Etude, conception et réalisation d’un récepteur d’activation RF ultra basse consommation pour l’internet des objets

Study, design and prototyping of an ultra low power RF Wake-up receiver dedicated to Internet of Things applications

• Auteur / Autrice : Lucie Chandernagor
• Direction : Bernard Jarry, Julien Lintignat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences et Optoélectronique
• Date : Soutenance le 16/12/2016
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Raymond Quéré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Jarry, Julien Lintignat, Bruno Barelaud, Christophe Cordier, Stephane David, Patrice Gamand, Philippe Meunier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Descamps, Farid Temçamani

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS complémentaires

Internet des objets

Radiofréquences

Économies d'énergie

Radio -- Émetteurs-récepteurs

Mots clés libres

Récepteur d’activation

Ultra basse consommation

CMOS

ASK

Tension de référence

Wake - up receiver

Ultra - low power consumption

CMOS

ASK

Voltage reference

Résumé

Grâce au confort d’utilisation qu’elles procurent, les technologies sans fil se retrouvent aujourd’hui dans un vaste panel d’applications. Ainsi le nombre d’éléments de transmission/réception radio se multiplie. Aujourd’hui pour réduire les consommations des éléments radio, il faut les rendre davantage efficaces notamment pour la partie réception. En effet, pour les communications asynchrones, les récepteurs consomment inutilement de l’énergie à attendre qu’une transmission soit faite. Dans l’objectif de réduire ce gaspillage d’énergie, des nouveaux standards ont vu le jour tel que le Zigbee et le Bluetooth Low Energy. Les performances en consommation procurées par ces deux standards résident sur leur fonction périodique à très faible rapport cyclique. Une nouvelle solution émergente pour réduire drastiquement la consommation des récepteurs en les rendant plus efficaces est l’utilisation de récepteur d’activation. Les récepteurs d’activation ou récepteur de réveil sont des récepteurs simples ce qui leur permet d’atteindre une ultra basse consommation uniquement en charge de guetter l’arrivée d’une trame et de réveiller le récepteur principal, placé en veille au préalable, pour traitement de cette dernière. Le récepteur d’activation proposé ici a été réalisé dans la technologie CMOS 160 nm de NXP. Il offre une sensibilité de -54 dBm, pour une consommation moyenne de 35 μA, prodiguant une portée de 70m à 433,92 MHz pour une puissance de 10 dBm émis. Ce récepteur ASK se distingue des autres récepteurs d’activation par le système de calibration breveté avec ajustement automatique la tension de référence requise pour la démodulation. Ce système rend le circuit robuste au problème d’offset DC et ne consomme aucun courant lorsque le circuit est en écoute. Le récepteur d’activation reconnaît un code de Manchester de 24 bits à 25 kbps, programmable grâce à une interface SPI.

Wireless technologies are now widespread due to the easiness of use they provide. Consequently, the number of radio devices increases. Despite of the efforts to reduce radio circuits power consumption as they are more and more numerous, now they must achieve ultra-low power consumption. Today, radio devices are made more efficient to reduce their power consumption especially for the receiving part. Indeed, for asynchronous communication, a lot of energy is wasted by the receiver waiting for a transmission. In order to avoid this waste, new standards have been created such as Zigbee and Bluetooth Low Energy. Due to periodic operation with ultra-low duty cycle, they provide ultra-low power consumption. Another solution to drastically reduce the power consumption has emerged, wake-up receiver. Wake-up receivers are based in simple architecture to provide ultra-low power consumption, they are only in charge to wait for a frame and when it occurs, wake-up the main receiver put in standby mode before that. The proposed wake-up receiver has been designed in NXP CMOS technology 160 μm. It provides a-54 dBm sensitivity, consuming 35 μA which allows a 70m range considering a 10 dBm emitter at 433,92 MHz. This wake-up receiver operates with ASK modulation, compared to others it provides a smart patented calibration system to get the necessary reference voltage for demodulation. This mechanism provide DC offset robustness and does not drain any current while the wake-up receiver is operating. To wake up the main receiver a 24 bits programmable Manchester code is required. This code at 25 kbps is programmable by the use of an SPI interface.