具有近阈值数字基带的短程紫蜂兼容接收器制造技术

提出了一种支持与IEEE 802.15.4标准兼容的Q‑QPSK(偏移正交相移键控)DSSS(直接序列扩频)调制、具有集成数字基带的8.1nJ/bit 2.4GHz接收器，该接收器的目标在于短距离的物联网应用(IoT)。无线通信接收器的灵敏度通常与功耗是相互折衷的。该接收器利用这种折衷来实现在250Kbps下灵敏度为‑52.5dBm时的总功耗为2.02mW，该总功耗包括模拟数字转换和数字基带处理。单独的射频(RF)前端的能量效率比现有技术好大致两倍。接收器是以面积为0.86mm2的65nm CMOS(互补金属氧化物半导体)制造的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】政府条款本专利技术是在美国国家科学基金会授予的CCF0910765下通过政府支持而完成的。政府对本专利技术享有特定的权利。相关申请的交叉引用本申请要求于2015年4月24日提交的美国专利技术申请No.14/695,387的优先权，还要求于2014年4月25日提交的美国临时申请No.61/984,316的权益。上述申请的全部公开内容通过引用合并于此。
本专利技术涉及一种具有近阈值数字基带的短程无线接收器。
技术介绍
微型智能传感器的指数增长在不久的将来即将到来。技术的迅速发展使得物联网(IoT)的愿景(vision)以比先前预期快得多的速度更接近现实。该价值不是通过将每个对象连接至因特网而来，而是通过它们的智能交互和合作而来。这将开启以前所未有的规模收集数据和提取信息的新维度。该技术将实现具有改进的废物/水管理、交通和照明、互连车辆与智能家居的智能城市，并且将彻底改革零售、生产、购物和卫生保健。预期人周围的传感器密度将从几百增加至数千，其对应于地球上大致万亿个联网的传感器。包含这些传感器的微系统必须具有关于计算、通信和感测操作的高能量效率。这主要是因为期望这些微系统中的许多微系统以10年以上的电池寿命在云的边缘操作或者以来自收集的能量的无电池操作在云的边缘操作。这对电路设计者、特别对无线通信集成电路(IC)(因为其在微型微系统中激活时消耗大量的功率)提出了新的设计挑战和机会。做出了一些努力以规定实现物联网的开放平台，诸如建立在IEEE802.15.4标准上的基于6LoWPAN的网络。最近，已经报导了具有超常灵敏度(无线范围>100m)以及7.2nJ/bit、6.8nJ/bit和7.4nJ/bit的能量效率的、与IEEE802.15.4兼容的射频(RF)前端。然而，存在许多仅需要短程通信(<10m)的IoT应用，诸如用于智能仪表和停车位、室内的家居自动化以及用于健身和健康监测的一些可穿戴设备的无线接近传感器(proximitysensor)。在这种情况下，相比于优先考虑高性能的装置或者针对最坏情况应用而设计的IC，可以做出不同的设计折衷以提高能量效率。具体地，公知的是，接收器的灵敏度与其功耗是直接相互折衷的。将灵敏度拨回至-50dBm左右可以显著降低无线电的功率并且满足许多能量受限应用的要求。然而，这样做并不是小事，并且需要关注于从RF前端到数字基带处理器的极低功率而重新设计。本公开提出了一种完全集成的2.4GHz接收器，该接收器包括RF前端、模拟数字转换器(ADC)和数字基带处理器(DBB)，它们通过调整无线电基带处理器中的信号的采样速率和处理速率来利用灵敏度和功耗之间的关系。虽然没有满足IEEE802.15.4标准所要求的灵敏度，但是该接收器提供了一种与IEEE802.15.4包完全兼容的短程O-QPSK(偏移正交相移键控)DSSS(直接序列扩频)链路。虽然本公开通篇参照一种特定标准，但是容易理解本文中描述的构思更普遍地可适用于短程无线接收器。本部分提供了与本公开有关的背景信息，其不一定是现有技术。
技术实现思路
本部分提供了本公开的概述，并且其不是本专利技术的全部范围或者其所有特征的全面公开。提供了一种用于操作具有数字基带处理器的短程接收器的方法。该方法包括：通过无线网络的数据链路接收网络数据包；以给定采样速率(例如，奈奎斯特速率)对网络数据包的一部分(例如，报头)进行采样；确定指示通过其接收网络数据包的数据链路的质量的量度；将网络数据包的给定采样速率降低至减小的采样速率，其中该减小的采样速率是与数据链路的质量反相关地设定的并且具有低于给定采样速率的值；以及以减小的采样速率处理网络数据包的剩余部分。在一个实施方案中，将量度与阈值进行比较，当量度在阈值以上时，将给定采样速率减小至减小的采样速率并且处理网络数据包的剩余部分；然而，当量度在阈值以下时，以给定采样速率处理数据单元的剩余部分。可以通过在采样间隔的一段时间内禁用接收器中的数字基带处理器、模拟数字转换器或其他有源电路中之一来实现降低给定采样速率。在一些实施方案中，降低给定采样速率包括：根据能量水平对来自网络数据包的一部分的样本进行排序；选择具有最高能量水平的样本的子集，其中所选择的样本的数目与减小的采样速率相关；以及根据所选择的样本的子集来对网络数据包的剩余部分进行采样。在一些实施方案中，指示数据链路的质量的量度可以选自信噪比、接收信号强度指标和链路质量指示。在本公开的一方面，用于操作短程接收器的方法可以进一步如下限定。该方法包括：由接收器通过无线网络中的信道接收协议数据单元；由接收器以给定采样速率对数据单元的一部分进行采样；由接收器确定指示通过其接收数据单元的信道的质量的量度；由接收器将量度与阈值进行比较；当量度在阈值以上时，以减小的采样速率处理数据单元的剩余部分；以及当量度在阈值以下时，以给定采样速率处理数据单元的剩余部分。对数据单元的处理还包括：根据能量水平将来自数据单元的一部分的样本进行排序；选择具有最高能量水平的样本的子集，其中所选择的样本的数目与减小的采样速率相关；以及根据所选择的样本的子集对网络数据包的剩余部分进行采样。本公开的另一方面提供了一种短程接收器。该接收器包括：RF前端电路、模拟数字转换器和数字基带处理器。RF前端电路被配置成从天线接收RF模拟信号并且操作以将RF模拟信号偏移为具有不同频率的中间信号。模拟数字转换器被配置成从RF前端电路接收中间信号并且将该中间信号转换为数字信号。数字基带处理器被配置成从模拟数字转换器接收数字信号并且以指定采样速率处理该数字信号。更具体地，该基带处理器包括：链路质量模块，该链路质量模块确定指示通过其接收RF模拟信号的数据链路的质量的量度并且将指定采样速率设定为与数据链路质量反相关的值；以及解码器，该解码器以指定采样速率对数字信号进行采样并且输出从数字信号得到的数据位序列。根据本文提供的描述另外的应用领域将是明显的。本概述中的描述和具体示例仅仅旨在于说明的目的，而非在于限制本公开的范围。附图说明本文中描述的附图仅用于说明所选实施方案而非所有可能实现方式，并且不旨在于限制本公开的范围。图1是示出通过通用无线电前端的信号传播的图；图2是示出LNA(低噪声放大器)中理论上的噪声系数相对于功率的折衷的曲线图；图3是示出65nmCMOS(互补金属氧化物半导体)中理论上的短沟道NFET(N沟道场效应晶体管)线性度相对于功率的折衷的曲线图；图4是图示提出的自适应采样技术的流程图；图5是进一步图示自适应采样技术的图；图6是描绘所仿真的码片错误率的概率的曲线图；图7是具有近阈值数字基带的2.4GHzO-QPSKDSSS接收器的系统框图；图8是示出闪速式(flash)ADC的ENOB(有效位数)的仿真Matlab模型的曲线图；图9是实现自适应信号处理的简化数字基带的框图；图10是示例RF前端电路的示意图；图11A-11D分别是驱动ADC电路的缓冲器、比较器电路、参考梯形电路和SR锁存器电路的示意图；图12A-12C是示出针对-40dBmRF输入信号，I通道上的传输的O-QPSK数据、PGA(可编程增益放大器)的输出端处的下变频后的基带信号和I通道的闪速式ADC输出的曲线图；图13A-13D分别是示出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于操作具有数字基带处理器的短程接收器的方法，所述方法包括：由所述接收器中的数字基带处理器通过无线网络的数据链路接收网络数据包；由所述数字基带处理器以给定采样速率对所述网络数据包的一部分进行采样；由所述数字基带处理器确定指示通过其接收所述网络数据包的所述数据链路的质量的量度；由所述数字基带处理器将所述网络数据包的给定采样速率降低至减小的统一采样速率或者减小的非统一采样速率，其中，减小的采样速率与所述数据链路的质量反相关地设定并且具有低于所述给定采样速率的值；以及由所述数字基带处理器以所述减小的采样速率处理所述网络数据包的剩余部分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.25 US 61/984,3161.一种用于操作具有数字基带处理器的短程接收器的方法，所述方法包括：由所述接收器中的数字基带处理器通过无线网络的数据链路接收网络数据包；由所述数字基带处理器以给定采样速率对所述网络数据包的一部分进行采样；由所述数字基带处理器确定指示通过其接收所述网络数据包的所述数据链路的质量的量度；由所述数字基带处理器将所述网络数据包的给定采样速率降低至减小的统一采样速率或者减小的非统一采样速率，其中，减小的采样速率与所述数据链路的质量反相关地设定并且具有低于所述给定采样速率的值；以及由所述数字基带处理器以所述减小的采样速率处理所述网络数据包的剩余部分。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述网络数据包的所述一部分进一步被定义为所述网络数据包的报头。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述给定采样速率被定义为奈奎斯特速率。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述量度选自信噪比、接收信号强度指标和链路质量指示。5.根据权利要求1所述的方法，其中，降低所述给定采样速率还包括：将所述量度与阈值进行比较；当所述量度在阈值以上时，将所述给定采样速率减小至所述减小的采样速率并且处理所述网络数据包的所述剩余部分；以及当所述量度在所述阈值以下时，以所述给定采样速率处理所述数据单元的所述剩余部分。6.根据权利要求1所述的方法，其中，降低所述给定采样速率还包括：在采样间隔的一段时间内禁用所述数字基带处理器。7.根据权利要求1所述的方法，其中，降低所述给定采样速率还包括：在采样间隔的一段时间内禁用所述接收器中的数字基带处理器、模拟数字转换器或其他有源电路中之一。8.根据权利要求1所述的方法，其中，降低所述给定采样速率还包括：根据能量水平对来自所述网络数据包的所述一部分的样本进行排序；选择具有最高能量水平的样本的子集，其中，所选择的样本的数目与所述减小的采样速率相关；以及根据所选择的样本的子集对所述网络数据包的所述剩余部分进行采样。9.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述接收器处接收另一网络数据包，并且针对所述另一网络数据包重复所述方法的步骤。10.根据权利要求1所述的方法，还包括：监测所述数据链路的质量，并且继续以所述减小的采样速率处理另外的网络数据包直到所述数据链路的质量改变为止。11.根据权利要求10所述的方法，还包括：检测所述数据链路的质量的改变，确定指示所述数据链路的质量的所述量度，以及将所述给定采样速率设定为与所述数据链路的质量反相关的值。12....

【专利技术属性】
技术研发人员：欧萨马·U·克汗，大卫·D·温茨洛夫，
申请(专利权)人：密执安州立大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US