KR101442576B1 - 데이터의 무선 수신용 에너지 절약 수신기 어셈블리 - Google Patents

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하인리히 밀로시우
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프라운호퍼 게젤샤프트 쭈르 푀르데룽 데어 안겐반텐 포르슝 에. 베.
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Abstract

본 발명은 반송 신호로 변조되고, 아날로그 수신기(analogue receiver), 평가 장치 및 제어 장치를 포함하는 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 어셈블리(assembly)에 관한 것이다. 제어 장치는 샘플링 펄스(sampling pulses)로 수신기를 제어하여서, 수신기는 샘플링 펄스 동안 활성화 되며 전송 신호를 수신하기 위해 준비되고 샘플링 중지 동안 비활성화된다. 평가 장치는 샘플링 펄스 동안 수신기로부터 공급된 수신 신호로 부터 데이터 비트 시퀀스(data bit sequence)를 발생시킨다. 제어 장치는 적어도 하나의 미리 규정된 스위칭 기준에 따라 다른 샘플링 주파수 범위를 가지는 위상 사이 수신기에 정확하게 추가 설계된다.

Description

데이터의 무선 수신용 에너지 절약 수신기 어셈블리{ENERGY-SAVING RECEIVER ASSEMBLY FOR THE WIRELESS RECEPTION OF DATA}
본 발명은 주요 청구항의 서론(preamble)에 따른, 데이터의 무선 수신용 수신기 장치(receiver arrangement)에 관한 것이다.
에너지 절약 수신기(Energy-saving receivers) 많은 기술 분야에서 사용된다. 예를 들어, 이런 수신기는 개체를 감시하기 위해 적용되며, 소위 무선 노드(radio nodes) 또는 센서 노드(sensor nodes)의 시스템의 일체형 부분이될 수 있다. 알려진 에너지 절약 수신기는 예를 들어, 전류 흡수(current uptakes)를 가지는 초 재생 수신기((super-regenerative receiver) 또는 검출 수신기(detector receiver)로 실행되고, 수백 마이크로암페어(microamperes)에 있고, 감도(sensitivity)는 적당히 낮다. 특히 이런 수신기는 예를 들어 데이터율(data rates) < 10 kbps인 낮은 데이터율로 통신을 하기 위해 적당하다.
소위 웨이크 업(wake-up) 수신기는 US 2008/0108318 A1로부터 알 수 있으며, 샘플링 수신기로 설계되며 즉, 수신기는 제어 장치(control unit)에 의해 일정한 샘플링 속도(sampling rate)로 스위치 온 및 오프되고, 샘플링 펄스(sampling pulse) 동안 전달된 신호는 데이터 시퀀스(data sequence)를 생성하는 디지털 수신기로 전달된다. 데이터 시퀀스가 미리 정해진 웨이크 업 신호(predefined wake-up signal)에 대응하는 경우, 주 수신기(main receiver)는 스위치 온 된다. 인용된 예에 따라, 스위치-온(switch-on) 시간은 2μs이며, 샘플링 주기(sampling period)는 50μs(20 kHz)이다. 영구적인 스위치-온 상태로 알려진 수신기의 전류 소비량는 예를 들어 10mA로 간주될 수 있으며, 상업 수신기 회로의 일반적인 전류 소비량이다. 평균 전류 소비는 따라서 400μs에서 발생하나, 일년 내내 계속되는 배터리 작동을 허용위하여 여전히 많은 에너지를 소비한다. 따라서, 리튬 배터리 셀(lithium button cell) CR 2032(210 mAh 차지(charge))에 따라, 20일의 최대 작동 기간을 실현한다.
따라서 본 발명의 목적은 데이터, 특히, 낮은 비트율(bit rate)(< 10 kbps)를 가지는 데이터의 무선 수신을 위한 에너지 절약 수신기 장치(energy-saving receiver arrangement)를 제공하기 위해 몇 년동안 배터리 작동이 가능하도록 간단한 구성을 유지하고, < 10μA의 공급 전류를 가지는 것이다.
본 발명에 따라, 이 개체는 프리앰블(preamble)의 기능과 결합하여 주요 청구항의 특징화 기능에 의해 실현된다.
바람직한 추가 개발 및 개선은 종속항(dependent claims)에 명시된 조치로 가능하다.
본 발명에 따라, 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 장치(receiver arrangement)는 예를 들어, 10 kbps 보다 적은 비트율(bit rate)로 예상되며, 반송 신호(carrier signal)로 변조된다. 수신기 장치는 아날로그 수신기(analogue receiver), 평가 장치 및 제어 장치로 제공되며, 상기 제어 장치는 샘플링 펄스(sampling pulses)로 수신기를 활성화시켜서, 샘플링 펄스(sampling pulses) 중에 수신기가 활성화되는 이런 방법으로 즉, 전송 신호의 수신을 위해 스위치 온 및 준비되며, 샘플링 중지 동안 수신기가 비활성화되면 즉, 스위치 오프 및 전송 신호를 수신하지 않고, 평가 장치는 샘플링 펄스(sampling pulses) 중에 수신기에 의해 전달된 수신된 신호로부터 데이커 비트 시퀀스(data bit sequence)를 생성한다. 데이터 비트의 샘플링은 간단히 전체 수신기의 스위치 온에 의해 직접 영향을 받아서, 수신기는 오직 짧은 샘플링 간격(sampling interval) 중에 있다.
제어 장치가 수신기 장치를 사용 한다는 사실로 인해 수신기의 스위칭 전환을 위해 및 아날로그 수신기의 샘플링을 위해 설계되며 또는 적어도 하나의 규정된 스위치 오버기준에 따라 다른 샘플링 주파수 범위를 가지는 샘플링 펄스의 위상 사이 수신기의 스위치 온 및 오프의 활성화는 보내지는 데이터의 유형으로 샘플링의 조정 적응(adaptive adaptation)을 수행을 가능하게 하고, 반송 신호로 변조된다. 이는 소위 "프리페이드-리스닝 모드(prefade-listening mode)"를 의미하며, 저속 샘플링은 즉, 채널 내 하나의 "리슨(listens)" 으로 수행될 수 있고, 신호가 전달되는지의 여부에 관하여 전환 기준(switch-over criterion)으로 예측되는 사용가능한 데이터를 나타낸다.
본 발명에 따른 평가 장치는 패키지-방법이 아닌 샘플 방법 평가로 수행되고, 즉 데이터 비트 흐름(data bit flow)은 수신기의 스위치 온 및 오프로 샘플링 펄스를 통해 생성되고, 또한 스위치 온 주기로 후에 기소되며, 직접 "공동 판독(co-read)"이며, 하나는 샘플 또는 샘플링 값으로 반응한다.
본 발명에 따른 수신기 장치를 통해, 소위 "조정 적응(adaptive adaptation))" 때문에 10μA 훨씬 아래의 공급 전류를 가지는 수신기의 전류 절약 구현이 가능하다. 이는 태양 전지, 열전 발생기(thermoelectric generator) 또는 미진전 전환기(micro-vibration transducers)와 여러가지, 전력 공급과 같은 발전 발생기(energy-harvesting generators)의 간단한 사용의 허용으로, 배터리 없어도 작동이 가능하다. 매우 낮은 전력 소비 때문에, 발생기는 10 mA의 전류 소비량을 가지는 기술의 상태에 따라 수신기 장치의 전력 공급을 위해 필요한 것 보다 상당히 작은 크기(예를 들면, 1μA 전류 소비에 대한 1㎠의 태양전지 영역)로 설계된다. 이와 별개로, 매우 낮은 자가 방전을 가지는 버튼 셀 배터리 예를 들면, 리튬 버튼 셀은 전류 공급에 적합하다. 수신기 장치는 매우 간단히 유지되며, 복잡한 회로 및 복잡한 변조 기술이 사용되지 않는다.
수신기 장치는 끊임없이 무선 채널 간격으로 샘플링 하는 샘플링 방식에서 작동되는 무선 수신기를 기반으로 한다. 원칙적으로, 아날로그 수신기는 진폭 변조(amplitude keying), 예를 들어 온-오프 변조(ON-OFF keying)로 작동된다. 수신된 신호의 샘플링이 영향을 받아서, 여러 샘플링 값은 전송된 또는 수신된 비트 당 이동하고, 높은 주파수의 샘플링이 아님에 의해 수행되나, 원칙적으로 변조된 전송신호를 둘러싸는 샘플링은 마침내 복조 데이터 비트의 디지털 샘플링에 대응한다. 이는 서로 다른 샘플링 주파수 범위와 모든 위상에 적용된다.
바람직하게, 아날로그 수신기는 급속히 정착(빨리 정착된 구성요소)된, 예를 들어 스위치 온의 시점에서 100 ns보다 적은 정착 시간을 가지는 구성요소를 포함한다. 기본적으로 "급속 정착"은 정착 시간이 전송된 데이터 비트보다 빠른 적어도 10의 4 자릿수이며, 데이터가 바람직하게 10 kbps 이하의 비트율로 전송되는 것을 의미한다. 또한 다른 전송된 데이터 비트율은 예를 들어, 한 위상 < 1 kbps 에서 및 예를 들어 10 kbps 및 1 kbps 사이의 다른 위상으로 수신기의 샘플링 주파수의 다른 위상를 위해 가능하다.
바람직하게, 전환 기준(switch-over criterion)은 예를 들어 실제 사용가능한 데이터 전송 앞에 놓인 예를 들면 하나의 "11111111"의 시퀀스, 적어도 하나의 미리 규정된 데이터 시퀀스이다. 따라서, 데이터 시퀀스는 미리 규정된 데이터 시퀀스를 인식하기 위한 수단을 포함하는 평가 장치에 저장되고, 이러한 수단은 미리 규정된 데이터 시퀀스와 수신된 데이터 비트 시퀀스의 일치로 다른 샘플링 주파수와 각각의 경우에 추가 위상으로 한 위상의 변화에 의해 제어 장치에 전환 신호(switch-over signal)를 전달한다. 수신기가 예를 들어 8의 7인 하나의 낮은 숫자를 감지하는 경우, 전환 기준의 일치는 또한 인식으로 고려된다. 따라서, 정확한 일치는 전제기준이 아니라, 단지 충분히 좋은 상관관계이다. 바람직하게 데이터 시퀀스를 인식하기 위한 수단은 예를 들어, 비교기 및/또는 디지털 비교기(digital comparator)를 가지는 시프트 레지스터(shift register)인 비교 장치로 설계된다.
바람직하게, 하나는 데이터 시퀀스(data sequences)의 도움으로 둘 이상의 위상 사이를 전환할 수 있도록 여러 미리 규정된 데이터 시퀀스(data sequences)가 저장된다. 그러나 하나는 또한 전환 기준으로 데이터 시퀀스를 제공할 수 있으며, 데이터의 완전한 수신 후 제 1 위상으로 스위치-백(switching-back)을 개시시킨다.
추가 실시예에서, 평가 장치 또는 제어 장치에 의해 설정될 수 있는 미리 규정된 지속 시간은 또한 전환 기준으로 사용될 수 있으며, 지속 시간은 적어도 두 위상 사이의 전환 신호를 활성화 시킨다. 그것은 따라서 다른 샘플링 주파수와 여러 수신된 위상 사이 전환 기준으로 미리 규정된 지속 시간뿐만 아니라 적어도 하나의 미리 규정된 데이터 시퀀스의 사용을 위해 가능하게 한다.
특히 바람직한 실시예에서, 수신기 장치는 제 1 샘플링 주파수 범위를 가지는 제 1수신 위상 및 제 2 샘플링 주파수 범위를 가지는 제 2 수신 위상 및 선택적으로 제 3 샘플링 주파수 범위를 가지는 제 3 수신 위상을 제공하도록 구성되며, 제 2 샘플링 주파수 범위는 제 1 샘플링 주파수 범위보다 높은 샘플링 주파수를 포함하고, 선택적으로 제 3 샘플링 주파수 범위는 제 2 샘플링 주파수 범위 이상의 샘플링 주파수를 포함한다. 이러한 방식으로, 제 1 수신기에서 예를 들어, 프리페이드-리스닝 모드(prefade-listening mode)로 나타낼 수 있고, 수신기는 소위 데이터 수신 모드(data-receiving mode)인 제 2 수신 위상 동안 매우 낮은 샘플링 주파수 또는 반복률(repetition rate)로 작동될 수 있으며, 무선 수신기는 사용 가능한 신호로 디지털 데이터에 대하여 변조된 반송 신호 도착을 수신 및 해독하기 위하여 높은 샘플링 주파수로 샘플링 된다. 선택적으로, 추가 사용 가능한 신호는 아직 높은 반복율 또는 샘플링 주파수를 수신할 수 있다.
바람직하게, 샘플링 주파수는 수신 위상 내에서 일정하다. 그러나 어플리케이션에 대해 그것은 적어도 하나의 위상의 샘플링 주파수 내에서 변수가 될 수 있는 샘플링 주파수에 적합할 수 있다. 예를 들어, 샘플링 펄스가 다른 길이를 가지는 동안, 수신기의 스위치에 대한 샘플링 펄스는 고정 시간을 가질 수 있으며 즉, 스위치 오프 기간은 작동에서 일정하지 않아야 하나, 가변적으로 선택될 수 있다. 가변 샘플링 속도는 적용된 구성요소 또는 처음부터 설정되기 때문에 발생할 수 있다. 예를 들어, 매우 낮은 전류 소비가 수신률을 위해 필요한 경우, 덜 정확한 시간 기준으로 RF 발진기는 샘플링 속도의 생성을 위해 가능할 수 있다. 다른 것들 사이 RC 발진기의 발진 주파수는 온도에 따라 달라진다. 따라서 덜 정확한 샘플링 속도는 명목상 250 Hz로 작동을 유발할 수 있는 몇 퍼센트의 허용 오차 범위를 야기한다. 가변 샘플링 주파수가 의식적으로 의도되는 경우, 간섭 신호에 대한 저 감도(lower sensitivity)는 일정 충만 속도로 달성될 수 있다.
이미 언급한 바와 같이 실시예에서, 평가 장치 및 제어 회로는 방식으로 설계되어서, 제 2 수신 위상 후 또는 선택적으로 제 3 수신 위상 후, 하나는 추가 전환 기준에 따라 제 1 위상 내 전환될 수 있고, 추가 전환 기준은 미리 규정된 데이터 시퀀스 또는 미리 규정된 지속 시간이다. 따라서, 사용 가능한 데이터의 수신이 완결된 경우, 하나는 “프리페이드-리스닝 모드(prefade-listening mode)” 내에 스위치 백 되며, 이는 미리 규정된 지속 시간의 완료 또는 사용 가능한 데이터 다음에 미리 규정된 데이터 시퀀스의 신호 후 영향을 받을 수 있다.
적어도 하나의 수신 위상의 샘플링 주파수 및 수신기의 샘플링에 사용되는 적어도 하나의 수신 위상의 샘플링 주파수는 반송 신호로 변조된 데이터의 비트율(bit rate)에 따라 설정되며, 바람직하게 수신기는 0 kpbs의 낮은 비트율로 데이터의 수신을 위해 설계된다. 따라서, 예를 들어, 제 1 수신 위상의 “프리페이드-리스닝 모드(prefade-listening mode)”에 관한 것이며, 샘플링 주파수는 10 및 1000 Hz 사이에 있을 수 있다 ; 예를 들어, 수신기는 250 헤르츠(Hertz)의 반복률 또는 샘플링 주파수로 작동된다.
제 2 수신 위상에서 예를 들어, 데이터 수신 모드에서, 샘플링 주파수는 반송 신호 바람직하게 비트율의 배수, 바람직하게 여덟 배의 비트율 곱에 변조된 데이터의 비트율과 적어도 동일하다. 1 kbps 및 10 kbps 사이의 데이터 속도에 따라서, 2 kHz - 80 kHz의 샘플링 속도를 야기한다.
샘플링 펄스 및 샘플링 중지 사이의 샘플링 비(sampling ratio)에 관하여, 제 1 수신 위상에서 예를 들어, 프리페이드 리스닝 모드(샘플링 주파수 10 Hz - 1'000 Hz에 대한)에서 1:1'000'000 및 1:10'000, 바람직하게 1:40'000 사이이며, 제 2 위상에서 샘플링 비는 1:5'000 및 1:125, 바람직하게 약 1:1'250 사이에 있다. 예를 들면, 수신 위상 중 적어도 하나에 대한 스캐닝 펄스(온-타임(ON-time))는 50 ns - 800 ns, 바람직하게 100 ns 의 지속 기간을 가진다. 무선 수신기의 100 ns에 대한 매 4 ms(250 Hz) 마다 스위치 온 되고, 일정한 전환 조건 결과에서 무선 수신기의 전류 소비에 대하여 25ppm의 평균 전류 소모를 의미한다. 무선 수신기가 일정한 스위치 온 조건에서 10 mA를 소모하는 경우, 평균 전류 소모는 평균적으로 4 ms 그 때 0.25μs 이다. 1 μA 아래의 전류 소비는 쉽게 자가발전(energy harvesting) 방법으로 생성될 수 있다.
언급한 바와 같이 바람직한 실시예에서, 위상(예를 들어, 데이터-수신 모드(data-reception mode))에서 샘플링 주파수 또는 반복률은 HF 변조(modulation)의 데이터율과 관련하여 선택된다. 즉, 샘플링 주파수는 변조 데이터율 보다 적어도 높거나 더 높아야 한다. 따라서, 샘플링 주파수가 예를 들어 변조 데이터 율보다 4배 높이 선택되는 경우, 또한 오버샘플링(oversampling)은 영향을 받는다. 1 kbps의 변조 데이터율 및 4 kHz의 평균 샘플링 주파수(데이터 수신 위상에서)가 추정되는 경우, 이 위상에서 평균 전류 소비에 대한 4 μA의 값을 결과로 한다. 이것이 무선 주파수에 대해 예를 들어, 더 좋은 감도에 대해 유용한 경우, 데이터-수신 모드의 위상에서 스위치-온 타임(switch-on time)은 프리페이드-리스닝 모드(prefade-listening mode)의 위상 보다 더 클 수 있다. 예를 들어, 비교기의 자가 교정(self-calibration)은 긴 스위치-온 타임(switch-on time) 동안 수행될 수 있다. 따라서, 평균 전류 소비는 기술의 상태에 따라 무선 수신기보다 작은 10의 3자릿수이다. 무선 수신기가 무선 송신기(radio transmitter)로 동기화되지 않은 경우, 사용 가능한 데이터 수신의 오버샘플링(oversampling)은 도움이 되는 방법이다.
바람직하게, 수신기 또는 평가 장치는 각각의 경우에서, 임계값 및 형성된 샘플링 값으로 각각의 경우에서 샘플링 펄스 동안 전달된 진폭 변조 수신 신호를 비교하는 비교기를 포함한다,
바람직한 실시예에 따라, 수신기는 또한 슈퍼 헤테로다인(super heterodyne) 수신기로 설계될수 있고, 사용 가능 특성은 본 발명에 따른 전류 절약 개념과 결합되며, 따라서 대조적으로 기술의 상태에서 사용되는 검출기 수신기(detector receivers) 또는 슈퍼 헤테로다인 수신기(super regenerative receivers)는 좋은 통합 능력뿐 아니라 고감도 및 좋은 분리 정확도를 가진다.
본 발명의 실시예는 도면에 표현되며, 다음의 기술에서 더 자세한 사항을 설명을 여기에 나타낸다:
도 1은 본 발명에 따른 수신기 장치의 한 디자인을 블록 다이어그램 방식으로 나타낸 것이다,
도 2는 본 발명에 따른 수신기 장치의 사용으로 샘플링 주파수의 조정 적응과 수신 위상의 개략도이다,
도 3은 제 2 수신 위상 및 제 3 수신 위상 사이의 전환 표현에 대한 절차 그래프이다,
도 4는 프리페이드-리스닝(prefade-listening) 및 데이터 수신 사이 전환을 위한 일당(per day) 활성화에 대한 전류를 표시하는 다이어그램이다,
도 5는 4배 오버샘플링(oversampling)을 가지는 펄스 작동(pulsed operation)에서 데이터 비트에 대한 수신기의 샘플링 신호 또는 스위치 온 펄스(switch-on pulses)의 표시이다,
도 7은 수신기의 전류 소모 및 반응 시간의 다이어그램이다,
도 8은 반응 시간에 따른 전류 소모의 다이어 그램이다.
도 1에 나타낸 본 발명에 따른 수신기 장치는 예를 들어, 안테나(antenna, 2)를 포함하는 슈퍼 헤테로다인 수신기로 설계된 아날로그 수신기(analogue receiver, 1)을 포함한다. 안테나(2)는 HF 반송 신호 및 그 안에 진폭 변조된 비교적 낮은 비트율(bit rate)을 가지는 데이터 비트(data bits)를 포함하는 높은 주파수 신호(RF-신호)를 전달한다. 알려진 방식으로, 수신기(1)는 미표시한 RF 증폭기,예를 들어 직접형 LC 발진기, 예를 들어 자유롭게 진동 국부 발진기에 연결되는 길버트 혼합기(mixer)인 혼합기(mixer), IF 저역 통과, IF 증폭기 및 진폭 변조기를 포함한다.
알려진 방식으로 안테나(2)에 의해 전달된 높은 주파수 신호는 RF 증폭기 에서 일차로 증폭되며, 그 후 중간의 주파수로 믹스 다운(mixed down)된다. 중간 주파수 신호(IF 신호)는 IF 저역을 통해 필터링(filtered)되며, IF 증폭기에 의해 증폭된다. 증폭된 IF 신호는 복조되어서, 복조 신호는 수신기의 출력에 존재한다.
또한, 샘플링 신호를 생성하는 제어 장치(3)가 제공되고, 이러한 샘플링 신호는 수신기 1로 전달되고, 여기에서 소위 전원 차단(power-down) 입력이라 불린다. 따라서, 수신기(1)은 제어 장치(3)에 의해 제어되고, 샘플링 작동에서 적용되며 즉, 제어 장치(3)는 수신기(1)이 활성화되고, 즉 스위치 온되고, 반면 수신기(1)가 스위치 오프, 즉 비활성화되는 동안 짧은 샘플링 펄스의 시퀀스를 전달한다. 스위치 온 조건에서 수신기(1)는 따라서 비교기(9)에서 형성된 샘플링 값의 시퀀스에 의해 값 "0" 또는 값"1"을 가지는 임계값으로 비교되는 짧은 신호 정보 또는 신호 펄스를 전달한다. 비교기는 아래에서 설명하는 평가 장치(4)의 일체형 부분 또는 수신기의 일체형 부분이 될 수 있다.
평가 장치(evaluation device, 4)는 수신기(1)또는 데이터 비트의 시퀀스로 그 안에 포함된 비교기(9)에 의해 전달되는 샘플링 값을 전환하기 위한 수단(means, 5)을 포함한다. 따라서, 수단은 데이터 로직에서 구성된 예를 들어 통합된 순차적 회로로 설계될 수 있으며 예를 들어, 재설정 카운터 및 디지털 비교기를 가진다. 게다가, 수단(5)에 의해 전환된 데이터 비트의 추가 처리(processing)가 또한 제공되고, (6)에서 나타내어진다. 최종적으로, 코드(code)로 미리 규정된 적어도 하나의 데이터 시퀀스에서 인식을 위한 수단(7)은 미리 규정된 데이터 시원스 및 저장된 데이터 시퀀스로 수단(5)에 의해 전달된 데이터 비트를 비교하는 비교 장치를 저장하기 위한 메모리를 포함하는 평가 장치(4)에서 통합된다. 비교에 따른 평가 장치(4)는 수신기(1)의 샘플링의 샘플링 주파수를 변화시키는 전환 신호(8)에 따른 제어 장치(3)로 전환 신호(8)를 전달한다.
따라서, 제어 장치(3)는 다른 샘플링 주파수의 위상에서 수신기(1)에 활성화되고, 다른 샘플링 주파수의 두 위상은 도 2에 표시한다. 제 1 위상에서, 프리페이드-리스닝 위상으로 나타내고, 무선 수신기(1)은 저속 샘플링이며 즉, 제어 장치(3)는 낮은 샘플링 주파수를 가니는 샘플링 펄스에 전달된다. 샘플링 펄스는 도 2에 두번째 스케일(scale)로 개략적으로 나타내며, 저속 샘플링 또는 프리페이드-리스닝은 왼족에 나타낸다. RF 신호는 가장 위의 스케일에서 나타내어 지며, 신호(10)는 전환 시퀀스(switch-over sequence)를 인식하기 위해 수단(7)에서 저장된 데이터 시퀀스로 비교되는 데이터 시퀀스를 나타낸다. 데이터 시퀀스는 예를 들어, 값 "1"을 가지는 연속 비트(consecutive bits)의 시퀀스로 설계된다. 저속 샘플링을 가지는 프리페이드 리스닝 모드는 저장된 데이터 시퀀스로 인식되는 신호(10) 까지 예를 들어, 전환 기준을 이행하는 무선 수신기(10)의 수신된 데이터 비트 까지 선택되어 남아있다. 데이터 시퀀스는 예를 들어, 값 "1"을 가지는 8 연속 비트의 시퀀스가 될 수 있고, 장치로 전환 신호(8)가 생성되며, 또는 다른 예에서 8 연속 비트 중 적어도 5가 "1"로 수신될 때, 전환이 개시될 수 있다.
이 경우에서, 제어 장치(3)는 고속 샘플링으로 전환되고, 도 2의 오른편에 나타내어진다. 이제부터, 데이터 수신의 제 2 위상에서 사용가능한 신호(11)는 샘플링 되며, 높은 샘플링 주파수 또는 수신률로 수신되고, 수단(5)로 평가 장치(4)에서 전환되며, 이 경우에로 처리 장치(6)에 의해 처리될 수 있고 출력 신호는 평가 장치의 출력에서 사용가능하게 만들어진다. 따라서, 처리 장치(6)은 예를 들어 1:1 - 1:8인 데이터 신호를 무한히 내리는 다운 샘플러(downsampler)가 될 수 있다.
다른 샘플링 주파수의 위상 사이 전환 동안 그래프는 도 3a 및 3b에 나타내고, 두 위상은 도 3a)에서 인식되고, 명확히 샘플링의 세 위상 동안 저속 샘플링을 가지는 프리페이드-리스닝(prefade-listening) 및 고속 샘플링을 가지는 데이터 수신은 도 3b)에 나타낸다.
조건(12)와 도 3a)는 제어 장치(3)에 의해 수신기(1)의 저속 샘플링을 나타내고, 여기서 샘플링 주파수는 250 Hz 및 샘플링 펄스의 지속 시간은 100 ns, 즉 수신기(1)의 매 4 ms 마다 100ns에 대한 스위치 온이다. 평균 전류 소비는 0.25μs이다. 따라서 수신기(1)는 도착이 예상되는 신호의 여부로 전송 채널 안으로 수신대기 한다. 도 3에서 프리앰블(preamble)로 나타내는 신호(10)(도 2에 도시)의 경우 수신되며, 수단(7)에 의해 8 비트 시퀀스 "11111111" (전환 주파수)로 인식되고, 제어 장치(3)는 다른 위상 내 즉, 조건(12)에 의해 표시된 고속 샘플링 내에 샘플링 전환된다. 이러한 조건으로, 샘플링 주파수는 실시예에서 4 kHz이다. 제이터 수신은 32비트를 가지는 웨이크 업 코드 및 8 kbps의 데이터율이며, 8배 오버샘플링은 64 kHz에서 일어난다. 평균 전류 소모는 제 2 위상에 대한 결과로 64 μA의 데이터 수신의 지속 기간에 걸쳐 평균을 낸 것이다. 데이터 수신의 제 2 위상에서, 수신기의 신호(11)는 복조되며, 평가 장치에서 처리되어서, 평가 장치의 출력에서 데이터로 이용 가능하다.
예로 위에 명시된 경우, 수신기 장치는 웨이크 업(wake-up) 수신기로 설계되고, 신호(11)는 언급한 웨이크 업 시퀀스(wake-up sequence)로 표현된다. 즉, 비교에 대한 웨이크 업 코드(wake-up code)는 또한 평가 장치(4)에 저장되고, 주어진 일치에서, 웨이크업 신호(wake-up signal)는 예를 들어 무선 노드(radio node) 내에서 서로 연결되는 다른 수신기로 전송될 수 있다. 수신기에서 웨이크 업 코드가 32 데이터 비트의 판독으로 인식되는 경우, 하나는 도 3에 따른 프리페이드-리스닝 모드(prefade-listening mode) 내 (15)를 통해 자동적으로 전환된다.
평균 전류 소비는 일당 활성화의 수 또는 수신된 전환 시퀀스(8-비트)의 개수에 따라 표현된다. 즉, 도 3a의 다이어그램을 따라 프리페이드-리스닝 모드 및 데이터 수신 모드 사이 전환(switching-over)은 도 4에 나타내며, 특히 하루 동안의 평균을 낸다. 이론상으로, 수신기 장치에서 전환 시퀀스의 연속된 수신(uninterrupted reception)은 전류 소비가 최대 값에 도달 하는 효과를 가진다. 단일단(single-stage) 작동에서 즉, 상부 곡선에 따라 일정한 샘플링으로, 최대 값은 64μA이다. 프리페이드 리스닝 및 데이터 수신 사이 일정한 전환으로, 일당 240만 전환 절차에 대응하는 최대 값 7.3μA은 도 3의 전후 관계에서 명시된 수 값(number values)을 야기한다. 본 발명에 따른 이 방법이 일정한 샘플링 속도의 방법으로 수신기 장치의 작동와 비교되는 경우, 전류 절약은 최대 256 팩터(factor)에 있다. 따라서, 다음 실행에서, 0.28μA의 전류 소모로 일당(약 매 8초) 최대 10'000 시간의 전환 주파수는 달성될 수 있다(도 4의 ①). 0.55μA의 전류 소모로, 일당 100'000의 전환 주파수도, 약 매 0.8초로 달성될 수 있다(도 4의 ②).
다른 샘플링 주파수의 세 위상을 가지는 전송 방법은 도 3b)에 표현되고, 예를 들어 센서 데이터 또는 식별, 원격 제어 명령 또는 구성 데이터의 증명을 포함하는, 예를 들어 제 1 사용가능한 데이터 및 제 2 사용가능한 데이터로 웨이크업 시퀀스(wake-up sequence)를 사용하는 웨이크 업 수신기의 경우에 유효할 수 있고 뿐만 아니라, 뿐만 아니라 사용 가능한 데이터 패키지의 길이 또는 자세한 끝에 관한 세부 사항에 관한 것이다.
다시 말하면, 수신으로 비트가 8배 값 "1"을 가지는 전환 시퀀스(프리앰블(preamble))로, 하나는 사용 가능한 데이터(웨이크 업 시퀀스)의 수신을 위해 급속 샘플링(13) 내에 전환된다. 이 경우에서, 추가 사용가능한 데이터가 전송되고, 그 다음에 분기(branch, 15)에 따라, 하나는 저속 샘플링(프리페이드-리스닝)(12) 내에 전환된다. 추가 가능성은 전송될 수 있는 코드 B(16)의 형식으로 데이터 시퀀스에 대한 것이며, 이후 인식으로, 제어 장치(3)는 더 사용 가능한 데이터를 수신할 수 있는 급속 샘플링(17)과 함께 세 위상 내에 전환된다. 전송 완료 후, 도 3a)에 따른 하나는 타이머(14) 또는 추가 전환 기준(switch-over criterion)을 통해 저속 샘플링(slow sampling, 12) 내에 전환될 수 있다.
다음에서, 빠른 샘플링과 위상에 대한 몇 가지 실시예는 예시에 의해 주어진다.
무선 수신기가 오버샘플링을 가지는 펄스 작동에 적용되는 경우, 스위치 온 간격(switch-on period) T 즉, 수신기의 스위치 온 및 오프는 비트 기간 Tb (현재 1 ms)보다 작다. 12 μA의 낮은 전류 소비를 달성 하기 위해, 스위치 온 기간 TON 은 250 ns 이하로 매우 짧게 선택되야 한다(도 5에 도시). 따라서, 예를 들어 4 kHz의 샘플링 주파수가 선택되어서, 각 수신된 데이터 비트는 비동기화 무선 수신으로 4번 샘플링될 수 있고, 따라서 하나는 블라인드 방식(blind manner)으로 오버샘플링되며, 적어도 4의 오버샘플링 속도가 추정된다(도 5에 도시). 이와 1 kbps의 데이터 수신과 오버샘플링 펄스 작동에 대한 다음의 조건이 공식화된다 :
T ≤ 250 μs ⇔ 샘플링 속도≥4 kHz)
TON ≤ 250 ns ≤D·T (D의 샘플링 비에 대한 <= 0.1 %).
4배 오버샘플링을 가지는 펄스 작동에서 각각의 데이터 비트의 각각 샘플링 포인트(sampling point)의 게인(gain)은 도 5에 나타낸다.
도면의 왼쪽 부분은 각각의 데이터 비트간 스위치 온 펄스를 나타낸다. 스위치 펄스 또는 여러 데이터 비트의 비동기(asynchronous) 수신을 가지는 샘플링 펄스의 많은 수는 도면의 오른쪽 부분에 나타낸다.
오버샘플링을 가지는 펄스 작동에 대한 매개 변수

간격 T
TON
샘플링 속도
오버샘플링 비
(=Tb 비트 기간 동안 스위치온 펄스의 수)

반응 시간
(= 무선 전보(radio telegram)의 지속 기간)

100 μs
100 ns
10 kHz
10
30 ms

200 μs
200 ns
5 kHz
5
30 ms

250 μs
250 ns
4 kHz
4
30 ms

1 μs
1 μs
1 kHz
1 (매우 낮은)
-
100 ns - 250 ns 의 TON 에 대한 허용 값 범위는 표 1로부터 이해되어서, 복합 오버샘플링(multiple oversampling, OVS)이 성공적이다. 평가가 지속적으로 영향을 받으며 마디(word)의 완전한 수신 후 반응 할 수 있기 때문에 하나의 마디의 기간은 반응 시간으로 표시 될 수 있다. 예로, 웨이크 업 코드(wake-up code)는 마디로 보일 수 있고, 즉 웨이크 업 수신(wake-up reception)으로 평가는 코드의 종결 후 직접 반응한다.
4배 오버샘플링을 가지는 스위치 온 간격(switch-on period)에 따르는 허용 데이터율은 도 6에 나타낸다.
오버샘플링 수신기에 대해, 최대로 가능한 데이터율은 스위칭 간격 T가 감소하면 증가한다(도 6에 도시). 데이터율 1/Tb 은
Figure 112013001799677-pct00001
로 계산된다.
스위치 온 간격은 최대에서 250μ가 될 수 있어서, 4배 오버샘플링을 가지는 1kbps의 데이터율은 수신기에서 얻을 수 있다. 이는 250 ns의 최대 스위치 온 간격 TOn 을 수반한다.
샘플링 속도 또는 10 kHz의 샘플링 주파수 및 100ns의 스위치 온 간격에 대하여, 2.5 kbps의 달성가능한 데이터율을 야기한다. 따라서 30 비트 무선 전보(radio telegram)는 7.5 ms에서 전송된다. 2년의 최대 작동 기간은 210 mAh 리튬 버튼 셀 CR2032 을 야기한다. 따라서, 동시의 낮은 전류 소비(12μA)를 가지는 낮은 반응 시간의 크기는 오버샘플링비(oversampling radio) 수신기의 개념에 대해 나타낸다.
스위치 온 간격 T에 따르는 반응 시간 및 전류 소비는 도 7에 나타낸다. 데이터율이 다양하며, 수신기가 30 비트의 고정된 텔레그래프 길이(telegraph length)를 위해 설계되는 경우, 패키지 기간(package duration)은 증가하는 스위치 간격 T와 같이 증가한다(도 7에 도시). 전보(telegram)에 대한 반응 시간은 Treaction = TON/D = 30 ·4 ·T로 4배 오버샘플링과 함께 계산된다.
250 μs 스위치 온 간격에 대해, 반응 시간은 30 ms이며, 그 때의 데이터 율은 1 kbps이다. 1 초의 반응 시간은 8.33 ms의 간격의 스위치온에 대하여 달성가능하다. 동시적으로 평균 전류 소비는 큰 간격으로 감소된다(도 7의 오른쪽에 도시):
Figure 112013001799677-pct00002
100 ns의 고정된 스위치 온 기간 TON 및 12 mA의 수신기 전류 소비IRX, ON 는 계산에 의해 추정된다.
전류 소비가 반응시간 통해 계산되는 경우, 그 결과이다
Figure 112013001799677-pct00003
.
도 8은 전슈 소비 및 반응 시간 관계를 그래프 방식으로 보여준다. 큰 반응 시간은 10μA 아래로 상당히 감소하는 전류 소비를 허용한다. 1.44 μA의 매우 낮은 평균 전류 소비는 100ns의 추정된 스위치 온 간격과 100 ms 반응시간으로 달성될 수 있다. 버튼 셀 작동(CR2032, 210mAh)으로 16년의 이론상 작동 기간을 야기한다. 위의 실시예는 고속 샘플링 및 저속 샘플링의 적용에 따라 명시된다.
예로서 위의 실시예는 고속 샘플링으로 다른 영향을 미치는 매개 변수를 나타낸다. 따라서, 정합 매개 변수(matching parameter)는 원하는 결과에 따른 방식으로 선택될 수 있다.

Claims (18)

  1. 아날로그 수신기(1), 평가 장치(4) 및 제어 장치(3)를 포함하고, 반송 신호로 변조되는 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 장치로서,
    상기 제어 장치(3)는 샘플링 펄스(sampling pulses)에 의해 상기 아날로그 수신기를 제어하고, 상기 아날로그 수신기는 샘플링 펄스 동안 스위치 온 되어 전송 신호를 수신할 준비를 하고, 샘플링 중지 동안 스위치 오프되어 전송 신호를 수신하지 않으며,
    상기 평가 장치(4)는 샘플링 펄스 동안 상기 아날로그 수신기(1)로부터 전달된 수신 신호로부터 데이터 비트 시퀀스를 생성하며,
    상기 제어 장치(3)는 적어도 하나의 미리 규정된 전환 기준에 따라, 다른 샘플링 주파수 범위를 가지는 샘플링 펄스의 위상 사이에서 상기 아날로그 수신기(1)의 활성화를 전환하도록 설계되며,
    상기 전환 기준(switch-over criterion)은 상기 평가 장치(4)에 저장되는 적어도 하나의 미리 규정된 데이터 시퀀스이고,
    상기 평가 장치(4)는 미리 규정된 데이터 시퀀스를 인식하기 위한 수단(means, 7)을 포함하며, 수신 데이터 비트 시퀀스가 미리 규정된 데이터 시퀀스와 일치하면, 상기 수단(7)은 하나의 샘플링 주파수 범위를 가지는 샘플링 펄스의 한 위상으로부터 다른 샘플링 주파수 범위를 가지는 샘플링 펄스의 다른 위상으로 변경하기 위한 상기 제어 장치(3)로 전환 신호를 전달하며,
    제1 위상에서 두 샘플링 펄스 및 샘플링 중지 사이의 샘플링 비는 1:1,000,000 내지 1:10,000이고 제2 위상에서 두 샘플링 펄스 및 샘플링 중지 사이의 샘플링 비는 1:5,000 내지 1:125인 것을 특징으로 하는, 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 다른 미리 규정된 데이터 시퀀스는 또 다른 샘플링 주파수 범위를 가지는 또 다른 위상에 대한 전환 기준으로 상기 평가 장치에 저장되는 것을 특징으로 하는, 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전환 기준은 상기 평가 장치(4) 또는 상기 제어 장치(3)에 의해 설정될 수 있는 미리 규정된 지속 시간이며, 적어도 두 위상 사이의 전환 신호를 활성화시키는 것을 특징으로 하는, 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    제 1 샘플링 주파수 범위를 가지는 제 1 위상 및 제 2 샘플링 주파수 범위를 가지는 제 2 위상 및 선택적으로 제 3 샘플링 주파수 범위를 가지는 제 3 위상이 제공되며,
    상기 제 2 샘플링 주파수 범위는 상기 제 1 샘플링 주파수 범위보다 높은 샘플링 주파수를 포함하며,
    선택적으로 제 3 샘플링 주파수 범위는 제 2 샘플링 주파수 범위 이상의 샘플링 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는, 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    제 2 위상 이후 또는 선택적으로 제 3 위상 이후에, 상기 평가 장치(4) 및 상기 제어 장치(3)가 추가 전환 기준에 따라, 제 1 위상으로 전환하도록 설계되며,
    상기 추가 전환 기준은 미리 규정된 데이터 시퀀스 또는 미리 규정된 지속 시간인 것을 특징으로 하는, 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    샘플링 주파수가 한 위상 내에서 일정한 것을 특징으로 하는, 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 위상의 샘플링 주파수 범위는 다양한 샘플링 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는, 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    적어도 한 위상의 샘플링 주파수는 반송 신호로 변조된 데이터의 비트율에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는, 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    제1 위상의 샘플링 주파수는 10 내지 1000 KHz이고 제 2 위상의 샘플링 주파수는 2 kHz 내지 80 kHz인 것을 특징으로 하는, 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    적어도 제 2 위상에서 샘플링 주파수는 반송 신호로 변조된 데이터의 비트율과 적어도 동일한 것을 특징으로 하는, 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    제 1 위상에서의 두 샘플링 펄스 및 샘플링 중지 사이의 샘플링 비(sampling ratio)는 1:40'000이고, 제 2 위상에서의 두 샘플링 펄스 및 샘플링 중지 사이의 샘플링 비(sampling ratio)는 1:1'250인 것을 특징으로 하는, 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    적어도 제 1 위상에 대한 샘플링 펄스의 지속 시간은 100 ns인 것을 특징으로 하는, 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 평가 장치는 상기 아날로그 수신기의 스위치 온 간격에서 감지되는 각 샘플링 값에 따라 평가를 실행하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 아날로그 수신기(1) 또는 상기 평가 장치(4)는 비교기(9)를 포함하고, 상기 비교기(9)는 임계값과, 샘플링 펄스 동안 전달된 진폭 변조(amplitude-modulated) 수신 신호를 비교하고, 샘플링 값을 형성하는 것을 특징으로 하는, 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 장치.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 아날로그 수신기의 구성요소의 정착 시간이 100 ns 보다 작은 것을 특징으로 하는, 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 장치.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 아날로그 수신기(1)는 슈퍼 헤테로다인(super heterodyne) 수신기로 설계되는 것을 특징으로 하는, 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 장치.
  17. 제10항에 있어서,
    적어도 제 2 위상에서 샘플링 주파수는 반송 신호로 변조된 데이터의 비트율배수인 것을 특징으로 하는, 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    적어도 제 2 위상에서 샘플링 주파수는 반송 신호로 변조된 데이터의 비트율의 8배인 것을 특징으로 하는, 데이터의 무선 수신을 위한 수신기 장치.
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