《Ultra Low Power Transceiver for Wireless Body Area Networks（用于无线体域网的超低功耗收发器设计）》内容介绍
日期：2021-08-09
无线身体区域网络(WBANs)有望促进慢性疾病患者和老年人口动态健康监测的新应用，旨在提高他们的生活质量和独立性。这些网络由无线传感器节点组成，这些传感器节点测量生理变量并将其发送到患者的智能手机，这些智能手机可能作为通往远程医疗援助服务的网关。这种传感器节点的一个关键元素是无线收发器，因为它通常主导着传感器节点整体功率预算。因此，为了提供高度的能量自主性，需要具有超低功耗的无线收发器。在这本书中，提出了一个收发器的架构和实现，它针对如此高功率受限的应用程序，并采用了蓝牙低能量标准。
在架构层面上，本书确定了四种主要的设计策略来获得超低的功耗。首先，选择一个直接转换的接收器架构，因为它放宽了对本地振荡器（PLL）的要求，并允许使用一个低功率的基带部分。其次，必须将有功射频(RF)模块的数量最小化，以便最终得到尽可能少的由耗电电路驱动的射频节点。第三，其余的射频节点必须以高阻抗电平来实现，这导致驱动级模块中所需的跨导率（transconductance）较低，从而降低了功耗。最后，需要一种低复杂度解调方案避免采用正交多bits位数字转换器(ADCs)的解调方案。由此本书提出的收发器架构（Transceiver ）采用了无源接收器前端架构和天线接口上的变压器来提高内部射频阻抗。载波频率由正交电压控制振荡器(QVCO)产生，该振荡器被直接调制以合成传输所需的信号。在基带部分中，所提出的收发器采用了一个相域ADC(Ph-ADC，phase-domain ADC)，它只需要4个bits位的分辨率就可以解调接收到的信号。
为了进一步提高无线传感器节点的能量自主性，本书还研究了包含具有所述收发器（Transceiver ）前端的射频能量收集器的可能性。一个需要解决的基本问题是使用同一天线时能量收集器与信息收发器（Transceiver ）解耦。在提出的架构中，能量收集器用一个射频开关来与信息收发器（Transceiver ）解耦。这个开关可以被动地（passively）打开，即仅使用传入的射频功率。这种方法之所以突出，是因为它的收发器性能下降率低，而且占用面积小，因此实现成本低。
在电路层面上，本书的主要贡献是(a)一个无源消除网络，以减少QVCO的磁耦合引起的QVCO正交误差，(b)一个简单的4晶体管单元，直接调制上一个步骤中的QVCO电容tank，已被验证在工业温度范围内足够稳定，(c)一个新的电流域线性组合器，为4位Ph-ADC提供相位信号，允许节约芯片面积和节能实现，以及(d)可以在使用一个启动整流器（start-up rectifier）在没有外部电源的情况下打开的射频开关。
所提出的收发器采用130nm CMOS技术实现，使用四个集成步骤，逐步与能量收集器和信息收发器完成集成。在接收模式下，测量的1.1mW的功耗，展现了目前最先进的设计水平，因为它是报告的窄带收发器在
2.4GHzISM波段的最低功耗设计之一，符合典型的WBAN标准。由于灵敏度为-81.4dbm，接收器还实现了具有竞争力的性能，为短程数据链路提供了足够的链路预算。在传输模式下的性能方面，正常模式和后退模式下功耗分别为5.9mW和2.9mW，分别是到目前为止报道的窄带发射机的最低模式之一。然而，由于内部射频阻抗的增加，总发射机效率显著提高了24.5%。能量收集器达到了15.9%的良好峰值效率，并能够逐步为有源WLAN路由器发出的脉冲输入信号充电，预期覆盖距离可达约30厘米。测量结果还验证了由于与能量收集器共享同一天线接口而导致的收发器的性能退化小于0.5dB。
综上所述，提出了一种应用于WBAN的超低功耗收发器架构，在各个方面取得了技术进展，并通过实验验证。并展示了该架构与能量采集技术的兼容性，为提高无线传感器节点的能量自主性提供了一种可能性。
这本书的组织结构如下。在一个介绍性的介绍之后, 第二章回顾了最先进的无线低功率收发器。然后，第三章提出了降低功耗的四种主要策略；第四章详细描述了所提议的收发器的设计。第五章显示了能量收集器的共整合，最后第六章总结了这本书籍。
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