Adaptive low power receiver combining ADC resolution and digital baseband for wireless sensors networks based in IEEE 802.15.4 standard

Abstract

With the increase of Internet of Things applications and devices, many efforts to reduce power consumption in transceiver has been invested. Most of them targeted in RF frontend, converters, or in the digital baseband architecture individually. As result, there are few margins nowadays for power improvement in these blocks singly that compensates the huge hard work required. The next optimization step leads to a system level analysis seeking design space and new possibilities expansion. It is in this field that adaptive systems approaches are conquering ground recently. The solutions combines Radio Frequency (RF) and process variation techniques, Low Pass Filters (LPF) and Analog to Digital Converters (ADCs) adjustment for better performance, digital baseband bit width adaptive according to income packet SNR, configurable ADC resolution and topology, and others. In this scenario the current work proposes an adaptive system level architecture targeting ADC and digital receiver power reduction. It uses a robust algorithm for digital baseband receiver, a Sigma-Delta ADC, and suggests a feedback control block based on packet SNR measure. The system was designed for the IEEE 802.15.4 standard and required system modeling using Matlab tool, hardware description in Verilog language, and logic synthesis using X-FAB XC018 process for validation and power consumption estimation. Simulations show up to 15% of system power reduction and still meeting the standard requirements. The work results were published in the International Instrumentation and Measurement Technology Conference of 2014 occurred in Montevideo - Uruguay.

Com o aumento das aplicações e dispositivos para Internet das Coisas, muitos esforços para reduzir potência dissipada nos transceptores foram investidos. A maioria deles, entretanto, focam individualmente no rádio, nos conversores analógicos para digital e viceversa, e na arquitetura de banda base digital. Como consequência, há pouca margem para melhorias na potência dissipada nestes blocos isolados que compense o enorme esforço. Portanto, este trabalho propõe uma arquitetura adaptativa a nível de sistema focando em reduzir o consumo no conversor analógico para digital e no receptor digital. Ele utiliza um algoritmo robusto para o receptor banda base digital, um conversor analógico para digital topologia Sigma-Delta e um bloco de controle realimentado conforme a relação sinal ruído medida do pacote recebido. O sistema foi projetado para o protocolo IEEE 802.15.4. Para validação do sistema e estimar a potência consumida foi feito um modelo de sistema utilizando a ferramenta Matlab, uma descrição do hardware em linguagem Verilog e uma síntese lógica utilizando o processo da X-FAB XC018. As simulações mostram uma redução na potência consumida pelo sistema de até 13% e ainda atingindo os requisitos do protocolo. Os resultados deste trabalho foram publicados na conferência internacional em tecnologia de instrumentação e medidas de 2014 realizada na cidade de Montevidéu no Uruguai.