2024年4月13日发(作者：信安怡)
用于物联网通信的低功耗唤醒接收机设计
孟凡振;刘宏;汪明亮;林水样;田彤
【摘 要】A wake-up receiver with high energy efficiency and low power
consumption is proposed for solving the power consuming problems of wireless
nodes communication in the Internet of proposed wake-up receiver
based on the wake-up mechanism can effectively schedule the network nodes
communication, and use the simple envelope detection structure to achieve
frequency down-conversion, which can flexibly manage energy and reduce power
on UMC 65nm CMOS process technology, the wake-up
receiver is designed and results show that it can achieve S11 of-
21dBm and a sensitivity of-75dBm at a data rate of 1Mb/s, when operating at the
central frequency of 780MHz and input signal adopting an on-off keying (OOK)
modulation, and the power consumption is 82μW at 1.2V voltage supply.%为了解
决物联网无线节点通信的功耗问题,设计了一种高能量效率和低功率消耗的唤醒接收机.该
唤醒接收机基于唤醒机制有效地调度网络节点通信,并利用简单的包络检波架构进行频率
变换,从而能够灵活地管理能量和降低功耗.该唤醒接收机基于65nm CMOS工艺进行仿真
设计.仿真结果表明,当射频中心频率为780MHz和输入信号采用开关键控调制方式,该接
收机可以实现输入匹配参数S11为-21dB,灵敏度在数据率1Mb/s下为-76dBm,并且在
1.2V供电电压下,功耗消耗为76μW.
【期刊名称】《西安电子科技大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(044)002
【总页数】6页(P95-100)
【关键词】低功耗;唤醒接收机;物联网;包络检波器;无线通信
【作 者】孟凡振;刘宏;汪明亮;林水样;田彤
【作者单位】中国科学院 上海微系统与信息技术研究所,上海 201801;中国科学院大
学 电子电气与通信工程学院,北京 100049;中国科学院 上海微系统与信息技术研究所,上海
201801;中国科学院 上海微系统与信息技术研究所,上海 201801;中国科学院 上海微系统
与信息技术研究所,上海 201801;中国科学院 上海微系统与信息技术研究所,上海 201801;
中国科学院大学 电子电气与通信工程学院,北京 100049
【正文语种】中 文
【中图分类】TN851
近年来，物与物相互联的物联网(Internet of Things，IoT)技术掀起一场信息技术革
命．它具有识别、监控和管理信息等功能，广泛应用于经济生活以及国家安全的方方面
面．针对物联网节点比较密集、覆盖范围比较广、环境比较复杂等情况，无线节点通信设
备需要满足以下几点: 小尺寸; )低成本; 低功耗[1-3]．随着新材料和技术的不断出现，比
如微电子机械系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)，互补金属氧化物半导
体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor transistor，CMOS)工艺等，物联网
无线节点低成本和小尺寸要求能够得到实现．而物联网无线节点通信设备大多数使用电池
供电，如果这些设备长期工作(大约10年)，频繁更换电池将带来困难，因而低功耗问题
越来越成为物联网大规模应用的瓶颈[4]．研究表明，在物联网节点无线通信中，无线节
点之间的通信消耗大量的功耗，因此解决节点通信的功耗问题成为研究的关键[5]．
通常，用于物联网无线节点通信的收发机一直处于工作状态便于快速精确传送信号，
而物联网无线节点大部分时间无数据通信，导致无线收发机浪费大量的能量．为了提高通
信效率降低功耗，节点通信的无线收发机使用一种高能量效率的唤醒技术[6-7]，如图1
所示．在无线节点之间无数据传送的情况下，该唤醒技术可以使主接收机处于休眠状
态．一旦节点之间进行通信，唤醒机制将激活休眠中的接收机工作，这样可以显著地减少
节点之间的通信功耗，从而延长节点设备电池的寿命．基于唤醒技术的唤醒接收机(Wake
up the Receiver，WuRx)持续地监听来自其他节点的传送信息，当节点之间需要通信时，
将会产生一个唤醒信号并激活主接收机完成数据传送[6]．鉴于唤醒接收机一直处于监听
状态，无线唤醒接收机需要实现能量效率最大化，其功耗要求小于 100 μW[7]．因此，
用于物联网无线节点通信的低功耗唤醒接收机设计尤为重要．
目前，各种各样的接收机架构逐渐增多，比如超外差式、低中频和零中频等[8-10]，
但这些架构都需要高耗能模块，如本地振荡器、射频锁相环和混频器等，其结构复杂度和
高功耗无法满足物联网无线节点通信的要求．随着低功耗技术深入研究，一些低功耗接收
机，如简单的包络检波架构，能够有效地避免高耗能模块的使用，从而大大地降低了功耗
[11-14]．但是，这些架构大多数采用不利于集成的片外高Q滤波器和复杂的调试方
式．例如，文献[13]中提出的唤醒接收机在 0.5 V 供电情况下总功耗为 52 μW，在数据
速率为 100 kb/s 下其灵敏度为 -72 dBm， 但其使用环形振荡器和射频MEMS高Q滤
波器，难以实现系统集成．
一般而言，调制方式越复杂，功率消耗也越大．针对物联网无线节点之间通信低数据
率和窄带宽的特点，一些简单的调制方式比如开关键控(On-Off Keying，OOK)调制方式
更合适．同时，采样无源结构放大和变频的唤醒接收机能够进一步降低系统功耗．例如，
文献[15]中唤醒接收机通过简单无源采样保持电路进行前端放大变频，监听状态时实现灵
敏度为 -78.5 dBm，功率消耗为 16.4 μW，而识别传送数据状态时其灵敏度为 -75.0
dBm，功率消耗为 22.9 μW．但是，这种架构的唤醒接收机在无源采样保持电路变频中
产生大量的谐波和非线性效应，严重地影响了系统的噪声系数．并且唤醒接收机需要高增
益的有源放大，从而获得较高的灵敏度，以便适应物联网复杂的环境．因此，综合考虑接
收机的指标如灵敏度、数据率、集成度和功率消耗等，笔者提出了一种全集成的用于物联
网无线节点通信的超低功耗唤醒接收机，基于包络检波结构并利用持续监控网络节点通信
的唤醒技术，对传送简单的OOK调制方式信号进行判决，从而激活主接收机，完成数据
传送，大大地降低系统功率消耗．
文中提出的包络检波架构唤醒接收机如图2所示．该接收机主要包括输入匹配网络、
低噪声放大器、包络检波器、限幅放大器、双转单变换器、积分器、比较器和触发器
等．当物联网无线节点之间需要进行通信时，唤醒接收机从天线接收其他节点的传送信号，
利用低噪声放大器(Low Noise Amplifie，LNA)放大射频输入信号，然后经包络检测器
(Envelop Detector，ED)检波变频并进一步将单端信号转为差分信号输出，避免了本地
振荡器和射频锁相环的使用．接着采用差分限幅放大器进一步放大信号以便于后续信号处
理．然后，由双(端)转单(端)转换器(Double side turn to Single-ended Conversion，
DSC)将差分信号转变为单端信号，并使用简单降低系统噪声的无源积分器把信号进行积
分．当积分器的输出电压高于比较器的参考电压时，将会产生一个高电平电压经触发器保
持并激活主接收机完成数据传输．按照国际IEEE802.15.4C标准规定，中国用于物联网无
线传感网络免费频带范围为 779～ 787 MHz．为了尽可能地分析物联网无线节点通信系
统，唤醒接收机载频为 780 MHz，数据速率为 1 Mb/s ，采用OOK调制方式，最小输
出信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)大约为 13 dB．为了更加详细地分析系统性能，
包络检波结构的唤醒接收机总噪声因子可以表示为[5]
其中，FLNA和ALNA分别是低噪声放大器的噪声因子和增益，AED和NED分别是
包络检波器的变频增益和输出噪声，Nself，RF代表射频前端噪声的自混频噪声，Nin代
表来自源电阻的噪声．该接收机的灵敏度可表示为
其中，NFTOT为总的噪声系数，WBdet为信号带宽，RSNmin为最小检测信噪
比．从式(2)可知，当信号带宽保持在 2 MHz 以下，以及最小检测信噪比RSNmin为 13
dB 情况下，输入灵敏度Pin，min为 -80 dBm， NFTOT≈ 18 dB．考虑到系统损耗和干
扰，一般噪声系数NFTOT需要留出 4～ 5 dB 的余量．
2.1 低噪声放大器结构
LNA位于唤醒接收机的最前端，是接收机中第一个模块，其增益、噪声和功耗直接
影响整个接收机的性能，具有重要的作用．研究表明，LNA消耗整体接收机一多半功耗，
如图3所示．因此，为了降低整个接收机的功耗，LNA低功耗设计尤为关键．
低噪声放大器采用简单共源共栅级联结构，主要包括金属氧化物半导体(Metal Oxide
Semiconductor，MOS)M1和M2，用于实现高增益、低噪声以及高灵敏度．该低噪声
放大器控制M1偏置电压工作在亚阈值区，减少了电流消耗，从而降低了整个放大器功
耗．与其他无源放大器相比，该低噪声放大器能够在保证能量消耗的同时获得较好的噪声
系数和灵敏度．并且，低噪声放大器与天线之间进行阻抗匹配可以有效地进行信号传输以
及避免反射干扰．一般地，输入匹配网络采用片外复杂的滤波器实现，如表面声波
(Surface Acoustic Wave，SAW)谐振器或薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic
Resonator，FBAR)等．虽然这些片外滤波器能够具有较高的性能，但却显著地增加了面
积和成本．因此，该低噪声放大器采用LC结构实现输入匹配，这样就大大地简化了结构，
降低了成本．其中，电容C2和电感L1形成了LC匹配网络，电容C3和电感L2形成了
选频网络，如图4所示．根据共源共栅级联结构的性质，忽略M2噪声特性情况下，该低
噪声放大器增益ALNA和M1管噪声因子F1分别表示为
其中，跨导gm表示M1的跨导，电阻Rd表示输出电阻，γ、δ、c是工艺参数，
w0表示匹配网络的谐振频率，wT表示管子的截止频率．从式(2)和式(4)可以看出，低噪
声放大器增益主要由MOS管跨导和输出电阻决定，噪声系数主要由谐振频率和截止频率
决定．
2.2 包络检波器结构
与其他接收机解调原理不同，包络检波结构唤醒接收机利用包络检波原理将输入射频
交流信号的幅度检波成直流信号输出．一般地，包络检波器起到信号整流的作用，常用结
构有Schottky二极管和MOS晶体管．而MOS晶体管相对Schottky二极管容易集成，
因此，唤醒接收机采用MOS管进行检波解调信号．包络检波器主要利用工作在亚阈值区
MOS晶体管非线性特性进行解调，其原理图如图5(a)所示，主要由MOS管M3，电阻
R1，电容C4和C5构成．其中，电容C5和电阻R1形成低通滤波器滤除MOS管包络检
波过程中产生的高频信号．由于差分结构具有良好的共模噪声抑制比，设计采用MOS管
M4～M6，电阻R2～R5，以及电容C6构成一个单端转双端转换器．其中，电流源Idc
提供偏置电流，保证MOS晶体管工作在亚阈值区，单端输出Vdet通过电阻R5和电容
C6来消除直流电平，并经差分对管M5、M6转换为差分信号以有效地消除高频干扰信
号．与混频器变频方式不同，包络检波器利用MOS管非线性原理实现变频，其输出电压
可表示为
其中，Vg、Vt和n分别表示交流输入信号的幅度、亚阈值斜率因子和热电压 ．为了
实现良好包络检波变频和低功耗的要求，包络检波器滤波的截止频率需要在传输数据率和
载波频率之间进行折中．
2.3 限幅放大器和其他模块
为了提高系统灵敏度以及尽可能地降低功耗，限幅放大器采用三级简单差分放大结构，
其中差分放大结构如图5(b)所示．同时，限幅放大器采用RC电路组成反馈网络滤除低频
分量(截止频率大约为 20 kHz) ，避免直流分量造成影响．为了更加方便后续的信号解调
产生唤醒信号，设计采用双转单变换器将限幅放大器放大后的差分信号变成单端信号，并
经由积分器进行积分处理．积分器原理图如图5(c)所示，主要通过控制MOS管开关对信
号进行积分．然后唤醒接收机利用比较器与参考值进行比较来判决是否产生唤醒信号．为
了避免干扰信号误报并减少延迟时间，电压基准VREF显得尤为重要．因此，设计采用片
外提供参考基准可以根据信号变化灵活地调整参考值，同时又能减少基准源功耗．一般地，
当经过积分器的电压信号高于参考电压(大约 300 mV) 时，高灵敏比较器将产生一个唤醒
信号．另外，系统使用触发器保持唤醒信号并激活主接收机，当经过比较器的信号出现上
升沿时触发器输入端口D，将会产生一个高电平；下降沿时不会对触发器的输出产生影
响．然后主接收机开始进行数据传输，基带信号自带开始和结束控制码元控制信号传输时
间．一旦数据传输结束，主接收机复位进行休眠模式．而唤醒接收机激活主接收机后其输
出信号通过与非门变成复位信号，使得系统重新进入检测状态．因此，唤醒接收机一直处
于检测模式和识别模式切换状态，从而完成主接收机从休眠状态到工作状态再进入休眠状
态，这样大大地降低了节点通信之间的功耗．
笔者利用UMC 65 nm CMOS工艺设计一种用于物联网无线节点通信低功耗唤醒接
收机．该唤醒接收机利用简单包络检波结构实现检波变频，避免一些高功耗射频模块的使
用，从而简化了系统架构并降低了功耗．为了减少延迟时间和避免误报，唤醒接收机在
100 μs 以内实现积分并判决节点是否进行数据传送．如果信号积分值高于判决值，则唤
醒接收机发出唤醒信号以激活接收机进行工作．否则，视为干扰信号，唤醒接收机忽略响
应避免误报的发生．由于射频中心频率为 780 MHz，唤醒接收机输入匹配电感和电容比
较大(电感一般为 20 nH)，因此系统采用片外LC型匹配．与其他唤醒结构相比，唤醒接
收机整体版图如图6(a)所示，该唤醒接收机总版图面积为 0.55 mm× 0.45 mm (加上焊
盘(PADs)面积)．通过简化滤波网络避免了片内大电感以及片外难以集成的MEMS滤波器
的使用，并采用简单包络检波．该唤醒接收机极大地减少了芯片面积，节约了成本．
唤醒接收机在1.2 V电压供压下，总功耗为76 μW，其中射频前端包括低噪声放大
器和包络检波为 50 μW，占据整个接收机大部分功率消耗．该唤醒接收机射频前端在中
心频率为 780 MHz，实现S11约为 -21 dB，如图6(b)所示．唤醒接收机采用开关键控
OOK调制方式，射频载波信号为 780 MHz，输入信号幅度为 -76 dBm，在数据率为 1
Mb/s 下，整个唤醒接收机工作瞬态波形如图7所示．从上到下信号波形依次表示为开关
键控OOK信号、低噪放大器输出信号、包络检波器检波信号、积分器输出波形和激活输
出波形．从图中可以看出，当物联网节点之间需要无线通信时，该唤醒接收机在 75 μs 内
(小于 100 μs) 可以激活主接收机进行工作．虽然唤醒接收机产生唤醒信号存在短暂延迟
时间，但是能够大大节省主接收机功耗并降低了外界干扰信号产生误报情况的概率．与其
他类型的唤醒接收机性能进行对比，该接收机的性能如表1所示．从表1可以看出，唤
醒接收机在功耗方面具有一定优势．
笔者详细地分析和设计了一种用于物联网节点无线通信的唤醒接收机，该接收机利用
唤醒机制判断节点是否通信，从而使得主接收机能够高效率地工作，并有效地预防外界信
号的干扰．唤醒接收机采用包络检波结构将射频信号进行变频，避免了高耗能模块如本地
振荡器使用，大大地降低了系统的功耗．理论分析和仿真结果表明，提出的唤醒接收机具
有较低的功耗和较高的灵敏度优势，能够满足物联网节点之间通信的要求．此外，唤醒接
收机采用无源结构射频模块进一步降低功耗，同时使用高Q滤波技术和更先进的CMOS
工艺优化系统以满足更复杂的应用场合，比如无线传感网络、医疗监控和消费类健康电子
领域．
【相关文献】
[1] VENKATAPATHY A K R, ROIDL M, RIESNER A, et al. PhyNetLab:
Architecture Design of Ultra-low power Wireless Sensor Network Testbed
[C]//Proceedings of the WoWMoM 2015: A World of Wireless Mobile and
Multimedia Networks. Piscataway: IEEE, 2015: 1-6.
[2]LIN Z H, MAK P I, MARTINS R P. A Sub-GHz Multi-ISM-band ZigBee
Receiver Using Function-reuse and Gain-boosted N-path Techniques for IoT
Applications [J]. IEEE Journal of Solid-state Circuits, 2014, 49 (12): 2990-3004.
[3]张艺蒙, 张玉明, 张义门. 传感器网络应用的低功耗实时计数器 [J]. 西安电子科技大
学学报, 2015, 42(6): 66-70.
ZHANG Yimeng, ZHANG Yuming, ZHANG Yimen. Low Power Dissipation Real
Time Counter for Sensor Network Application [J]. Journal of Xidian University,
2015, 42 (6): 66-70.
[4]RABAEY J M, AMMER J, KARALAR T, et al. Pico Radios for Wireless Sensor
Networks: The Next Challenge in Ultra-low Power Design[C]//Digest of Technical
Papers of IEEE International Solid-State Circuit Conference: 1. Piscataway: IEEE,
2002: 200-201.
[5]DALY D C, CHANDRAKASAN A P. An Energy-efficient OOK Transceiver for
Wireless Sensor Networks [J]. IEEE Journal of Solid-state Circuits, 2007, 42
(5):1003-1010.
[6]YOON D Y, JEONG C J, CARTWRIGHT J, et al. A New Approach to Low-
power and Low-latency Wake-up Receiver System for Wireless Sensor Node [J].
IEEE Journal of Solid-state Circuits, 2012, 47 (10): 2405-2419.
[7]BAE J, YOO H J. A 45 μW Injection-locked FSK Wake-up Receiver with
Frequency-to-envelope Conversion for Crystal-less Wireless Body Area Network
[J]. IEEE Journal of Solid-state Circuits, 2015, 50 (6): 1351-1360.
[8]MADADI I, TOHIDIAN M, CORNELISSENS K, et al. A High IIP2 SAW-less
Superheterodyne Receiver with Multistage Harmonic Rejection [J]. IEEE Journal of
Solid-state Circuits, 2016, 51 (2): 332-347.[9]KITSUNEZUKA M, KUNIHIRO K. A 5～
9 mW, 0.2～2.5 GHz CMOS low-if Receiver for Spectrum-sensing Cognitive Radio
Sensor Networks [C]//Digest of Papers of IEEE Radio Frequency Integrated
Circuits Symposium. Piscataway: IEEE, 2013: 319-322.[10]齐增卫, 庄奕琪, 李小明, 等.
一种适用于超高频射频识别的温度传感器[J]. 西安电子科技大学学报, 2014, 41(6): 65-71.
QI Zengwei, ZHANG Yiqi, LI Xiaoming, et al. Temperature Monitor Suitable for
UHF RFID [J]. Journal of Xidian University, 2014, 41 (6): 65-71.
[11]AYERS J, MAYARAM K, FIEZ T S. An Ultralow-power Receiver for Wireless
Sensor Networks [J]. IEEE Journal of Solid-state Circuits, 2010, 45 (9): 1759-1769.
[12]ZHOU W, RABAEY J. Energy Detection Technique for Ultra-low Power
High Sensitivity Wake-up Receiver [C]//Proceedings of the IEEE International
Symposium on Circuits and Systems. Piscataway: IEEE, 2013: 1857-1860.
[13]PLETCHER N M, GAMBINI S, RABAEY D J M. A 52 μW Wake-up Receiver
with -72 dBm Sensitivity Using an Uncertain-IF Architecture [J]. IEEE Journal of
Solid-state Circuits, 2009, 44(1): 269-280
[14]HUANG X, BA A, HARPE P J A, et al. A 915 MHz, 120 μW-Rx/900 μW-Tx
Envelope Detection Transceiver with 20 dB In-band Interference Tolerance
[C]//Proceedings of the IEEE International Solid-state Circuit Conference. San
Francisco: IEEE, 2012: 454-456.
[15]MOAZZENI S, SAWAN M, COWAN G E R. An Ultra-low-power Energy-
efficient Dual-mode Wake-up Receiver [J]. IEEE Transactions on Circuits and
Systems I: Regular Papers, 2015, 62(2): 517-526.
2024年4月13日发(作者：信安怡)
用于物联网通信的低功耗唤醒接收机设计
孟凡振;刘宏;汪明亮;林水样;田彤
【摘 要】A wake-up receiver with high energy efficiency and low power
consumption is proposed for solving the power consuming problems of wireless
nodes communication in the Internet of proposed wake-up receiver
based on the wake-up mechanism can effectively schedule the network nodes
communication, and use the simple envelope detection structure to achieve
frequency down-conversion, which can flexibly manage energy and reduce power
on UMC 65nm CMOS process technology, the wake-up
receiver is designed and results show that it can achieve S11 of-
21dBm and a sensitivity of-75dBm at a data rate of 1Mb/s, when operating at the
central frequency of 780MHz and input signal adopting an on-off keying (OOK)
modulation, and the power consumption is 82μW at 1.2V voltage supply.%为了解
决物联网无线节点通信的功耗问题,设计了一种高能量效率和低功率消耗的唤醒接收机.该
唤醒接收机基于唤醒机制有效地调度网络节点通信,并利用简单的包络检波架构进行频率
变换,从而能够灵活地管理能量和降低功耗.该唤醒接收机基于65nm CMOS工艺进行仿真
设计.仿真结果表明,当射频中心频率为780MHz和输入信号采用开关键控调制方式,该接
收机可以实现输入匹配参数S11为-21dB,灵敏度在数据率1Mb/s下为-76dBm,并且在
1.2V供电电压下,功耗消耗为76μW.
【期刊名称】《西安电子科技大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(044)002
【总页数】6页(P95-100)
【关键词】低功耗;唤醒接收机;物联网;包络检波器;无线通信
【作 者】孟凡振;刘宏;汪明亮;林水样;田彤
【作者单位】中国科学院 上海微系统与信息技术研究所,上海 201801;中国科学院大
学 电子电气与通信工程学院,北京 100049;中国科学院 上海微系统与信息技术研究所,上海
201801;中国科学院 上海微系统与信息技术研究所,上海 201801;中国科学院 上海微系统
与信息技术研究所,上海 201801;中国科学院 上海微系统与信息技术研究所,上海 201801;
中国科学院大学 电子电气与通信工程学院,北京 100049
【正文语种】中 文
【中图分类】TN851
近年来，物与物相互联的物联网(Internet of Things，IoT)技术掀起一场信息技术革
命．它具有识别、监控和管理信息等功能，广泛应用于经济生活以及国家安全的方方面
面．针对物联网节点比较密集、覆盖范围比较广、环境比较复杂等情况，无线节点通信设
备需要满足以下几点: 小尺寸; )低成本; 低功耗[1-3]．随着新材料和技术的不断出现，比
如微电子机械系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)，互补金属氧化物半导
体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor transistor，CMOS)工艺等，物联网
无线节点低成本和小尺寸要求能够得到实现．而物联网无线节点通信设备大多数使用电池
供电，如果这些设备长期工作(大约10年)，频繁更换电池将带来困难，因而低功耗问题
越来越成为物联网大规模应用的瓶颈[4]．研究表明，在物联网节点无线通信中，无线节
点之间的通信消耗大量的功耗，因此解决节点通信的功耗问题成为研究的关键[5]．
通常，用于物联网无线节点通信的收发机一直处于工作状态便于快速精确传送信号，
而物联网无线节点大部分时间无数据通信，导致无线收发机浪费大量的能量．为了提高通
信效率降低功耗，节点通信的无线收发机使用一种高能量效率的唤醒技术[6-7]，如图1
所示．在无线节点之间无数据传送的情况下，该唤醒技术可以使主接收机处于休眠状
态．一旦节点之间进行通信，唤醒机制将激活休眠中的接收机工作，这样可以显著地减少
节点之间的通信功耗，从而延长节点设备电池的寿命．基于唤醒技术的唤醒接收机(Wake
up the Receiver，WuRx)持续地监听来自其他节点的传送信息，当节点之间需要通信时，
将会产生一个唤醒信号并激活主接收机完成数据传送[6]．鉴于唤醒接收机一直处于监听
状态，无线唤醒接收机需要实现能量效率最大化，其功耗要求小于 100 μW[7]．因此，
用于物联网无线节点通信的低功耗唤醒接收机设计尤为重要．
目前，各种各样的接收机架构逐渐增多，比如超外差式、低中频和零中频等[8-10]，
但这些架构都需要高耗能模块，如本地振荡器、射频锁相环和混频器等，其结构复杂度和
高功耗无法满足物联网无线节点通信的要求．随着低功耗技术深入研究，一些低功耗接收
机，如简单的包络检波架构，能够有效地避免高耗能模块的使用，从而大大地降低了功耗
[11-14]．但是，这些架构大多数采用不利于集成的片外高Q滤波器和复杂的调试方
式．例如，文献[13]中提出的唤醒接收机在 0.5 V 供电情况下总功耗为 52 μW，在数据
速率为 100 kb/s 下其灵敏度为 -72 dBm， 但其使用环形振荡器和射频MEMS高Q滤
波器，难以实现系统集成．
一般而言，调制方式越复杂，功率消耗也越大．针对物联网无线节点之间通信低数据
率和窄带宽的特点，一些简单的调制方式比如开关键控(On-Off Keying，OOK)调制方式
更合适．同时，采样无源结构放大和变频的唤醒接收机能够进一步降低系统功耗．例如，
文献[15]中唤醒接收机通过简单无源采样保持电路进行前端放大变频，监听状态时实现灵
敏度为 -78.5 dBm，功率消耗为 16.4 μW，而识别传送数据状态时其灵敏度为 -75.0
dBm，功率消耗为 22.9 μW．但是，这种架构的唤醒接收机在无源采样保持电路变频中
产生大量的谐波和非线性效应，严重地影响了系统的噪声系数．并且唤醒接收机需要高增
益的有源放大，从而获得较高的灵敏度，以便适应物联网复杂的环境．因此，综合考虑接
收机的指标如灵敏度、数据率、集成度和功率消耗等，笔者提出了一种全集成的用于物联
网无线节点通信的超低功耗唤醒接收机，基于包络检波结构并利用持续监控网络节点通信
的唤醒技术，对传送简单的OOK调制方式信号进行判决，从而激活主接收机，完成数据
传送，大大地降低系统功率消耗．
文中提出的包络检波架构唤醒接收机如图2所示．该接收机主要包括输入匹配网络、
低噪声放大器、包络检波器、限幅放大器、双转单变换器、积分器、比较器和触发器
等．当物联网无线节点之间需要进行通信时，唤醒接收机从天线接收其他节点的传送信号，
利用低噪声放大器(Low Noise Amplifie，LNA)放大射频输入信号，然后经包络检测器
(Envelop Detector，ED)检波变频并进一步将单端信号转为差分信号输出，避免了本地
振荡器和射频锁相环的使用．接着采用差分限幅放大器进一步放大信号以便于后续信号处
理．然后，由双(端)转单(端)转换器(Double side turn to Single-ended Conversion，
DSC)将差分信号转变为单端信号，并使用简单降低系统噪声的无源积分器把信号进行积
分．当积分器的输出电压高于比较器的参考电压时，将会产生一个高电平电压经触发器保
持并激活主接收机完成数据传输．按照国际IEEE802.15.4C标准规定，中国用于物联网无
线传感网络免费频带范围为 779～ 787 MHz．为了尽可能地分析物联网无线节点通信系
统，唤醒接收机载频为 780 MHz，数据速率为 1 Mb/s ，采用OOK调制方式，最小输
出信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)大约为 13 dB．为了更加详细地分析系统性能，
包络检波结构的唤醒接收机总噪声因子可以表示为[5]
其中，FLNA和ALNA分别是低噪声放大器的噪声因子和增益，AED和NED分别是
包络检波器的变频增益和输出噪声，Nself，RF代表射频前端噪声的自混频噪声，Nin代
表来自源电阻的噪声．该接收机的灵敏度可表示为
其中，NFTOT为总的噪声系数，WBdet为信号带宽，RSNmin为最小检测信噪
比．从式(2)可知，当信号带宽保持在 2 MHz 以下，以及最小检测信噪比RSNmin为 13
dB 情况下，输入灵敏度Pin，min为 -80 dBm， NFTOT≈ 18 dB．考虑到系统损耗和干
扰，一般噪声系数NFTOT需要留出 4～ 5 dB 的余量．
2.1 低噪声放大器结构
LNA位于唤醒接收机的最前端，是接收机中第一个模块，其增益、噪声和功耗直接
影响整个接收机的性能，具有重要的作用．研究表明，LNA消耗整体接收机一多半功耗，
如图3所示．因此，为了降低整个接收机的功耗，LNA低功耗设计尤为关键．
低噪声放大器采用简单共源共栅级联结构，主要包括金属氧化物半导体(Metal Oxide
Semiconductor，MOS)M1和M2，用于实现高增益、低噪声以及高灵敏度．该低噪声
放大器控制M1偏置电压工作在亚阈值区，减少了电流消耗，从而降低了整个放大器功
耗．与其他无源放大器相比，该低噪声放大器能够在保证能量消耗的同时获得较好的噪声
系数和灵敏度．并且，低噪声放大器与天线之间进行阻抗匹配可以有效地进行信号传输以
及避免反射干扰．一般地，输入匹配网络采用片外复杂的滤波器实现，如表面声波
(Surface Acoustic Wave，SAW)谐振器或薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic
Resonator，FBAR)等．虽然这些片外滤波器能够具有较高的性能，但却显著地增加了面
积和成本．因此，该低噪声放大器采用LC结构实现输入匹配，这样就大大地简化了结构，
降低了成本．其中，电容C2和电感L1形成了LC匹配网络，电容C3和电感L2形成了
选频网络，如图4所示．根据共源共栅级联结构的性质，忽略M2噪声特性情况下，该低
噪声放大器增益ALNA和M1管噪声因子F1分别表示为
其中，跨导gm表示M1的跨导，电阻Rd表示输出电阻，γ、δ、c是工艺参数，
w0表示匹配网络的谐振频率，wT表示管子的截止频率．从式(2)和式(4)可以看出，低噪
声放大器增益主要由MOS管跨导和输出电阻决定，噪声系数主要由谐振频率和截止频率
决定．
2.2 包络检波器结构
与其他接收机解调原理不同，包络检波结构唤醒接收机利用包络检波原理将输入射频
交流信号的幅度检波成直流信号输出．一般地，包络检波器起到信号整流的作用，常用结
构有Schottky二极管和MOS晶体管．而MOS晶体管相对Schottky二极管容易集成，
因此，唤醒接收机采用MOS管进行检波解调信号．包络检波器主要利用工作在亚阈值区
MOS晶体管非线性特性进行解调，其原理图如图5(a)所示，主要由MOS管M3，电阻
R1，电容C4和C5构成．其中，电容C5和电阻R1形成低通滤波器滤除MOS管包络检
波过程中产生的高频信号．由于差分结构具有良好的共模噪声抑制比，设计采用MOS管
M4～M6，电阻R2～R5，以及电容C6构成一个单端转双端转换器．其中，电流源Idc
提供偏置电流，保证MOS晶体管工作在亚阈值区，单端输出Vdet通过电阻R5和电容
C6来消除直流电平，并经差分对管M5、M6转换为差分信号以有效地消除高频干扰信
号．与混频器变频方式不同，包络检波器利用MOS管非线性原理实现变频，其输出电压
可表示为
其中，Vg、Vt和n分别表示交流输入信号的幅度、亚阈值斜率因子和热电压 ．为了
实现良好包络检波变频和低功耗的要求，包络检波器滤波的截止频率需要在传输数据率和
载波频率之间进行折中．
2.3 限幅放大器和其他模块
为了提高系统灵敏度以及尽可能地降低功耗，限幅放大器采用三级简单差分放大结构，
其中差分放大结构如图5(b)所示．同时，限幅放大器采用RC电路组成反馈网络滤除低频
分量(截止频率大约为 20 kHz) ，避免直流分量造成影响．为了更加方便后续的信号解调
产生唤醒信号，设计采用双转单变换器将限幅放大器放大后的差分信号变成单端信号，并
经由积分器进行积分处理．积分器原理图如图5(c)所示，主要通过控制MOS管开关对信
号进行积分．然后唤醒接收机利用比较器与参考值进行比较来判决是否产生唤醒信号．为
了避免干扰信号误报并减少延迟时间，电压基准VREF显得尤为重要．因此，设计采用片
外提供参考基准可以根据信号变化灵活地调整参考值，同时又能减少基准源功耗．一般地，
当经过积分器的电压信号高于参考电压(大约 300 mV) 时，高灵敏比较器将产生一个唤醒
信号．另外，系统使用触发器保持唤醒信号并激活主接收机，当经过比较器的信号出现上
升沿时触发器输入端口D，将会产生一个高电平；下降沿时不会对触发器的输出产生影
响．然后主接收机开始进行数据传输，基带信号自带开始和结束控制码元控制信号传输时
间．一旦数据传输结束，主接收机复位进行休眠模式．而唤醒接收机激活主接收机后其输
出信号通过与非门变成复位信号，使得系统重新进入检测状态．因此，唤醒接收机一直处
于检测模式和识别模式切换状态，从而完成主接收机从休眠状态到工作状态再进入休眠状
态，这样大大地降低了节点通信之间的功耗．
笔者利用UMC 65 nm CMOS工艺设计一种用于物联网无线节点通信低功耗唤醒接
收机．该唤醒接收机利用简单包络检波结构实现检波变频，避免一些高功耗射频模块的使
用，从而简化了系统架构并降低了功耗．为了减少延迟时间和避免误报，唤醒接收机在
100 μs 以内实现积分并判决节点是否进行数据传送．如果信号积分值高于判决值，则唤
醒接收机发出唤醒信号以激活接收机进行工作．否则，视为干扰信号，唤醒接收机忽略响
应避免误报的发生．由于射频中心频率为 780 MHz，唤醒接收机输入匹配电感和电容比
较大(电感一般为 20 nH)，因此系统采用片外LC型匹配．与其他唤醒结构相比，唤醒接
收机整体版图如图6(a)所示，该唤醒接收机总版图面积为 0.55 mm× 0.45 mm (加上焊
盘(PADs)面积)．通过简化滤波网络避免了片内大电感以及片外难以集成的MEMS滤波器
的使用，并采用简单包络检波．该唤醒接收机极大地减少了芯片面积，节约了成本．
唤醒接收机在1.2 V电压供压下，总功耗为76 μW，其中射频前端包括低噪声放大
器和包络检波为 50 μW，占据整个接收机大部分功率消耗．该唤醒接收机射频前端在中
心频率为 780 MHz，实现S11约为 -21 dB，如图6(b)所示．唤醒接收机采用开关键控
OOK调制方式，射频载波信号为 780 MHz，输入信号幅度为 -76 dBm，在数据率为 1
Mb/s 下，整个唤醒接收机工作瞬态波形如图7所示．从上到下信号波形依次表示为开关
键控OOK信号、低噪放大器输出信号、包络检波器检波信号、积分器输出波形和激活输
出波形．从图中可以看出，当物联网节点之间需要无线通信时，该唤醒接收机在 75 μs 内
(小于 100 μs) 可以激活主接收机进行工作．虽然唤醒接收机产生唤醒信号存在短暂延迟
时间，但是能够大大节省主接收机功耗并降低了外界干扰信号产生误报情况的概率．与其
他类型的唤醒接收机性能进行对比，该接收机的性能如表1所示．从表1可以看出，唤
醒接收机在功耗方面具有一定优势．
笔者详细地分析和设计了一种用于物联网节点无线通信的唤醒接收机，该接收机利用
唤醒机制判断节点是否通信，从而使得主接收机能够高效率地工作，并有效地预防外界信
号的干扰．唤醒接收机采用包络检波结构将射频信号进行变频，避免了高耗能模块如本地
振荡器使用，大大地降低了系统的功耗．理论分析和仿真结果表明，提出的唤醒接收机具
有较低的功耗和较高的灵敏度优势，能够满足物联网节点之间通信的要求．此外，唤醒接
收机采用无源结构射频模块进一步降低功耗，同时使用高Q滤波技术和更先进的CMOS
工艺优化系统以满足更复杂的应用场合，比如无线传感网络、医疗监控和消费类健康电子
领域．
【相关文献】
[1] VENKATAPATHY A K R, ROIDL M, RIESNER A, et al. PhyNetLab:
Architecture Design of Ultra-low power Wireless Sensor Network Testbed
[C]//Proceedings of the WoWMoM 2015: A World of Wireless Mobile and
Multimedia Networks. Piscataway: IEEE, 2015: 1-6.
[2]LIN Z H, MAK P I, MARTINS R P. A Sub-GHz Multi-ISM-band ZigBee
Receiver Using Function-reuse and Gain-boosted N-path Techniques for IoT
Applications [J]. IEEE Journal of Solid-state Circuits, 2014, 49 (12): 2990-3004.
[3]张艺蒙, 张玉明, 张义门. 传感器网络应用的低功耗实时计数器 [J]. 西安电子科技大
学学报, 2015, 42(6): 66-70.
ZHANG Yimeng, ZHANG Yuming, ZHANG Yimen. Low Power Dissipation Real
Time Counter for Sensor Network Application [J]. Journal of Xidian University,
2015, 42 (6): 66-70.
[4]RABAEY J M, AMMER J, KARALAR T, et al. Pico Radios for Wireless Sensor
Networks: The Next Challenge in Ultra-low Power Design[C]//Digest of Technical
Papers of IEEE International Solid-State Circuit Conference: 1. Piscataway: IEEE,
2002: 200-201.
[5]DALY D C, CHANDRAKASAN A P. An Energy-efficient OOK Transceiver for
Wireless Sensor Networks [J]. IEEE Journal of Solid-state Circuits, 2007, 42
(5):1003-1010.
[6]YOON D Y, JEONG C J, CARTWRIGHT J, et al. A New Approach to Low-
power and Low-latency Wake-up Receiver System for Wireless Sensor Node [J].
IEEE Journal of Solid-state Circuits, 2012, 47 (10): 2405-2419.
[7]BAE J, YOO H J. A 45 μW Injection-locked FSK Wake-up Receiver with
Frequency-to-envelope Conversion for Crystal-less Wireless Body Area Network
[J]. IEEE Journal of Solid-state Circuits, 2015, 50 (6): 1351-1360.
[8]MADADI I, TOHIDIAN M, CORNELISSENS K, et al. A High IIP2 SAW-less
Superheterodyne Receiver with Multistage Harmonic Rejection [J]. IEEE Journal of
Solid-state Circuits, 2016, 51 (2): 332-347.[9]KITSUNEZUKA M, KUNIHIRO K. A 5～
9 mW, 0.2～2.5 GHz CMOS low-if Receiver for Spectrum-sensing Cognitive Radio
Sensor Networks [C]//Digest of Papers of IEEE Radio Frequency Integrated
Circuits Symposium. Piscataway: IEEE, 2013: 319-322.[10]齐增卫, 庄奕琪, 李小明, 等.
一种适用于超高频射频识别的温度传感器[J]. 西安电子科技大学学报, 2014, 41(6): 65-71.
QI Zengwei, ZHANG Yiqi, LI Xiaoming, et al. Temperature Monitor Suitable for
UHF RFID [J]. Journal of Xidian University, 2014, 41 (6): 65-71.
[11]AYERS J, MAYARAM K, FIEZ T S. An Ultralow-power Receiver for Wireless
Sensor Networks [J]. IEEE Journal of Solid-state Circuits, 2010, 45 (9): 1759-1769.
[12]ZHOU W, RABAEY J. Energy Detection Technique for Ultra-low Power
High Sensitivity Wake-up Receiver [C]//Proceedings of the IEEE International
Symposium on Circuits and Systems. Piscataway: IEEE, 2013: 1857-1860.
[13]PLETCHER N M, GAMBINI S, RABAEY D J M. A 52 μW Wake-up Receiver
with -72 dBm Sensitivity Using an Uncertain-IF Architecture [J]. IEEE Journal of
Solid-state Circuits, 2009, 44(1): 269-280
[14]HUANG X, BA A, HARPE P J A, et al. A 915 MHz, 120 μW-Rx/900 μW-Tx
Envelope Detection Transceiver with 20 dB In-band Interference Tolerance
[C]//Proceedings of the IEEE International Solid-state Circuit Conference. San
Francisco: IEEE, 2012: 454-456.
[15]MOAZZENI S, SAWAN M, COWAN G E R. An Ultra-low-power Energy-
efficient Dual-mode Wake-up Receiver [J]. IEEE Transactions on Circuits and
Systems I: Regular Papers, 2015, 62(2): 517-526.