드 코드의 모든 가능한 시프트들은 싱글 31 비트 시퀀스 후, 수신기가 웨이크업 신호에 동기화되는 것을 보장하도록 입력되는 비트 스트림과 동시에 상관된다. 각 병렬 상관기(51)는 코드 시프트들을 토대로 서로 다른 수의 정확한 비교들과 수신기와 전송기(transmitter) 사이의 위상차를 갖는다. 만약, 4개의 상관기들의 결과들 중 어느 것이 상관기의 문턱 값보다 더 크다면, 웨이크업 신호로 인정될 것이다(be asserted).

본 개시의 다른 관점에서, 위에서 설명한 상관기 회로, 자동 문턱 값 제어 회로 및 오실레이터 회로는 저전력 베이스밴드 프로세서를 형성하기 위해 결합될 수 있다. 그러한 베이스밴드 프로세서는 디지털 도메인(domain)으로 변환된 데이터를 복조하고, 상관기 회로에 대한 입력단 역할을 하는 어떠한 타입의 수신기와 접속될 수 있다(be interfaced with).

도 6은 탐지를 위해 프로그램화되지 않은 코드들을 거절하는 수신기의 성능을 도시하였다. 이러한 셋업(this setup)에서, 임의의 파형발생기(AWG: arbitrary waveform generator)와 벡터 신호발생기(VSG: Vector Signal Generator)들은 맞대어 두 개의 서로 다른 코드들을 전송하고 있었다. 신호는 분리된 다음(then split), 다른 코드들을 수신하면, 웨이크업으로 각각 프로그래밍되는 두 개의 다른 WRXs로 보내진다. 상부 도면은 전송된 온오프 키잉(OOK) 신호이고, 각 WRXr가 온오프 키잉 신호의 자신 코드를 수신하고, 다른 코드를 수신하지 않을 때, 온오프 키잉 신호의 웨이크업 신호를 토글(toggles)한다.

31-비트(bit) 코드를 수신하는 웨이크업 라디오(10)의 상세한 트랜션트(Transient) 동작이 도 7a에 도시되어 있다. WRX는 자동적으로 입력하는 비트 스트림(incoming bit stream)에 동기화한다. 상부 2개의 트레이스들은(The top two traces) RF 신호와 신호를 베이스밴드(baseband)로 변환하는(converting) RF 정류기를 보인다. 세번째 트레이스는 오실레이터의 데이터 전송 속도의4배(4X)에서 클럭되는 비교기의 출력을 보여준다. WRX는 상관기 블록에서 사용되는 다른 코드를 선택하는 것에 의해 CDMA에 적용될 수 있다.

만약, 간섭 신호(interfering signal)가 비교기의 문턱값(포화 비트 슬라이서: saturating the bit-slicer)을 초과하기 충분히 강하다면, ATC는 간섭 신호 위에 있을 때까지 비교기의 문턱 값을 증가한다. 이러한 동작의 트랜션트는 도 7b에 보여질 수 있다. 상부 신호는 수신된 RF 신호이고, 8ms에서 2.4GHz 톤(tone)에 의해 간섭을 받는다(is jammed). 현재 간섭이 있음에 따라, 비교기는 초기에 수신기가 코드를 수신할 수 없도록 1's를 출력한다. 15ms 후에, ATC는 간섭 신호 위로 비교기의 문턱 값을 올리고, WRX는 동기화(Synchronization)를 회복한다.

도 8a는 403MHz, 915MHz 및2.4GHz 밴드들(bands)에서 칩 에러 율(chip error rate(BER))의 곡선을 도시하였다. 민감도는 403MHz 범위에서 가장 좋다. 도 8b는 상관기의 문턱 값이 다양함에 따라 칩에러율(BER)을 도시하였다. 측정기들은 2.4GHz 밴드에서 -40dBm을 사용한다. 또한, 도면은 잘못된 웨이크업들을 갖는 문턱 값의 영향을 도시한다. 이러한 두 개의 데이터 세트들로부터 상관기 문턱 값은 잘못된 웨이크업의 가능성을 최소화하는 동안 민감도를 최대로 설정될 수 있다.

실시 예에서, 웨이크업 라디오(10)은 두꺼운 산화막 헤더들에 의해 제공되는(afforded by) 18pW의 수면 전력을 갖는 116nW의 유효 전력을 갖는다. 풀 파워 브레이크다온(full power breakdown)은 아래 표 1에서 볼 수 있다. 디지털 베이스밴드 프로세싱은 WRX에서 많은 전력을 소비한다.

파워 브레이크다운 및 수신기 스펙(Power breakdown and receiver specs)

파워 브레이크다운 [nW]		수신기 스펙(Receiver Specs)
RF 정류기 (RF Rectifier)	0	에너지/비트 (Energy/bit)	9.28pJ
비교기 (Comparator)	8.4	에너지/웨이크업 (Energy/wakeup)	287.7pJ
디지털 로직 (Digital Logic)	69.5	최대 신호 레벨 (Max Signal level)	-15dBm
크리스탈 오실레이터 (Crystal Oscillator)	38.4	최대 간섭 레벨 (Max interferer level)	-20dBm
총계	116.3	코드 길이 (Code length)	31
수면(Sleep)[pW]	20	# 이전 규정된 코드들 (# of pre-defined codes)	8

본 개시의 내용에서는 인 밴드와 아웃 오브 밴드 간섭들(in-band and out-of-band interferers)로부터 간섭 거절을 제공하기 위해 CDMA 코드들을 사용하는 저전력 웨이크업 라디오를 소개하였다. 민감도 사양들이 줄어듬에 따라, 제로 파워 RF 에너지 하베스터(zero-power RF energy harvester)의 사용은 수신기의 RF 프론트 앤드로 사용되고, 서브 문턱 값 설계(sub-threshold design)는 나도와트(nanowatt) 전력 영역(power region)에서 전체적으로 무선 연락을 유지하기 위해(to keep entire radio) 구현된다. 전형적인 센서 노드의 수면 전력보다 전력이 적은 경우, WRX는 센서 노드가 잠이든 상태일 때, 에너지 도메인 회로(Energy dominant circuit)가 아니고, 잘못된 웨이크업 거절을 제공할 수 있으며, 센서 노드들을 위한 매우 적절한 동기화를 구현할 수 있다(making it a very suitable synchronization technique for sensor nodes).

위의 예에서, 웨이크업 수신기는 싱글 웨이크업 코드로(single wake-up code) 프로그램화된다. 다른 실시 예에서, 웨이크업 수신기는 적어도 하나 이상의 웨이크업 코드(예를 들어, 4 codes)로 프로그램화될 수 있다. 이런 방식에서, 다른 코드들은 라디오를 웨이크 업하기 위해 사용될 수 있고, 각각의 다른 코드는 다른 타입의 기능들과 맵핑될 수 있다. 예를 들어, 하나의 코드는 다른 코드가 다른 타입의 트랜시버(transceiver)를 파워 업(power-up)하는 것을 표시하는 동안, 컨트롤러를 파워 업으로 표시할 수 있다.

상술한 실시예의 기술은 설명 및 기술의 목적을 위해 제공된다. 이는 완결적이거나 본 개시를 제한하기 위한 것이 아니다. 특정 실시예의 개별 요소 또는 특징은 일반적으로 그 특정 실시예에 제한되지 않고, 적용 가능한 경우, 특별히 도시되거나 기술되지 않은 경우에도, 교체 가능하고 선택된 실시예에서 사용될 수 있다. 동일한 것은 또한 다양한 방법으로 변경될 수 있다. 이러한 변경은 본 개시로부터 벗어나는 것으로 여겨지지 않고, 모든 이러한 변경은 본 개시의 범위 내에 포함되는 것으로 고려된다.

예시 실시예는 본 개시가 철저하도록, 그리고 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 범위를 전체적으로 전달하도록 제공된다. 다양한 특정한 상세한 기술이 본 개시의 실시예의 철저한 이해를 제공하기 위해 특정 부품, 장치, 및 방법의 예로서 개시된다. 특정한 상세는 이용될 필요가 없고, 그 예시 실시예는 많은 다양한 형태로 구체화될 수 있으며 아무것도 본 개시의 범위를 제한하도록 해석되지 않아야 하는 것이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 특정 예시 실시예에서, 주지된 공정, 주지된 장치 구조, 및 주지된 기술은 상세하게 기술되지 않는다.

여기서 사용된 용어는 특정 예시 실시예를 기술하기 위한 목적만을 위한 것이고 제한을 위한 것이 아니다. 여기서 사용된 바와 같은, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문장이 명백하게 다르게 표시하지 않으면 복수 형태를 포함하기 위한 것일 수 있다. 표현 "포함한다", "포함하는", 및 "갖는"은 포괄적이고 그러므로 명시된 특징, 정수, 단계, 작동, 성분 및/또는 부품의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작동, 성분, 부품, 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 불가능하게 하지 않는다. 여기에 기술된 방법 단계, 공정, 및 작동은 특별히 수행의 순서가 식별되지 않으면 개시되거나 도시된 특정 순서로 그 수행을 필수적으로 요구하는 것으로 해석되지 않는다. 추가 또는 대체 단계가 이용될 수 있는 것이 또한 이해될 것이다.

Claims

RF 신호를 수신하기 위해 결합된 안테나;
상기 안테나로부터 상기 RF 신호를 수신하기 위해 결합되고, 정류된 입력 신호를 발생하는 정류기;
상기 정류기로부터 입력 신호를 수신하기 위해 결합되고, 상기 입력 신호를 기준 신호와 비교하여 디지털 신호를 출력하는 비교기; 및
서브 문턱 값 영역에서 동작하는 트랜지스터들을 구비하는 디지털 회로들을 부분적으로 포함하고, 상기 비교기로부터 상기 디지털 신호를 수신하며, 상기 디지털 신호를 웨이크업 코드와 상관시켜 웨이크업 신호를 출력하고, 상기 웨이크업 신호는 상기 디지털 신호와 웨이크업 코드의 상관이 상관 문턱 값을 초과할 때, 높은 값을 갖고, 상기 디지털 신호와 웨이크업 코드의 상관이 상관 문턱 값보다 낮을 때, 낮은 값을 갖는 상관기를 포함하는 저전력 라디오.
제1항에 있어서,
상기 정류기는 서브 문턱 값 영역에서만 동작하는 트랜지스터들을 구비한 회로들에 부분적으로 포함되는 저전력 라디오.
제1항에 있어서,
상기 정류기는 추가적으로 딕슨 배율기 회로(Dickson Multiplier Circuit)로 정의되는 저전력 라디오.
제1항에 있어서,
상기 비교기는 서브 문턱 값 영역에서만 동작하는 트랜지스터들을 구비한 회로들에 부분적으로 포함되는 저전력 라디오.
제1항에 있어서,
상기 비교기는 추가적으로 병렬적으로 동작하는 복수의 상관기들로 정의되고, 각 상관기는 비트 슬라이스로부터 다른 시프트된 샘플들을 수신하며, 상기 시프트된 샘플들을 상기 웨이크업 코드와 비교하는 저전력 라디오.
제1항에 있어서,
레퍼런스 클럭 신호를 발생하는 오실레이터를 더 포함하고, 상기 오실레이터는 상기 비교기와 상기 상관기는 상기 오실실레이터로부터 상기 레퍼런스 클럭 신호를 이용하는 저전력 라디오.
제6항에 있어서,
상기 오실레이터는 크리스탈과 오실레이터 회로를 포함하고, 상기 오실레이터 회로는 상기 크리스탈과 교차로 결합된 증폭기를 포함하며, 상기 증폭기는 최소 전력 소비로 상기 크리스탈의 진동을 유지하기 위해 피드백 회로에 의해 바이어스되는 저전력 라디오.
제7항에 있어서,
상기 정류기, 상기 비교기, 상기 상관기 및 상기 오실레이터 회로들은 집적회로 구현되는 저전력 라디오.
제1항에 있어서,
상기 비교기로부터 상기 디지털 신호를 수신하고, 상기 수신기의 민감도 변경을 위해 상기 기준 신호를 조절하기 위해 배치된 자동 문턱 값 제어회로를 더 포함하는 저전력 라디오.
제9항에 있어서,
상기 자동 문턱 값 제어회로는 서브 문턱 값 영역에서만 동작하는 트랜지스터들을 구비하는 디지털 회로들에 부분적으로 포함되는 저전력 라디오.
제1항에 있어서,
상기 안테나와 상기 정류기 사이에 전기적으로 결합된 저전력 증폭기를 더 포함하는 저전력 라디오.
제1항에 있어서,
저전력 소비 모드에서 동작하는 동안 상기 상관기로부터 상기 웨이크업 신호를 수신하기 위해 배치된 라디오 콤포넌트를 더 포함하고, 상기 라디오 콤포넌트는 높은 값을 갖는 상기 웨이크업 신호를 수신하는 것에 대응하여 저전력 소비 모드에서 고전력 소비모드로 이행하는 저전력 라디오.
RF 신호를 수신하고, 정류된 입력 신호를 생성하기 위해 배치된 정류기;
서브 문턱 값 영역에서만 동작하는 트랜지스터들을 구비하고, 상기 정류기로부터 입력 신호를 수신하기 위해 결합되며, 상기 입력 신호를 기준 신호와 비교하고, 디지털 신호를 출력하는 비교기 회로;
서브 문턱 값 영역에서만 동작하는 트랜지스터들을 구비하고, 상기 비교기 회로로부터 상기 디지털 신호를 수신하며, 상기 디지털 신호를 웨이크업 코드와 상관시켜 웨이크업 신호를 출력하고, 상기 웨이크업 신호는 상기 디지털 신호와 웨이크업 코드의 상관이 상관 문턱 값을 초과할 때, 높은 값을 갖고, 상기 디지털 신호와 웨이크업 코드의 상관이 상관 문턱 값보다 낮을 때, 낮은 값을 갖는 상관기 회로; 및
서브 문턱 값 영역에서만 동작하는 트랜지스터들을 구비하고, 상기 비교기로부터 상기 디지털 신호를 수신하며, 상기 디저털 신호의 값들과 대응하는 상기 기준 신호를 조절하는 자동 문턱 값 제어회로를 포함하는 저전력 라디오.
제13항에 있어서,
상기 정류기는 추가적으로 딕슨 배율기 회로로 정의되는 저전력 라디오.
제13항에 있어서,
상기 비교기 회로는 추가적으로 병렬적으로 동작하는 복수의 상관기들로 정의되고, 각 상관기는 비트 슬라이스로부터 다른 시프트된 샘플들을 수신하며, 상기 시프트된 샘플들을 상기 웨이크업 코드와 비교하는 저전력 라디오.
제13항에 있어서,
상기 정류기, 상기 비교기 회로, 상기 상관기 회로 및 상기 자동 문턱 값 제어 회로들은 집적회로 구현되는 저전력 라디오.
제13항에 있어서,
레퍼런스 클럭 신호를 발생하는 오실레이터를 더 포함하고, 상기 오실레이터는 상기 비교기와 상기 상관기는 상기 오실실레이터로부터 상기 레퍼런스 클럭 신호를 이용하는 저전력 라디오.
제17항에 있어서,
상기 오실레이터는 크리스탈과 오실레이터 회로를 포함하고, 상기 오실레이터 회로는 상기 크리스탈과 교차로 결합된 증폭기를 포함하며, 상기 증폭기는 최소 전력 소비로 상기 크리스탈의 진동을 유지하기 위해 피드백 회로에 의해 바이어스되는 저전력 라디오.
복조기로부터 디지털 신호를 수신하고, 상기 디지털 신호와 웨이크업 코드를 상관시켜 웨이크업 신호를 출력하며, 상기 웨이크업 신호는 상기 디지털 신호와 웨이크업 코드의 상관이 상관 문턱 값을 초과할 때, 높은 값을 갖고, 상기 디지털 신호와 웨이크업 코드의 상관이 상관 문턱 값보다 낮을 때, 낮은 값을 갖는 상관기 회로;
상기 복조기로부터 상기 디지털 신호를 수신 받고, 상기 디저털 신호의 값들과 대응하는 상기 복조기의 민감도를 조절하는 자동 문턱 값 제어회로; 및
클럭 신호를 발생하는 오실레이터 회로를 포함하고,
상기 오실레이터 회로로부터 발생하는 상기 클럭 신호에 의해 상기 상관기 회로와 상기 자동 문턱 값 제어회로들이 클럭되며, 상기 상관기 회로, 상기 자동 문턱 값 제어회로 및 상기 오실레이터 회로는 서브 문턱 값 영역에서만 동작하는 트랜지스터들을 포함하는 저전력 베이스밴드 프로세서.
제19항에 있어서,
상기 비교기 회로는 추가적으로 병렬적으로 동작하는 복수의 상관기들로 정의되고, 각 상관기는 상기 디지털 신호의 비트 슬라이스로부터 다른 시프트된 샘플들을 수신하며, 상기 시프트된 샘플들을 상기 웨이크업 코드와 비교하는 저전력 베이스밴드 프로세서.
제19항에 있어서,
상기 자동 문턱 값 제어 회로는 높은 값을 갖는 상기 디지털 신호로부터 복수의 연속적인 샘플들이 제1 문턱 값을 초과할 때, 상기 복조기의 민감도는 줄어들고, 낮은 값을 갖는 상기 디지털 신호로부터 복수의 연속적인 샘플들이 제2 문턱 값을 초과할 때, 상기 복조기의 민감도는 증가하는 저전력 베이스밴드 프로세서.
제19항에 있어서,
상기 복조기, 상기 상관기 회로 및 상기 자동 문턱 값 제어 회로들은 집적회로 구현되는 저전력 베이스밴드 프로세서.
제19항에 있어서,
상기 오실레이터 회로를 구동하는 크리스탈을 더 포함하고, 상기 오실레이터 회로는 상기 크리스탈과 교차로 연결된 증폭기를 포함하며, 상기 증폭기는 최소 전력 소비로 상기 크리스탈의 진동을 유지하기 위해 피드백 회로에 의해 바이어스되는 저전력 베이스밴드 프로세서.