A.C.W. Wong, “Ultra Low Power Wireless SoC Design for Wearable BAN,” in Efficient Sensor Interfaces, Advanced Amplifiers and Low Power RF Systems, K.A.A. Makinwa et al. (eds.), Springer, 2016, Ch.14. DOI: 10.1007/978-3-319-21185-5_14

项目内容
作者A.C.W. Wong (Toumaz Ltd, UK)
工艺65 nm CMOS
应用WBAN (Wireless Body Area Network) 医疗监测
频率2.36–2.5 GHz
电源1.1–3.3 V (单电池)
平均功耗~0.5 µW (低占空比)
峰值功耗<6 mW (IEEE802.15.6 mode)
数据率1.2 Mbps (through-the-air)

1. 引言

WBAN (Wireless Body Area Network) 由佩戴或植入人体的传感器节点组成,用于监测生命体征(体温、心率、ECG)或刺激生理功能(起搏器、人工耳蜗)。传统上各厂商使用私有协议,限制了 BAN 的可扩展性。IEEE 802.15.6 工作组于 2012 年 2 月发布了专为人体周围低功率高可靠通信设计的国际标准。

2. 无线协议与标准

2.1 IEEE 802.15.6

单一 MAC 层支持星形或两跳星形拓扑,内置 QoS、MICS 频段通信、紧急通信、安全机制(强加密)、宏观/微观电源管理、共存与干扰缓解。接入方法包括:调度/随机/即兴。

三种 PHY 层:

  • Narrow Band (NB) PHY:专为超低功率生物遥测优化
  • Ultra Wide Band (UWB) PHY:高数据率娱乐应用
  • Human Body Communications (HBC) PHY:人体作为信道

2.2 Bluetooth LE

Bluetooth 4.0 (LE/SMART) 专为低数据率、不频繁通信优化。4.2 版本增加了 LE Secure Connections 和 LE Data Length Extension。主要优势:GFSK 调制的 AM-free 简化实现、巨大市场渗透率。

2.3 标准对比

特性IEEE 802.15.6 NBBluetooth LE 4.0
频段多频段 (含 MBANs 医疗专属)2.4 GHz ISM
调制π/2-DBPSK, π/4-DQPSKGFSK
信道效率更高 (DPSK 频谱紧凑)较低
链路预算更优 (同功率/数据率)略差
突发功耗较高 (需 DPSK 调制)更低 (GFSK 简单)
市场渗透新兴已普及

3. SoC 架构

WBAN SoC 的关键特性(优化低功耗):

  • 无线 PHY:峰值功耗最大,需降低占空比
  • 传感器接口:可连续/伪连续工作,ADC 通过 TDMA 采样多传感器
  • 电源管理:最小化自身功耗,优化唤醒/模式切换时间
  • 本地处理:在节点上处理生理信号(如 ECG QRS 检测)减少空口传输

4. 无线架构

4.1 接收机架构

零/低中频架构:需要 fRF 附近的正交 LO,功耗挑战大。

Sliding-IF 架构:双变频,第一和第二 LO 呈谐波关系。正交 LO 在更低频率生成 (fRF/(N+1))。优势:

  • LO 生成功耗显著降低
  • DC 偏移和 flicker 噪声减小
  • 镜像频率在 fRF ± (2×fSLIDINGIF),窄带系统中可由 LNA 调谐电路滤波

后端 ADC:

  • 低动态范围 ADC:需额外放大、滤波和 DC 校正
  • 高动态范围 ADC:可直接接混频器输出,但需过采样(MHz 时钟)

4.2 发射机架构

四种架构:

  • 零/低中频 IQ 调制器:功耗高,需正交 LO
  • Sliding-IF:最后一级实混频器产生双旁瓣,浪费一半能量
  • 环路调制器 (Loop Modulator):将数据直接在 PLL 内调制,省去混频器,但在 VCO 和 PA 间需插入分频器避免牵引
  • 直接相位选择发射机:需多相 LO,可用注入锁定技术实现超低功耗

4.3 合成器架构

模拟 PLL (PFD-CP) vs ADPLL:

  • ADPLL 的 TDC 功耗是关键限制
  • 研究趋势:用性能功耗与 PFD-CP 相当的 TDC 替代方案
  • 足够小的 CMOS 节点下 ADPLL 在 WBAN 中逐渐可行

5. 65nm CMOS WBAN SoC 案例研究

5.1 无线收发机

采用 Sliding-IF 接收机 + 环路调制发射机,PLL/VCO 内有两点的频率和相位调制端口,PA 端有 AM 调制端口,以最小化峰值功耗。

5.2 数字子系统

  • IEEE802.15.6 MAC 硬件实现(低功耗):RX/TX 包处理器、定时同步、DMA
  • 蓝牙 LE Link Layer 由硬件/软件分拆
  • 32-bit RISC 处理器,外设:2×UART, 2×SPI, I2C, JTAG
  • 数字时钟最高 24 MHz (直接源自 RF 晶振)
  • 多电源域 + 广泛时钟门控
  • 安全:256-bit ECDH 密钥交换 + AES-128 CCM + 随机数发生器

随机数发生器:substrate PNP shot 噪声 + 电阻热噪声 → 电压放大 + 限幅器 → 差分拓扑 + DC 校正环路

5.3 传感器接口

  • 12-bit ADC,采样率 ≤1 ksps
  • ECG 前端:3V 体表接口(减少运动伪影)
  • 采用 DDA (Differential-Difference-Amplifier) 实现高 CMRR
  • 满足 ECG 医疗设备标准 IEC 60601

5.4 电源管理

  • 单电池 1.1–3.3 V 输入
  • PSU 含多路稳压器
  • 所有电路可独立电源门控(含晶振)
  • 纳米功耗睡眠定时器 (~400 nW, 100 ppm 精度,定期校准至晶振)
  • 深睡模式:PMU 保持协议状态参数
  • 唤醒时:快速即时启动时钟 → 重载状态参数 → 最小化延迟

5.5 实现与性能

  • 65nm CMOS, 7.84 mm², 5×5×0.9 mm³ VQFN/MLF 封装
  • IEEE802.15.6 NB PHY RATE3: 峰值 <6 mW
  • 低占空比时平均功耗趋向 0.5 µW
  • VCO & RFPLL 工作于或低于 RF 频率
  • 1.1 V 单电源工作

6. 结论

  • WBAN 节点间的互操作性实现多传感器数据融合,改善临床结果
  • 全集成 CMOS SoC 以低成本达成目标
  • 关键设计策略:滑动-IF 接收机、极性环路调制发射机、专用快速响应 PMU、纳米功耗睡眠定时器
  • 65nm CMOS SoC 实现了 IEEE 802.15.6 NB PHY 和 Bluetooth LE 双模互操作

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