專利名稱：使用占空比和斷電技術的喚醒接收機和喚醒方法
技術領域：
本發明一般涉及無線接收喚醒(wake-up)系統，并且更具體地，涉及用于使得 由無處不在傳感器網絡(USN ubiquitous sensor network)中的傳感器節點的射頻(RF)收
發機所消耗的功率最小化的喚醒接收機和喚醒方法。本發明源自由韓國信息通信部(MIC)和信息技術(IT)推進學院(IITA)的信息 技術研發(R&D)計劃所部分支持的研究項目[2005-S-106-03，Development of Sensor Tag and Sensor Node Technologies for RFID/USN]。本申請要求2007年12月18日在韓國知識產權局提交的韓國專利申請 No.10-2007-0133740的權益，其公開通過參考而全部合并于此。
背景技術：
隨著無線通信變得被更廣泛地使用，已經在各個領域部署了集成有線和無線技 術的網絡。相應地，已經提出了對用于高速度、低成本、和低功率無線通信的技術標準 的需求。為此，已經引入了各種喚醒接收機，其通過在大多數情況下關斷主收發機以及 僅僅當它執行通信時才接通主收發機，來減少功耗和延長電池壽命。圖1和圖2是傳統的喚醒接收機的電路圖。參考圖1，傳統的喚醒接收機包括薄膜體聲波諧振器(FBAR film bulk acoustic resonator)放大器100、包絡檢測器110、可編程增益放大器(PGA) 120、模數轉換器 (ADC) 130、和帶隙參考(BGR)裝置(140)。圖1中圖示的傳統的喚醒接收機通過利用 FBAR放大器100執行高阻抗轉換和利用低噪聲放大器(LNA)(未示出)執行RF信號的 放大，來將射頻(RF)信號傳遞到包絡檢測器110，以便獲得高接收靈敏度。然而，圖1 的傳統的喚醒接收機由于使用放大器而消耗很多功率，并且在遠程地點提供低接收靈敏 度。此外，由于使用專門元件，即FBAR放大器100，所以傳統的喚醒接收機難以實現 為片上系統(system-on-a-chip)。參考圖2，傳統的喚醒接收機被構建為2級。這兩級中的第一級包括檢測器 200、比較器210和定時器220，并且剩下的第二級包括LNA 230、檢測器240、和地址 解碼器250。在圖2的傳統的喚醒接收機的操作中，當感測到從傳送方傳遞的強突發信 號時，傳統的喚醒接收機依次操作第一級中的檢測器200、比較器210和定時器220以便 向第二級供電，并且將第二級切換到數據信號接收模式，其中經由LNA 230來接收所述 信號。一旦第一級將第二級切換到用于數據接收的模式，則第二級接收數據。盡管因為 由檢測器200、比較器210和定時器220組成的第一級沒有使用放大器、所以圖2中圖示 的喚醒接收機消耗少量功率，但是它對于強突發信號具有低接收靈敏度，并且由于使用2 個或更多檢測器而增加了芯片面積。此外，第一級中的檢測器200是包括多級零偏置肖 特基二極管的專門元件，并因此難以通過使用互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝進行 集成。
發明內容
技術問題技術方案本發明提供了一種喚醒接收機，其消耗低功率、在遠程距離處提供高接收靈敏 度、并不使用專門組件而基于互補金屬氧化物半導體(CMOS)實現為片上系統，本發明 還提供了一種在CMOS片上系統上實現喚醒接收機的方法。有益效果根據本發明的喚醒接收機可實現為基于CMOS的片上系統，因為沒有使用諸如 FBAR放大器或零偏置肖特基二極管的專門元件。此外，根據本發明的喚醒接收機借助于由占空比信號生成單元生成的占空比信 號而通常工作在突發信號檢測模式和數據信號檢測模式之中的突發信號檢測模式中，并 且當感測到具有等于或大于預定電平的功率的突發信號時、借助于從切換單元輸出的控 制信號而將它的模式改變到數據信號檢測模式。在所述數據信號檢測模式中，喚醒接收 機借助于喚醒處理單元來檢測有效的喚醒信號。所述喚醒接收機具有其中根據級來改變 操作模式的結構，使得喚醒接收機可在喚醒處理單元檢測到喚醒信號之后將它的操作模 式從數據信號檢測模式切換到突發信號檢測模式、或者通過使用切換單元的內部定時器 來將它的操作模式從從數據信號檢測模式切換到突發信號檢測模式，從而顯著地減少平 均功耗。此外，取決于由占空比信號生成單元所生成的占空比信號，僅僅在占空比信號 的預定周期中包括的預定時間段期間執行突發信號檢測模式，并且在預定周期的剩余時 間段期間中斷供電，從而減少用于突發信號的接收的時間。這導致實現低功率喚醒接收 機。另外，突發信號檢測單元和數據信號檢測單元共享放大單元、包絡檢測單元、 和解調單元，從而減少用于實現喚醒接收機的電路面積。另外，喚醒接收機通過在突發 信號檢測模式中使用放大器而可以在遠程距離處具有高接收靈敏度。
通過參考附圖來詳細描述本發明的實施例，本發明的以上和其它特征和優點將 變得更明顯，在附圖中圖1和2是傳統的喚醒接收機的電路圖；圖3圖示了根據本發明示范實施例的喚醒接收機的占空比信號和輸入信號的時 序圖；圖4是圖3中圖示的根據本發明示范實施例的喚醒接收機的電路圖；圖5是圖示了根據本發明示范實施例的用于喚醒主收發機的方法的流程圖；圖6A是當圖4中圖示的喚醒接收機操作在突發信號檢測模式中時、喚醒接收機 的電路圖；以及圖6B是當圖4中圖示的喚醒接收機操作在數據信號檢測模式中時、喚醒接收機 的電路圖。
具體實施例方式最佳模式根據本發明的一方面，提供了一種用于喚醒主收發機的喚醒接收機，該喚醒 接收機包括占空比信號生成單元，用于控制占空比信號的占空比；突發信號檢測單 元，用于基于占空比信號來接收包括突發信號和數據信號的輸入信號，對輸入信號進行 放大，并且如果所放大的輸入信號是突發信號，則輸出控制信號；以及數據信號檢測單 元，用于基于控制信號對所放大的輸入信號進行再放大，并且如果再放大的輸入信號是 數據信號，則輸出喚醒信號，其中，基于控制信號來中斷向占空比信號生成單元供應的 功率，并且基于喚醒信號來向占空比信號生成單元重新供應功率。所述突發信號檢測單元和所述數據信號檢測單元可共享檢測輸入信號的包絡以 便恢復數字信號的解調單元；以及所述突發信號或數據信號可基于解調單元的輸出來確 定。所述突發信號檢測單元可包括用于對輸入信號進行放大的第一放大單元，以及 所述數據信號檢測單元可包括用于對所放大的輸入信號進行再放大的第二放大單元。如果激活占空比信號，則可接收輸入信號中的突發信號。可僅僅在預置周期內的時間段期間激活所述占空比信號。如果激活控制信號，則可接收輸入信號中的數據信號。如果在輸出喚醒信號之后過去了預置時間段，則可停用控制信號并且可向占空 比信號生成單元重新供應功率。根據本發明的另一方面，提供了一種喚醒主收發機的方法，所述方法包括生 成占空比信號并控制占空比信號的占空比；基于占空比信號來接收包括突發信號和數據 信號的輸入信號，對輸入信號進行放大，并且如果所放大的輸入信號是突發信號，則輸 出控制信號；以及基于控制信號對所放大的輸入信號進行再放大，并且如果再放大的輸 入信號是數據信號，則輸出喚醒信號，其中，所述占空比信號的生成基于控制信號來中 斷，并且基于喚醒信號來執行。所述輸出控制信號的步驟和輸出喚醒信號的步驟可通過共享通過檢測輸入信號 的包絡并恢復數字信號來對輸入信號進行解調的步驟，以及所述突發信號或數據信號可 基于解調步驟的輸出來確定。所述輸出控制信號的步驟包括對輸入信號進行放大，以及所述輸出喚醒信號的 步驟可包括對所放大的輸入信號進行再放大。如果激活占空比信號，則可接收輸入信號中的突發信號。可僅僅在預置周期內的時間段期間激活所述占空比信號。如果激活控制信號，則可接收輸入信號中的數據信號。如果在輸出喚醒信號之后過去了預置時間段，則可停用控制信號，并且可重新 執行占空比信號的生成。發明模式為了全面理解本發明，在接下來的描述中陳述諸如具體電路、具體元件、和技 術之類的特定細節。接下來的描述和圖不能被理解為限制本發明，并且描述很多的特定細節以提供本發明的透徹理解。然而，在某些實例中，不描述公知的或傳統的細節，以 便沒有不必要地使本發明模糊。下文中，將通過參考
本發明的優選實施例來詳細描述本發明。圖中的 相同附圖標記指的是相同元件。這里，可交換的術語“接通(turn ση)”、“激活”、和“使能”意指供應功率 使得操作開始，而可交換的術語“斷開(turn off)”、“停用”、和“禁能”意指中斷功
率使得操作停止。圖3是示出了根據本發明示范實施例的喚醒接收機(見圖4)的占空比信號和輸 入信號之間的關系的時序圖。所述關系基于應用如下技術的結果，其中喚醒接收機僅僅 在存在于突發信號的單個周期內的至少一個預定時間段期間向第一放大單元402、包絡檢 測單元404、和解調單元405 (參見圖4)供應功率，并且在所述突發信號的單個周期的剩 余時間段期間中斷對第一放大單元402、包絡檢測單元404、和解調單元405供應功率。 喚醒接收機檢測輸入信號是否包括用于確定是否喚醒主收發機的數據(即，喚醒確定數 據)。根據由占空比信號生成單元400(見圖4)所生成的占空比信號來執行功率的供應和 中斷。將參考圖4來更詳細地描述喚醒接收機的這些組件。盡管按照周期重復圖3圖示 的時序圖，但是為了便于說明而在圖3中僅圖示了一個周期。參考圖3，通常為Ims但是 可改變的T指明了突發信號的周期。由占空比信號生成單元400生成的占空比信號以與 T相同的時間間隔來重復，但是它的有效時間段是tl，該tl小于T并且可改變。這樣， 可以僅僅在有效時間段tl期間接收突發信號，從而將電流消耗減少tl/T倍。圖4是根據本發明示范實施例的喚醒接收機的電路圖。參考圖4，喚醒接收機包括突發信號檢測單元410和數據信號檢測單元430。突 發信號檢測單元410包括第一放大單元402、包絡檢測單元404、解調單元405和切換單 元420。數據信號檢測單元430與突發信號檢測單元410共享第一放大單元402、包絡檢 測單元404、和解調單元405，并包括第二放大單元403、和喚醒處理單元406。假設典 型地斷開數據信號檢測單元430直到通過從切換單元420輸出的控制信號來接通它，并且 響應于由占空比信號生成單元400所生成的占空比信號，而僅僅在周期T內的有效時間段 tl期間向第一放大單元402、包絡檢測單元404和解調單元405供應功率，以便接收突發 信號，并且在周期T的剩余時間段期間中斷到第一放大單元402、包絡檢測單元404和解 調單元405的功率。在由喚醒接收機接收之前已經使用開/關鍵控(OOK)調制了喚醒接收機經由天 線(未示出)接收的射頻(RF)信號。如上所述，RF信號包含載波頻率。由于突發信 號和數據信號二者在通過包絡檢測單元404之前包含載波頻率，所以只要它們還沒有通 過包絡檢測單元404就將它們稱為RF信號。這里，突發信號是其中傳送方在傳送數據之 前、以大約Ims的周期和強功率進行傳送、以便向接收方通知要傳送數據的典型突發信 號。所述突發信號指的是這樣的信號，其中高功率載波信號的傳送突然開始而沒有信號 出現并持續Ims或更長。在無線通信系統中典型地使用OOK調制方案，以便僅傳遞信息“1”或“0”。 在碼分多址(CDMA) 2000IX系統的快速尋呼信道(QPCH)中，作為代表性OOK調制 方案，用于以時隙為單位向終端通知在尋呼時隙中是否包括尋呼信息的1比特尋呼指示符被OOK調制，并然后被傳送。這樣的QPCH用于通過防止不必要的尋呼信道解調來 減少終端的功耗。通常，盡管OOK調制方案在功率效率方面并不優于二進制相移鍵控 (BPSK)調制方案，但是OOK調制方案在系統容量方面有益，因為傳送“通(ON)”的 概率遠遠低于傳送“斷(OFF)”的概率、并且可以減少由于其它用戶導致的干擾。此 外，OOK調制方案可以減少由于其它用戶導致的干擾。由于這些原因，使用OOK調制 方案來形成本發明的最佳實施例。當第一放大單元402、包絡檢測單元404和解調單元405僅僅在處于周期T內的 有效時間段tl期間、通過由占空比信號生成單元400生成的占空比信號來接通時，第一 放大單元402對喚醒接收機經由天線接收的強突發信號進行低噪聲放大。包絡檢測單元 404檢測由第一放大單元402放大的突發信號作為包絡，并且通過解調單元405來比較由 包絡檢測單元404檢測的包絡和參考電壓。如果所述包絡大于參考電壓，則恢復原始數 字信號“1”。如果包絡小于參考電壓，則恢復原始數字信號“O”。通過檢測由解調單元405恢復的從“O”上升到“1”的數字信號，即通過數 字信號的上升沿，來感測有效突發信號的接收。這里，有效的突發信號意指除了經由天 線接收的RF信號的分量之中的噪聲之外的分量。所感測的突發信號激活切換單元420， 并因此切換單元420在比接收數據的數據接收時間段大的預定時間段β期間生成控制信 號。這里，數據接收時間段與喚醒處理單元406在其期間生成喚醒信號的時間段具有基 本上相同的含義。通常，切換單元420可包括定時器。從切換單元420輸出的控制信號 禁能占空比信號生成單元400，并向數據信號檢測單元430供應功率(直到切換單元420 斷開為止)。下文中，將更詳細地描述其中從切換單元420輸出的控制信號向數據信號檢測 單元430供應功率以便接通數據信號檢測單元430的處理。通過從切換單元420輸出的 控制信號來斷開占空比信號生成單元400。然后，從切換單元420輸出的控制信號而不是 由占空比信號生成單元400生成的占空比信號閉合開關SW1，從而向第一放大單元402、 包絡檢測單元404和解調單元405供應功率。同時，從切換單元420輸出的控制信號還 閉合連接到第二放大單元403和喚醒處理單元406的開關SW2和SW3，從而向第二放大 單元403和喚醒處理單元406供應功率VDD。從第一放大單元402連接到包絡檢測單元 404的開關SW4打開，以便第二放大單元403接收數據，從而在時間段t2期間接通包括 第一放大單元402、第二放大單元403、包絡檢測單元404和解調單元405的數據信號檢 測單元430。按照這種方式，通過從切換單元420輸出的控制信號來操作數據信號檢測單元 430。這樣，經由天線接收的數據信號被第一放大單元402和第二放大單元403放大，并 且包絡檢測單元404檢測所放大的信號作為包絡。解調單元405將所檢測的包絡與參考 電壓進行比較，并且作為比較結果，如果所檢測的包絡大于參考電壓，則將原始數字信 號恢復為“1”，而如果所檢測的包絡小于參考電壓，則將原始數字信號恢復為“0”。喚醒處理單元406通過確定所恢復的數字信號是否與預定的唯一喚醒標識(ID) 匹配來確定所接收的已恢復數字數據信號是否是噪聲，從而輸出喚醒信號。當輸出喚醒信號時，切換單元420的時間段t2(其大于其間生成喚醒信號的時間 段)期滿，并因此切換單元420斷開。當切換單元420斷開時，斷開已經通過從切換單元420輸出的控制信號而接通的數據信號檢測單元430。同時，使能占空比信號生成單 元400，以便控制開關SW1，開關SWl已經由從切換單元420輸出的控制信號控制。這 樣，向通過使用由占空比信號生成單元400生成的占空比信號而在周期T內的時間段tl期 間激活的第一放大單元402、包絡檢測單元404和解調單元405供應功率，并因此第一放 大單元402、包絡檢測單元404和解調單元405可再次接收突發信號。圖5是圖示了如上面參考圖4描述的喚醒方法的流程圖。參考圖5，在操作500中，喚醒接收機僅僅在如圖3中圖示的周期T中包括的有 效時間段tl期間經由天線接收突發信號。在操作510中，對所接收的突發信號進行放大，并且從所放大的突發信號檢測 包絡，并將該包絡與參考電壓進行比較。作為比較結果，如果所檢測的包絡大于參考電 壓，則將原始數字信號恢復為“1”，而如果所檢測的包絡小于參考電壓，則將原始數字 信號恢復為“0”。在操作510中，通過檢測從“0”上升到“1”的所重構的原始信號 來感測有效突發信號的接收。在操作520中，一旦感測到突發信號，喚醒數據就經由天線來接收并被放大， 并且從所放大的數據中檢測包絡，并將包絡與參考電壓進行比較。作為比較結果，如果 所檢測的包絡大于參考電壓，則將原始數字信號重構為“1”，而如果所檢測的包絡小于 參考電壓，則將原始數字信號重構為“0”。在操作520中，確定所重構的原始數字信號 是否與預定的唯一喚醒ID匹配，從而生成喚醒信號。在操作530中，在時間段t2期滿之后，所述方法返回到操作500。圖6A是操作在突發信號檢測模式中的圖4中圖示的喚醒接收機的電路圖，而圖 6B是操作在數據信號檢測模式中的圖4中圖示的喚醒接收機的電路圖。在圖6A和圖6B 中，相同的附圖標記指的是相同的元件。現在將參考圖6A描述處于突發信號檢測模式中的圖4的喚醒接收機的操作。參 考圖6A，當僅僅在周期T內的時間段tl期間、通過由占空比信號生成單元400所生成的 占空比信號來接通第一放大單元402、包絡檢測單元404和解調單元405時，第一放大單 元402對經由天線(未示出)接收并輸入到喚醒接收機的強突發信號進行低噪聲放大。包 絡檢測單元404檢測由第一放大單元402放大的突發信號作為包絡，并且解調單元405將 包絡檢測單元404所檢測的包絡與參考電壓進行比較。如果所述包絡大于參考電壓，則 將原始數字信號重構為“1”。如果所述包絡小于參考電壓，則將原始數字信號重構為
“0”。通過檢測由解調單元405重構的從“0”上升到“1”的數字信號，即通過數字 信號的上升沿，來感測有效突發信號的接收。所感測的突發信號激活切換單元420，并因 此切換單元420在時間段t2期間生成控制信號。換言之，切換單元420使能數據信號檢 測模式信號。現在將參考圖6B描述處于數據信號檢測模式中的圖4的喚醒接收機的操作。參 考圖6B，如上所述，通過從切換單元420輸出的控制信號來操作數據信號檢測單元430。 這樣，經由天線接收的數據信號被第一放大單元402和第二放大單元403放大，并且所放 大的數據信號被檢測作為包絡。解調單元405將包絡檢測單元404所檢測的包絡與參考 電壓進行比較。如果所述包絡大于參考電壓，則將原始數字信號重構為“1”。如果所 述包絡小于參考電壓，則將原始數字信號重構為“0”。喚醒處理單元406確定所重構的數字信號是否與預定的唯一喚醒ID匹配，從而輸出喚醒信號。本發明可實施為計算機可讀記錄介質上的計算機可讀代碼。所述計算機可讀記 錄介質是可存儲其后可由計算機系統讀取的數據的任何數據存儲裝置。計算機可讀記 錄介質的示例包括只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、CD-ROM、磁帶、軟 盤、光學數據存儲裝置、和載波。計算機可讀記錄介質還可分布在耦接計算機系統的網 絡上，從而以分散的方式來存儲和執行計算機可讀代碼。此外，本領域的普通程序員還 可以容易地構思用于實現本發明的功能程序、代碼和代碼段。盡管已經參考本發明的實施例而具體示出和描述了本發明，但是本領域的普通 技術人員將理解，可以在其中進行形式和細節上的各種改變，而不脫離由接下來的權利 要求所限定的本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種用于喚醒主收發機的喚醒接收機，該喚醒接收機包括 占空比信號生成單元，用于控制占空比信號的占空比；突發信號檢測單元，用于基于占空比信號來接收包括突發信號和數據信號的輸入 信號，對輸入信號進行放大，并且，如果所放大的輸入信號是突發信號，則輸出控制信 號；以及數據信號檢測單元，用于基于控制信號對所放大的輸入信號進行再放大，并且，如 果再放大的輸入信號是數據信號，則輸出喚醒信號，其中，基于該控制信號來中斷向該占空比信號生成單元供應的功率，并且基于喚醒 信號來向該占空比信號生成單元重新供應功率。
2.根據權利要求1的喚醒接收機，其中所述突發信號檢測單元和所述數據信號檢測單 元共享檢測輸入信號的包絡以便恢復數字信號的解調單元；以及其中所述突發信號或數據信號是基于該解調單元的輸出來確定的。
3.根據權利要求1的喚醒接收機，其中所述突發信號檢測單元包括用于對輸入信號進 行放大的第一放大單元，以及其中所述數據信號檢測單元包括用于對所放大的輸入信號進行再放大的第二放大單兀。
4.根據權利要求1的喚醒接收機，其中，如果激活該占空比信號，則接收輸入信號中 的突發信號。
5.根據權利要求4的喚醒接收機，其中僅僅在預置周期內的時間段期間激活所述占空 比信號。
6.根據權利要求1的喚醒接收機，其中，如果激活該控制信號，則接收輸入信號中的數據信號。
7.根據權利要求1的喚醒接收機，其中，如果在輸出喚醒信號之后過去預置時間段， 則停用控制信號并且將功率重新供應到該占空比信號生成單元。
8.—種喚醒主收發機的方法，所述方法包括 生成占空比信號并控制占空比信號的占空比；基于該占空比信號來接收包括突發信號和數據信號的輸入信號，對該輸入信號進行 放大，并且如果所放大的輸入信號是突發信號，則輸出控制信號；以及基于該控制信號對所放大的輸入信號進行再放大，并且如果再放大的輸入信號是數 據信號，則輸出喚醒信號，其中，所述占空比信號的生成基于該控制信號來中斷，并且基于該喚醒信號來執行。
9.根據權利要求8的方法，其中輸出控制信號的步驟和輸出喚醒信號的步驟共享通過 檢測輸入信號的包絡并恢復數字信號來對輸入信號進行解調的步驟，以及其中所述突發信號或數據信號是基于該解調步驟的輸出來確定的。
10.根據權利要求8的方法，其中所述輸出控制信號的步驟包括對輸入信號進行放 大，以及其中所述輸出喚醒信號的步驟包括對所放大的輸入信號進行再放大。
11.根據權利要求8的方法，其中，如果激活該占空比信號，則接收該輸入信號中的突發信號。
12.根據權利要求11的方法，其中僅僅在預置周期內的時間段期間激活所述占空比信號。
13.根據權利要求8的方法，其中，如果激活該控制信號，則接收該輸入信號中的數據信號。
14.根據權利要求8的方法，其中，如果在輸出喚醒信號之后過去了預置時間段，則 停用控制信號，并且重新執行占空比信號的生成。
全文摘要
提供了一種對電波敏感的低功率喚醒接收機，通過該喚醒接收機使得無處不在傳感器網絡(USN)中的傳感器節點的射頻(RF)收發機所消耗的功率最小化。用于喚醒主收發機的喚醒接收機包括占空比信號生成單元，用于控制占空比信號的占空比；突發信號檢測單元，用于基于占空比信號來接收包括突發信號和數據信號的輸入信號，對輸入信號進行放大，并且如果所放大的輸入信號是突發信號，則輸出控制信號；以及數據信號檢測單元，用于基于控制信號對所放大的輸入信號進行再放大，并且如果再放大的輸入信號是數據信號，則輸出喚醒信號。基于控制信號來中斷向占空比信號生成單元供應的功率，并且基于喚醒信號來向占空比信號生成單元重新供應功率。
文檔編號H04B5/00GK102017435SQ200880126838
公開日2011年4月13日 申請日期2008年12月3日 優先權日2007年12月18日
發明者于曉華, 姜鎬龍, 尹大榮, 李相國, 特朗格·K·古延, 表喆植, 金智恩, 金來洙, 韓錫均 申請人:韓國電子通信研究院, 韓國科學技術院