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低功耗近距離通訊技術

簡介

  近距離傳輸無線通訊系統,主要可分成兩大項目一由IEEE 802.15.6 Task Group正著手制訂之Wireless Body Area Network (WBAN)規範,定義應用於人體生理訊號監測或多媒體娛樂等近身無線感測應用,其系統特性比早期之BluetoothZigBee更需要考慮人體周遭之通道效應去做設計調整。另一類為無線射頻辨識系統(RFID),則大量使用在產品供應鏈之辨識或與感測相關等應用。為增加可攜帶性和節省電源替換成本,此兩大系統,往往需使用輕薄短小之極薄紙片電池,或利用能源收集再生(energy harvesting)方式來提供電力,甚至以回收接收無線訊號之能量提供電力。因此,超低能源消耗是近距離傳輸無線通訊系統設計上最關鍵之考量重點。針對此應用考量,篩選出3篇較具代表性之文章進行介紹。第一篇介紹應用於WBAN之無線收發器設計,同時使用人體通道傳輸作為實體層媒介,以節省傳輸上之能源耗損;第二篇介紹一極高能量利用率之RFID晶片,並可同時相容於多個頻段規範;第三篇則介紹一極低功耗高傳輸速率之無線收發器,藉由前端電路架構設計與調整,同樣能達到低能源消耗之目標。

 

第一篇論文由韓國KAIST所提出一應用於無線近身網路(Wireless Body Area Network, WBAN) 的無線收發器設計[1]。在IEEE 802.15.6 Task Group所制訂之規範中,定義三種實體層(PHY)機制,分別為超寬頻(UWB) PHY、窄頻(UWB) PHY和人體通道傳輸(body channel communication, BCC) PHYBCC-PHY利用近端耦合之傳輸方式,在低於150MHz的人體通道頻段作傳輸時,能減少傳輸時產生之路徑損耗(path loss)和人體屏蔽(body shadowing)效應,達到較其他兩種PHY更高之能源利用率。然而先前相關BCC-PHY之設計,仍未針對WBAN情境所需要之能源利用率、QoS、抗干擾和多個無線感測點(wireless sensor node, WSN)共存等條件做最佳化,因而此篇論文進而針對上述需求作更進一步之整合設計。

此設計主要針對(1)通道訊號傳遞特性的探討 (2)震盪匹配(resonance matching, RM) 和環境感知感測 (context-aware sensing, CAS) (3)低功耗雙向(double) FSK調變技術三方面去做設計,以同時具備低能源消耗和高接收端靈敏度(sensitivity)之特性並滿足WBAN應用需求。如圖3.1.1根據量測特性,BCC訊號可被分成正向 (forward path) 和迴向(return path)兩條路徑,電極點在人體接觸接觸點構成正向,而TXRX浮接處藉由電容耦合共地,構成一封閉迴向路徑。此傳遞路徑之路徑損耗有一被迴向路徑決定之帶通濾波器特性。該設計便藉由震盪匹配之調整來消除迴向路徑之損耗。而在正向路徑當中,電極點之阻抗變動範圍可能達到30dB之多,為補償此效應對通道品質之影響,環境感知感測技術便是去偵測電極點對於人體耦合之電容性或電阻性,以動態調整收發器工作點來達到高能量利用率。

如圖3.1.2,此BCC系統使用雙向FSK調變,操作在40~120MHz頻段。在TX部分包含頻率合成器及除頻器串,最後將低調變係數帶頻訊s(t)轉換成寬頻W(t)訊號驅動電極點輸出。在RX部分,藉由延遲串構成之寬頻解調器,收到之FSK訊號直接降頻解調成帶頻訊號。此晶片使用0.18µm的製程實現,面積為2.5×5mm2。為滿足WBAN需求,接收端靈敏度為-66dBm,傳輸速率為1k~10Mbps,並能同時滿足15個節點共存。收發器功耗為2.4Mw,等效上能源利用率為0.24nJ/b,此BCC收發器與先前提出之設計比較,其更適合WBAN操作情境和具備低耗能之特性。

3.1.1  BCC通道特性

3.1.2  BCC收發器系統方塊圖

 

第二篇論文則由英飛凌(Infineon Tech.)Graz University of Technology共同提出之一相容於EPC規範之全被動式多頻帶RFID感測節點[2]。此全被動式RFID是目前第一顆被提出之晶片,可同時操作在EPC HF (13.56MHz) EPC Class 1 Gen 2 UHF (860MHz~2.45GHz) 2種系統規範頻帶,操作頻率則涵蓋13MHz~2.45GHz多頻RFID。此設計藉由接收遠端傳送來之無線訊號,將其轉換成本身無線收發器所需之能量,因此不需要任何替換式電池或複雜之能源擷取裝置設計。同時,RFID更整合了一內建溫度感測器及控制一外部壓力感測器之溝通介面,大幅提高其整合上容易性,使其能廣泛使用在近距離辨識應用中3.2.1為該系統所包含之方塊圖。

為了在極低功耗下,仍維持高接收端輸入敏感度(sensitivity),此設計提出一單級全域波形多頻整流器(single-stage full-wave multifrequency rectifier),如圖3.2.2所示。此設計利用輸入端之差動對和MN1 - MN2 Vss共模(common mode)設計,並把MP1 - M P2調整成開關式而非製傳統二極體模式操作,讓整流器可以在極低輸入電壓下完成充電,接收端輸入敏感度可達到-10.3dBm。同時,此篇論文亦提出一新系統控制方式來滿足HFUHF操作兩種模式。藉由一組合式TX調變器(modulator)和轉換(shunt)模組,在使用負載調變(load modulation)HF模式時,Vin可維持至少600mV電位以提供時脈回復電路之正確運作;而在使用反射調變(backscattering)UHF模式時,此模組將直接把電路之輸入短路,以反射收到之RF訊號。利用此機制,相較於先前所發表之多篇文章,此設計提供70%DC能源節省。

RFID內建一溫度感測器,並利用儲存在內部的之能量提供mW等級之能量輸出,經由一設計好之控制介面來驅動外部壓力感測器。此晶片使用0.13µm製程實現,其內部感測設計所用之ADC可達到419fJ/conversion step之高效率運作,在感測器同時運作情況下,功率消耗僅有7.9µW

3.2.1 RFID系統方塊圖

3.2.2 單級全域波形多頻整流器電路圖和運作原理

 

第三篇則是由IMECPanasonic共同提出之一應用在WBAN低功耗之OOK無線收發器[3],該系統操作在2.4GHzISM頻段。如圖3.3.1所示,此收發器包含一直接調變(direct modulation)TX傳送前端電路和超再生(super-regenerative)RX 接收前端電路來實現低複雜度架構,並同時整合鎖相迴路(PLL)、數位機頻電路和可程式化之控制邏輯電路以提供易調式之資料傳輸速率。

在直接調變的TX中,其數位基頻電路是採用脈衝調整(pulse-shaping)方式達到有效之頻譜使用率,脈衝調整是利用6倍速頻率取樣和raised-cosine FIR濾波器來實現。考慮溫度-製程-頻率飄移,在此設計一具工作週期(duty-cycled)之峰值偵測器(swing detector)來監控和調整功率放大器操作點,以提供最佳之能源效率。而在超再生RX電路中,包含一具時變性偏壓電流調整能力之VCO來達到低功耗和高傳輸速率之特性,此收發器提供500k~5MHz操作頻率調整。TX-RXVGA使用開路(open-loop)架構,8-bit ADC/DAC 使用了非同步動態邏輯來達到低功耗且高速之特性。另外,提供系統穩定之傳輸頻率,TX-RXVCO利用4-bit數位控制做頻率粗調,細調部分則藉由類比調整以在溫度-製程-頻率飄移下之準確度和功率消耗方面取捨達到平衡當中PLL降頻倍率為除以30/32和除以M,如圖3.3.2所示。

此晶片用90nm製程實現,在TX使用50%脈衝調整的OOK傳送0dBm隻峰值能量時,總功率消耗為2.59mW(包含數位基頻);而RX在接收解調為1Mpbs之傳輸速率下消耗715µW,其量測結果為目前最高速之超再生接收電路(5Mbps),且具-75dBm之靈敏度。

3.3.1 收發器系統方塊圖

3.3.2  PLLVCO架構圖

 

Reference

[1] J. Bae, K. Song, H. Lee, H. Cho, L. Yan and H.-J. Yoo,“A 0.24nJ/b Wireless Body-Area-Network Transceiver with Scalable Double-FSK Modulation,” IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 34-35, Feb. 2011.

[2] H. Reinisch, M. Wiessflecker, S. Gruber, H. Unterassinger , G. Hofer , M. Klamminger, W. Pribyl and G. Holweg,“A 7.9µW Remotely Powered Addressed Sensor Node Using EPC HF and UHF RFID Technology with -10.3dBm Sensitivity,” IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 454-455, Feb. 2011.

[3] M. Vidojkovic, X. Huang, P. Harpe, S. Rampu, C. Zhou, L. Huang, K. Imamura, B. Busze, F. Bouwens, M. Konijnenburg, J. Santana, A. Breeschoten, J. Huisken, G. Dolmans and H. Groot,“A 2.4GHz ULP OOK Single-Chip Transceiver for Healthcare Applications, IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 458-459, Feb. 2011.

 

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