Outlooks on Radio Transmitter Energy Efficiency and Ultra-Low Power Radio Transmitters
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2024-04-10
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
157 + app. 55
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 65/2024
Abstract
The number of wireless electronic devices in the world continues to grow at a rapid pace. The wireless devices are powered by limited energy sources and require energy-efficient electronic circuitry to maximize the operating time. Radios can consume a significant share of the power budget of a wireless device. Researchers and designers have, therefore, innovated numerous ultralow power (ULP) radio transmitters and receivers. Such ULP transmitters have conventionally used mostly on-off keying (OOK), binary phase-shift keying (BPSK) or binary frequency-shift keying (BFSK). These modulation schemes enable low power consumption – even below 100 μW – as they only require low-complexity transmitter circuitry and a relatively low signal-to-noise ratio (SNR) for a given error probability. This thesis investigates the option of using M-ary pulse-position modulation (PPM) and differential PPM (DPPM) in ULP narrowband transmitters in lieu of the conventionally used modulation schemes. The goal is to evaluate whether or not they could achieve better energy efficiency. The benefits and disadvantages of PPM and DPPM are reviewed and their energy efficiency is compared with OOK, BPSK and BFSK in a new way. In ULP transmitters, the power amplifier and carrier synthesizer generally consume the most power. The new comparison method considers how the choice of modulation impacts the combined energy consumed by these blocks per bit. The results suggest that use of OOK, BPSK and BFSK can consume tens to hundreds of percents more energy per bit compared to PPM and DPPM. The M-ary PPM schemes are predicted to be particularly energy-efficient in low-output-power transmitters. To evaluate the energy efficiencies of transmitter implementations, a new figure of merit (FOM) is derived. In prior ULP transmitter publications, the energy efficiency FOMs have neglected the effect of noise bandwidth and the choice of modulation. However, it is practically the output power and noise bandwidth that together determine the SNR of the generated signal. Moreover, this SNR and the SNR required by the modulation scheme significantly impact the achievable uplink range. By accounting for these metrics in addition to the energy consumption per bit (EPB), an FOM is obtained that provides a more comprehensive view of transmitter energy efficiency than the comparison metrics that have been used before. Two ULP DPPM radio transmitter implementations are presented with measured results. The first one achieves one of the lowest EPBs while still enabling an uplink range of 30 meters. The second one consumes more energy per bit but enables an uplink range of up to 1 km. An FOM comparison with prior transmitters, including recent sub-mW Bluetooth Low Energy transmitters, suggests that the latter transmitter is state of the art in terms of energy efficiency. In addition to the transmitters, an experimental ULP capacitive gesture sensor interface is presented with measured results. It enables hand-sweep and push-gesture detection over a short range.Langattomien elektronisten laitteiden määrä on kasvussa. Langattomilla laitteilla on käytettävissään rajallinen määrä tehoa ja energiaa ja ne tarvitsevat energiatehokkaita elektroniikkapiirejä toiminta-ajan maksimoimiseksi ja toimintakatkosten välttämiseksi. Radiopiirit voivat kuluttaa huomattavan osan laitteen kuluttamasta tehosta. Sen takia viime aikoina on tutkittu ja kehitetty äärimmäisen pienen tehonkulutuksen radiovastaanottimia ja -lähettimiä. Näissä lähetinratkaisuissa on tyypillisesti käytetty yksinkertaisia binäärisiä modulaatiomenetelmiä, jotka mahdollistavat pienen tehonkulutuksen, koska ne tarvitsevat vain yksinkertaisia, pienen tehonkulutuksen piiriratkaisuja ja verrattain pienen signaali-kohinasuhteen halutun bittivirhetodennäköisyyden saavuttamiseksi. Tässä väitöskirjassa tutkitaan, voisiko monibittisen pulssinpaikkamodulaation (PPM:n) ja differentiaalisen PPM:n (DPPM:n) avulla saavuttaa paremman energiatehokkuuden verrattuna tyypillisesti käytettyihin binäärisiin modulaatiomenetelmiin. Modulaatioiden energiatehokkuutta verrataan uudella menetelmällä. Pienen tehonkulutuksen lähettimissä oskillaattori ja tehonvahvistin voivat kuluttaa suurimman osan tehosta. Sen takia menetelmällä arvioidaan, miten paljon tehonvahvistimen ja oskillaattorin summattu energiankulutus muuttuu, kun lähettimen lähetysteho skaalataan modulaatiokohtaisen signaali-kohinasuhdevaatimuksen mukaisesti. Tulosten perusteella perinteisesti käytetyt binääriset modulaatiomenetelmät voivat vaatia jopa satoja prosentteja suuremman energiankulutuksen per lähetetty bitti kuin PPM ja DPPM. Tulokset ennakoivat, että PPM ja DPPM ovat erityisen energiatehokkaita, jos lähetysteho on erittäin pieni. Työn osana esitellään uusi laskentakaava radiolähettimen energiatehokkuuden määrittämiseksi. Kaavassa otetaan huomioon lähettimen tuottaman signaalin vaatima kohinakaista ja modulaatiomenetelmän vaatima signaalikohinasuhde, jotka on jätetty huomioimatta vastaavissa kaavoissa, joita on käytetty lähetinvertailuissa aikaisemmissa lähetinjulkaisuissa. Nämä tekijät vaikuttavat huomattavasti saavutettavissa olevaan kantomatkaan ja sitä kautta energiatehokkuuteen. Uusi kaava antaa kattavamman kuvan lähettimen energiatehokkuudesta kuin aiemmin käytetyt kaavat. Teoreettisen osan lisäksi väitöskirjassa esitellään kaksi erittäin vähän tehoa kuluttavaa, pulssinpaikkamodulaatiota hyödyntävää radiolähetintä. Ensimmäinen näistä saavuttaa yhden pienimmistä tehonkulutuksista ja energiankulutuksista per bitti verrattuna vastaaviin radiolähettimiin. Silti sen lähettämä data saatiin vastaanotettua mittauksissa 30 metrin päässä lähettimestä. Toinen lähetin kuluttaa enemmän energiaa per bitti, mutta saavuttaa jopa kilometrin kantaman ja on yksi energiatehokkaimmista radiolähettimistä verrattuna vastaaviin julkaistuihin radiolähettimiin. Lähettimien lisäksi työssä esitellään kokeellinen, erittäin vähän tehoa kuluttava eleanturirajapintapiiri, joka mahdollistaa pyyhkäisy- ja painalluseleiden tunnistamisen lyhyellä etäisyydellä.Description
Supervising professor
Halonen, Kari, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, FinlandThesis advisor
Halonen, Kari, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, FinlandKeywords
RF, radio, transmitter, energy efficiency, low-power, gesture sensor, RF, radio, radiolähetin, lähetin, energiatehokkuus, matalatehoinen, eleanturi
Other note
Parts
-
[Publication 1]: M. Pulkkinen and K. Halonen, “Outlooks on transmitter energy efficiency and FOM and a –189.7-dBJ/bit ULP DPPM transmitter”, IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 70, no. 4, pp. 1772–1785, Apr. 2023.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202305032937DOI: 10.1109/TCSI.2023.3238312 View at publisher
-
[Publication 2]: M. Pulkkinen, T. Haapala, J. Salomaa, and K. Halonen, “Low-power wireless transceiver with 67-nW differential pulse-position modulation transmitter”, IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 67, no. 12, pp. 5468–5481, Dec. 2020.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202101251416DOI: 10.1109/TCSI.2020.3013065 View at publisher
-
[Publication 3]: M. Pulkkinen, J. Salomaa, and K. Halonen, “Low-power single-stage narrowband transmitter front-end for 433-MHz band”, in Proc. IEEE International Symposium on Circuits and Systems, Florence, Italy, pp. 1–4, May 2018.
DOI: 10.1109/ISCAS.2018.8351402 View at publisher
-
[Publication 4]: M. Pulkkinen, T. Haapala, J. Salomaa, and K. Halonen, “45.2% energy efficiency improvement of UWB IR Tx by use of differential PPM in 180nm CMOS”, in Proc. IEEE International Symposium on Circuits and Systems, Montreal, Canada, pp. 193–196, May 2016.
DOI: 10.1109/ISCAS.2016.7527203 View at publisher
-
[Publication 5]: M. Pulkkinen, J. Salomaa, M. M. Moayer, T. Haapala, and K. Halonen, “462-nW 2-axis gesture sensor interface based on capacitively controlled ring oscillators”, in Proc. IEEE International Symposium on Circuits and Systems, Baltimore, MD, USA, pp. 1–4, May 2017.
DOI: 10.1109/ISCAS.2017.8051005 View at publisher