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Low-power Direct-detection Wake-up Receiver at 2.44 GHz for Wireless Sensor Networks : = Direkt-detektierenden Wake-up-Empfänger mit geringer Leistungsaufnahme bei 2,44 GHz für drahtlose Sensornetzwerke
Paderborn : Heinz Nixdorf Institut, Universität Paderborn
Erscheinungsjahr
[2024]
Verknüpfte Titel
Beschreibungen/Notizen
Tag der Verteidigung: 14.11.2023
ger: In dieser Arbeit wird der Entwurf, die Implementierung und die messtechnische Charakterisierung eines direkt-detektierenden Wake-up-Empfängers (engl. wake-up receiver, WuRx) bei 2,44GHz auf Basis eines Surface-Acoustic-Wave (SAW) Korrelators untersucht. Die Wahl einer Direktdetektionsarchitektur für Hochfrequenz (HF)-Funkgeräte erfolgt durch die Bedingung einer geringen Leistungsaufnahme. Allerdings leidet diese Architektur unter einer hohen Empfindlichkeit für Ko-Kanal-Interferenz, was die Kommunikationsleistung und -zuverlässigkeit des Systems verringern. Um die Empfängerempfindlichkeit zu verbessern, wird die Bandbreite des Basisbands durch einen innovativen Schmalband Korrelator (engl. narrow band correlator, NBC) in Verbindung mit Pulse-Position-Modulation (PPM) reduziert, was eine skalierbare Empfängerempfindlichkeit gegenüber der Datenrate ermöglicht. Um die Robustheit gegenüber Gleichkanalstörungen zu verbessern, verwendet die Empfängerarchitektur einen 2,44GHz Barker-Korrelator mit 13 Bits und einen mit binärer Phasenumtastung (BPSK) kodierten SAW-Korrelator, der auf einem Lithium-Niobat (LiNbO3)-Substrat hergestellt wird. Er fungiert als passive Detektionsstufe für das RF-Eingangssignal und bietet einen Mechanismus zur Unterdrückung von Störsignalen. Der Empfänger wurde in TSMC65nm CMOS-Technologie entwickelt und erreicht eine Leistungaufnahme von nur 142W bei einer Versorgungsspannung von 1,2V sowie eine Empfängersensitivität von -44dBm bei einer Datenrate von 2Mbps bzw. -50dBm bei einer Datenrate 600kbps. Der WuRx kann in drahtlosen Sensornetzwerken (engl. wireless sensor networks, WSNs) eingesetzt werden, um die Leistungsaufnahme von Netzwerkknoten zu reduzieren und ihre Lebensdauer zu verlängern. WSN-Knoten werden häufig energetisch von Batterien versorgt, was die Leistungsaufnahme zur ...
eng: This work demonstrates the design, implementations and measurements of a 2.44 GHz direct-detection Wake-up Receiver (WuRx) based on Surface Acoustic Wave (SAW) correlator. The choice of direct-detection architecture for Radio Frequency (RF) radios allows for low-power dissipation. However, it suffers from high sensitivity to co-channel interference and poor receiver sensitivity, which reduce the communication performance and reliability. To improve the receiver sensitivity, the baseband bandwidth is reduced by means of an innovative Narrowband Correlator (NBC) in conjunction with Pulse Position Modulation (PPM) communication scheme, which allows for scalable receiver sensitivity versus data-rate. Additionally, to improve co-channel interference robustness, the receiver architecture uses 2.44 GHz 13-bits Binary-phase Shift Keying (BPSK) Barker-coded SAW correlator, which is fabricated on Lithium Niobate (LiNbO3) substrate. It functions as a passive detection stage to the input RF signal and provides a mechanism for interferer suppression. The receiver is designed in CMOS TSMC65nm technology and achieves a power dissipation of 142W from a 1.2V supply source, and a receiver sensitivity of -44dBm and -50dBm at a data-rate of 2Mbps and 600kbps respectively. The WuRx can be used in Wireless Sensor Networks (WSNs) to reduce the power dissipation of nodes and extend their operating lifetime. WSN nodes are often powered by batteries, which makes the power dissipation the major challenge in the design of WSN. If each WSN node contains an integrated WuRx, which is always-on and listening for a wake-up signal from other nodes or the base station, the communication scheme becomes asynchronous, real-time and on-demand. Additionally, the WuRx with improved co-channel interference robustness reduces false positive wake-up signals to the WSN nodes, and provides a reliable ...