With the rapid growth of the internet of things (IoT) market, our lives are becoming more convenient through monitoring, sensing, sharing and utilizing the information in applications such as healthcare, smart factories, home automation, and autonomous navigation. Considering the IoT concept that different devices are interconnected at various locations for various application groups, the performance of a wireless receiver is one of the most significant features of the efficient IoT network. The main three key performance of receiver are the following: low-power operation, high sensitivity, and multi-channel operation with robustness to interference.
Although ultra-low power (ULP) receivers have been proposed previously, most ULP receivers either show relatively low sensitivity and single-channel operation at the cost of low-power implementation, or consume high power in exchange for high sensitivity and multi-channel operation.
This dissertation proposes a 2.4 GHz, high sensitivity and interference-resistant, multi-channel ultra-low power receiver for long-distance IoT applications. A hybrid complex poly-phase filter is used to convert an input frequency-shift keying (FSK) signal into an on-off keying (OOK) signal with amplitude information to combine the advantages of OOK and FSK modulations. The sliding-IF architecture is adopted to achieve the multi-channel operation with low-power consumption. For ultra-low power implementation, the low-power mixers are devised for the low-power down-conversion. Furthermore, narrow band filtering and strong immunity against interfere are achieved by two series-connected N-path filters and a fourth-order hybrid complex poly-phase filter respectively. Implemented in a 65 nm CMOS, the receiver achieves a -102 dBm of sensitivity at 0.1% bit error rate and less than -50 dB of carrier-to-interferer ratio at 5 MHz offset while consuming 466 μW from a 0.6 V supply.
사물 인터넷의 급격한 성장으로 의료, 스마트 공장, 스마트 홈 및 자율주행 등과 같은 응용분야에서 서로의 정보를 모니터링, 감지, 공유 및 활용하는 것이 가능해져 우리의 삶이 보다 편리해 지고 있다. 사물 인터넷의 요점은 여러 응용분야를 다양한 장치 및 위치에서 서로 상호 연결한다는 것인데, 이를 고려한 효율적인 사물 인터넷 네트워크 형성을 위해서는 무선 수신기가 주요한 요소 중에 하나이며 무선 수신기가 갖추어야 할 주요 핵심 성능은 저전력 구동, 높은 수신 감도 및 간섭 신호에 강한 다중 채널 동작이다.
초저전력 수신기에 대한 연구는 오래전부터 이루어졌지만, 기존의 제안된 초저전력 수신기들은 대부분 낮은 전력소모를 위해 상대적으로 낮은 수신감도 및 단일 채널 동작의 한정된 성능을 가지거나 높은 수신감도 및 다중 채널 동작의 고성능을 위해 상대적으로 높은 전력 소모를 필요로 한다.
본 논문에서는 장거리 사물 인터넷 응용분야용으로 2.4GHz 대역에서 동작하면서 높은 수신 감도, 인접 채널에 강한 특성 및 다중 채널은 지원하는 초저전력 수신기를 제안한다. 하이브리드 폴리페이즈 필터를 사용하여 입력으로 들어오는 주파수 편이 변조 (FSK) 신호를 진폭 크기의 정보를 가지는 온-오프 변조 (OOK) 신호로 변환하였으며 이러한 특성은 FSK와 OOK의 장점들만 이용할 수 있게 해준다. 낮은 전력 소모로 다중 채널 기능을 구현하기 위해 슬라이딩-IF 구조가 사용되었으며 이와 함께, 저전력 주파수 하향 변환을 위해 저전력 혼합기가 제시 되었다. 추가적으로, 협 대혁 필터링 및 인접 신호에 강한 특성을 위해 두개가 직렬 연결된 N-path 필터 및 하이브리드 폴리페이즈 필터가 각각 사용되었다. 65nm CMOS 공정에서 제작되었으며, 수신기는 0.1% BER 기준으로 -102 dBm의 높은 수신 감도 및 5 MHz offset에서 -50 dB 이하의 높은 간섭 신호 제거 특성을 가지면서 전력 소모는 0.6 V 공급 전원을 기준으로 오직 466 μW 만을 소모한다.
