Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)

Máy Thu Tín Hiệu Điều Chế CMS-OOK
Công Suất Thấp Trên Công Nghệ SOTB 65nm
Ứng Dụng Cho Mạng Cảm Biến Không Dây
Nguyễn Văn Trung, Nguyễn Thuỳ Linh, Kiều Khắc Phương, và Nguyễn Huy Hoàng
Khoa Vô Tuyến Điện Tử, Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự
236 Hoàng Quốc Việt, Bắc Từ Liêm, Hà Nội
Email:
Abstract — Hiện nay, mạng cảm biến không dây
(MCBKD) đã và đang thu hút được nhiều sự quan tâm
của các nhà khoa học bởi những tiềm năng ứng dụng to
lớn của nó trong hầu hết các lĩnh vực đời sống. Để duy trì
thời gian hoạt động lâu dài với nguồn cung cấp năng
lượng hạn chế, các nốt cảm biến (NCB) được yêu cầu có
cơng suất tiêu thụ thấp. Sơ đồ điều chế CMS-OOK đã
được đề xuất với các ưu điểm về hiệu quả sử dụng năng
lượng, nâng cao khả năng chống nhiễu cho hệ thống thu
phát vô tuyến. Máy phát CMS-OOK được thực hiện trên
công nghệ CMOS SOTB 65nm đã cho thấy sự hiệu quả
về mặt năng lượng sử dụng cũng như cho phép sử dụng
các bộ khuếch đại công suất với độ tuyến tính khơng cao.
Trong bài báo này, chúng tơi đề xuất một cấu trúc máy
thu để thu tín hiệu điều chế CMS-OOK với công suất
tiêu thụ thấp và khả năng chống nhiễu được cải thiện.
Máy thu được thực hiện trên công nghệ CMOS SOTB
65nm của Renesas. Kết quả mô phỏng cho thấy, máy thu
hoạt động ở dải tần 2.4GHz, tốc độ dữ liệu 1kbps đạt độ
nhạy -76dBm, tiêu thụ công suất 38.8uW với điện áp
nguồn cung cấp 1V cho phần mạch tương tự và 0.5V cho
phần mạch số. Bên cạnh đó, việc sử dụng bộ tương quan

số giúp nâng cao khả năng chống nhiễu của hệ thống thu
phát sử dụng điều chế CMS-OOK.

nên vô dụng nếu các nguồn năng lượng này bị cạn kiệt
và sẽ chỉ trở lại khi vấn đề nguồn cung cấp được giải
quyết. Để kéo dài thời gian hoạt động của các NCB sử
dụng nguồn năng lượng hạn chế, một trong các giải
pháp trực tiếp nhất là cắt giảm công suất tiêu thụ của
phần thiết bị thu phát tín hiệu vơ tuyến của các NCB
kết hợp với chế độ làm việc hợp lý [2]. Để giải quyết
vấn đề này, nhóm tác giả trong [3] đã đề xuất sơ đồ
điều chế mã đồng bộ OOK (Code-Modulated
Synchronized On-Off Keying - CMS-OOK) kết hợp
với kỹ thuật điều tần nhờ điều khiển điện áp cực thân
của thiết bị SOTB CMOS. Kết quả mô phỏng và đo
đạc thực nghiệm cho thấy, máy phát (Transmitter - TX)
tín hiệu CMS-OOK được đề xuất tiêu thụ công suất rất
thấp so với các máy phát sử dụng dạng điều chế khác.
Tính ưu việt của sơ đồ điều chế CMS-OOK khơng chỉ
thể hiện ở phía TX, các ưu điểm của nó cịn được thể
hiện ở phía máy thu (Receiver - RX). Trong bài báo
này, cấu trúc RX dùng để thu tín hiệu CMS-OOK được
đề xuất. Thiết kế RX được thực hiện trên công nghệ
CMOS SOTB 65nm của Renesas. Kết quả mô phỏng
cho thấy, RX hoạt động tốt với công suất tiêu thụ thấp,
38.8uW, với độ nhạy khá tốt -76dBm ở tốc độ dữ liệu
1kbps. Bên cạnh đó, sơ đồ điều chế CMS-OOK sử
dụng mã giả ngẫu nhiên (Pseudo Noise - PN) để trải
phổ tín hiệu giúp nâng cao khả năng chống nhiếu của
RX so với các hệ thống sử dụng điều chế OOK truyền

thống và S-OOK trong bài báo [3].
Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau:
Phần II giới thiệu cấu trúc và nguyên lý làm việc của
máy thu CMS-OOK được đề xuất. Sau đó, các kết quả
mơ phỏng của RX đó trên cơng nghệ CMOS SOTB
được trình bày, so sánh và thảo luận ở phần III. Cuối
cùng, các kết luận được đưa ra trong phần IV.

Keywords - Mạng cảm biến không dây, Nốt cảm biến,
Máy thu, Công suất thấp, CMS-OOK, SOTB CMOS 65nm.

I.

GIỚI THIỆU

Các mạng cảm biến không dây (MCBKD) ngày càng
trở nên phổ biến trong hầu hết mọi mặt của cuộc sống
bởi những tiềm năng to lớn của nó. Các ứng dụng của
MCBKD trải khắp trên nhiều lĩnh vực như giám sát
môi trường, nhà thông minh, đô thị thông minh, các
ứng dụng y tế, an ninh – quốc phòng,… Mỗi MCBKD
thường bao gồm hàng trăm, thậm chí hàng nghìn nốt
cảm biến (NCB) phân bố trong không gian với khả
năng cảm nhận, tự xử lý một phần dữ liệu và kết nối
với các NCB khác hoặc với gateway [1]. Điều đáng
chú ý là, phần lớn năng lượng tiêu thụ của một NCB là
ở q trình thu nhận tín hiệu qua phần máy thu phát vô
tuyến. Năng lượng cung cấp cho NCB hầu hết được
cung cấp từ các nguồn năng lượng hạn chế như pin
hoặc các bộ thu thập năng lượng. Do đó, NCB sẽ trở


ISBN: 978-604-80-5076-4

II.

CẤU TRÚC MÁY THU ĐƯỢC ĐỀ XUẤT

1. Sơ đồ khối và nguyên lý làm việc
Trước khi giới thiệu cấu trúc máy thu CMS-OOK được
đề xuất, chúng ta quan sát lại sơ đồ khối và giản đồ tín
hiệu làm việc của máy phát CMS-OOK đã được công
bố trong nghiên cứu [4] như biểu diễn ở hình 1 dưới
đây.

168


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

SDATA sẽ được khôi phục (RA TƯƠNG QUAN).
Trong trường hợp chuỗi xung thu nhận được không
tương ứng với mã đã dùng ở TX thì khơng có xung đầu
ra bộ tương quan số. Tín hiệu RA TƯƠNG QUAN sau
đó sẽ được giải điều chế nhờ bộ GIẢI ĐIỀU CHẾ SOOK để tái tạo dữ liệu đã được gửi đi từ TX (DỮ
LIỆU RA). Để cắt giảm năng lượng tiêu thụ của RX,
tín hiệu RFENA được tạo ra từ phần mạch số đóng vai
trị như xung cửa sổ điều khiển cấp nguồn cho phần
mạch tương tự khi có chùm xung RF VÀO đến và ngắt
điện khi khơng có chùm xung này ở đầu vào. Kỹ thuật
này giúp cho CMS-OOK RX tiết kiệm một lượng đáng

kể năng lượng tiêu thụ. Bên cạnh đó, tuyến tần số tín
hiệu với hệ số tạp âm khá thấp và hệ số khuếch đại lớn
giúp tăng độ nhạy của RX, điều này giúp tăng cự ly
làm việc của hệ thống CMS-OOK. Hơn nữa, nhờ việc
sử dụng mã PN nên khả năng chống nhiễu của máy thu
CMS-OOK được tăng cường.
Tín hiệu START điều khiển cho RX bắt đầu làm việc ở
đây được giả thiết lấy từ một máy thu đánh thức hệ
thống (Wake-up Receiver - WuRx) có cơng suất tiêu
thụ rất nhỏ như được mơ tả ở hình 3.

a)

b)
Hình 1. a) Sơ đồ khối máy phát CMS-OOK
b) Giản đồ tín hiệu máy phát CMS-OOK

Để thu nhận và giải điều chế được tín hiệu được truyền
tới từ máy phát CMS-OOK ở trên, chúng tôi đề xuất
máy thu với sơ đồ khối được biểu diễn như ở hình 2a).

a)

Hình 3. Máy thu CMS-OOK kết hợp WuRx

2. Thiết kế máy thu CMS-OOK trên công nghệ CMOS
SOTB 65nm
RX được đề xuất bao gồm hai phần: phần mạch tương
tự và phần mạch số.
Phần mạch tương tự bao gồm mạch LNA kết hợp với

các tầng KĐCT, mạch tách sóng biên độ và bộ so sánh.
Mạch LNA sử dụng cấu trúc mạch khuếch đại vi sai
kiểu CS bất đối xứng với các tụ Cc1 và Cc2 kết hợp với

b)
Hình 2.

a) Sơ đồ khối CMS-OOK RX được đề xuất
b) Nguyên lý làm việc theo giản đồ tín hiệu

Nguyên lý làm việc của RX trên được mô tả thông qua
giản đồ sóng tín hiệu trong hình 2b). Tín hiệu CMSOOK được phát đi từ TX sẽ được cảm ứng qua ăng ten
đưa tới đầu vào RX (RF VÀO), tín hiệu này được
khuếch đại bởi LNA và KĐCT để cho tín hiệu RF RA
cung cấp cho mạch tách sóng biên độ. Tiếp đó, tín hiệu
RF RA được giải điều chế và đưa qua bộ so sánh để tạo
ra chuỗi xung đưa tới phần mạch số (RA SO SÁNH).
Trong phần mạch số, một mạch tương quan số sử dụng
kỹ thuật lấy mẫu tần số cao thực hiện so sánh chuỗi
xung thu nhận được với mã PN đã thực hiện ở TX. Nếu
tín hiệu thu được tương ứng với mã PN đã biết trước
thì các xung dữ liệu và xung đồng bộ của dạng điều chế

ISBN: 978-604-80-5076-4

Hình 4. Sơ đồ mạch LNA

169



Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

tải là các cuộn cảm on-chip Ld1 và Ld2 để nhằm đạt
được hệ số tạp âm thấp ở công suất tiêu thụ cho trước
(hình 4). Ở đầu vào của LNA được tính tốn để phối
hợp trở kháng bởi Lg1, Lg2 và Cg1, Cg2 trong đó có tính
tới các tham số ký sinh của mạch bảo vệ phóng điện
tĩnh (Electro Static Discharge - ESD) và các pad khi
dùng phương án thực hiện nối dây từ IC ra bo mạch in.
Các cuộn cảm on-chip được sử dụng có hệ số phẩm
chất khơng cao nhằm tạo ra dải thơng đủ rộng để thu
tín hiệu CMS-OOK. Mạch KĐCT gồm các tầng
khuếch đại vi sai CS đối xứng với cấu trúc tương tự
LNA, chỉ khác là tải cuộn cảm được thay thế bằng tải
điện trở.
Mạch tách sóng biên độ và so sánh được mơ tả trên
hình 5.

Trên cơ sở tín hiệu đưa tới từ phần mạch tương tự, bộ
tương quan số sẽ thực hiện đối chiếu luồng bit nhận
được với mã PN đã được sử dụng ở TX. Nếu tín hiệu
này phù hợp với mã PN, một xung ở mức cao (bit ‘1’)
sẽ được sinh ra ở cuối mỗi chuỗi bit và ngược lại. Để
nâng cao khả năng chống nhiễu của RX nhờ bộ tương
quan số, kỹ thuật lấy mẫu tần số cao được sử dụng. Khi
đó, bằng cách thay đổi ngưỡng quyết định của bộ
tương quan số, tín hiệu sẽ được khơi phục với xác suất
lỗi thấp nhất. Tín hiệu sau bộ tương quan số và tạo
xung được sử dụng nhằm tạo ra tín hiệu XUNG DÀI và
tín hiệu đồng bộ dữ liệu DCLK. Cùng lúc, tín hiệu sau

TẠO XUNG cũng được sử dụng để tạo XUNG NGẮN
và được đọc bởi DCLK đẩy DỮ LIỆU RA. Ngoài ra,
từ tín hiệu đưa tới, xung cửa sổ RFENA được tạo ra để
đóng mở phần mạch tương tự nhằm tiết kiệm năng
lượng khi khơng có chùm tín hiệu tới.
III.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN

Trong phần này, các kết quả mô phỏng máy thu CMSOOK trên công nghệ CMOS SOTB 65nm được trình
bày. Phần mạch tương tự được mơ phỏng trên phần
mềm HSICE trong khi hoạt động của phần mạch số
được kiểm chứng qua phần mềm MODELSIM.
Phần mạch tương tự được tính tốn khi kể tới các tham
số ký sinh do ảnh hưởng của mạch bảo vệ ESD, của
pad trên mạch in và các dây dẫn bonding. Các tham số
mô phỏng được lựa chọn như sau: CESD = 0.5pF, Lb =
1nH, Lg1 = Lg2 = 9nH với trở trong rg = 25Ω, Ld1 = Ld2
= 20nH, rd = 110Ω. Toàn bộ phần mạch tương tự hoạt
động với nguồn một chiều Vcc = 1V. Mô phỏng trên
miền thời gian phần mạch tương tự được biểu diễn
trong hình 7.

Hình 5. Mạch tách sóng biên độ và so sánh

Nhờ sử dụng mạch so sánh với các bộ đệm ở phần
cuối của phần mạch tương tự, tín hiệu được đưa tới
phần mạch số có dạng chuỗi bit – phù hợp cho mạch
số làm việc.
Phần mạch số có sơ đồ khối và giản đồ xung làm việc

được mơ tả như trong hình 6.

a)
Hình 7: Dạng sóng của phần mạch tương tự

b)
Hình 6. a) Sơ đồ khối phần mạch số
b) Giản đồ xung phần mạch số

ISBN: 978-604-80-5076-4

Hình 8. Hệ số tạp âm, tham số S11, S21[dB]

170


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

Hệ số tạp âm (Noise Figure - NF) của tuyến RF xấp xỉ
8dB, hệ số khuếch đại đạt 40dB tại dải tần 2.4GHz. Giá
trị NF này là khá cao để đạt mục tiêu RX độ nhạy cao,
tuy nhiên là giá trị chấp nhận được trong điều kiện
công suất tiêu thụ cho phép hữu hạn. Mạch tương tự
hoạt động tốt với tín hiệu RF vào nhỏ nhất -76dBm.
Nguồn tạp âm chủ yếu do điện trở trong của cuộn cảm
on-chip dùng để phối hợp Lg1 and Lg2 gây ra khi lựa
chọn độ phẩm chất cuộn cảm không cao nhằm đạt được
dải thông đủ rộng để thu tín hiệu điều chế mã từ TX.
Chuỗi dữ liệu đầu ra thu được từ mô phỏng phần mạch
được tự được lưu lại và dùng như là dữ liệu đầu vào

của phần mạch số. Phần mạch số được thực hiện lập
trình và mơ phỏng trên ModelSim. Với tốc độ dữ liệu
được giả thiết 1kbps, tần số CLK của TX là 3.1MHz, tỉ
lệ xung Tb/TP = 10, tần số CLK bên máy thu thực hiện
lấy mẫu tần số cao gấp đôi là 6.2MHz. Dạng sóng mơ
phỏng đạt được như ở hình 9.

Hình 10. Layout CMS-OOK RX trên cơng nghệ CMOS
SOTB 65nm

IV.

Trong bài báo này, chúng tôi đã đề xuất một cấu trúc
máy thu tín hiệu điều chế CMS-OOK. Độ nhạy của
máy thu được cải thiện nhờ sử dụng LNA và KĐCT,
điều này bị trả giá bởi sự gia tăng năng lượng tiêu thụ.
Cơng suất máy thu được giảm đi nhờ tín hiệu cửa sổ
RFENA điều khiển đóng mở mạch cấp nguồn cho phần
mạch tương tự vốn tiêu tốn nhiều năng lượng khi
khơng có tín hiệu hữu ích tới RX. Bên cạnh đó, việc sử
dụng điều chế mã và bộ tương quan số kết hợp kỹ thuật
lấy mẫu tần số cao giúp tăng khả năng chống nhiễu của
RX. CMS-OOK RX đã được thực hiện trên công nghệ
CMOS SOTB 65nm. Kết quả mô phỏng cho thấy, RX
đạt độ nhạy -76dBm, tiêu thụ công suất 38.8uW với
điện áp nguồn một chiều 1V/0.5V tương ưng cho phần
mạch tương tự và mạch số tại tốc độ dữ liệu 1kbps. Kết
quả cũng cho thấy, độ chống nhiễu của hệ thống được
tăng lên nhờ việc sử dụng điều chế mã ở máy phát và
giải điều chế mã bằng bộ tương quan số ở máy thu với

ngưỡng quyết định thích nghi. Hệ thống thu phát vơ
tuyến sử dụng điều chế CMS-OOK rất phù hợp cho các
hệ thống MCBKD tốc độ thấp như các MCBKD dùng
cảm biến nhịp để theo dõi các thông số của môi trường
như nhiệt độ, độ ẩm, mực nước,…

Hình 9. Kết quả mơ phỏng phần mạch số

Kết quả mô phỏng cho thấy cả phần mạch số và phần
mạch tương tự của RX CMS-OOK đều hoạt động tốt,
có thể giải điều chế khơi phục tín hiệu gửi đi từ CMSOOK TX. RX đạt độ nhạy -76dBm với công suất tiêu
thụ 38.8uW ở tốc độ dữ liệu 1kbps. Bên cạnh đó, khi
thực hiện cộng thêm nhiễu đủ mạnh vào tín hiệu đưa
tới RX, một số lỗi bit xuất hiện. Điều này có thể khắc
phục phần nào bằng cách thay đổi ngưỡng quyết định
của bộ tương quan số một cách phù hợp. Rõ ràng, tính
chống nhiễu của RX đã được nâng cao hơn nhiều so
với hệ thống OOK truyền thống cũng như hệ thống SOOK được công bố trong [3]. So sánh với các thiết kế
máy thu ở cùng dải tần được trình bày trong bảng 1,
thiết kế RX này có cơng suất tiêu thụ lớn hơn so với
RX ở [5] nhưng có độ nhạy tốt hơn vượt trội (-76dBm
so với -56dBm). So sánh với RX được đề xuất trong
[6], độ nhạy của thiết kế này kém hơn 1.3 lần nhưng
cơng suất tiêu thụ thấp hơn gần 20 lần.
Hình 10 mô tả layout của máy thu CMS-OOK được
thiết kế và chế tạo trên công nghệ CMOS SOTB 65nm.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]


[2]

[3]

[4]

Bảng 1: So sánh với các thiết kế RX cùng dải tần khác
Tham số

Ref. [5]
ISSCC’16

Công nghệ
Điều chế
Tương quan số
Điện áp DC (V)
Công suất (uW)
Độ nhạy (dBm)
Tốc độ dữ liệu

65nm
OOK
31-bit
1/0.5
0.104/0.236
-39/56.5
8.192kbps

ISBN: 978-604-80-5076-4


Ref. [6]
T-CAS-I’17

KẾT LUẬN

CMSOOK RX

[5]

90nm
65nm
OOK, TSSS-OOK CMS-OOK
31-bit
1.2/1.8/ 2.5
1/0.5
614/2200
38.8
-91/93
-76
1Mcps
1kbps

[6]

171

M.Ahlawat, “Wireless Sensor Network – A theoretical
review,” Int. J. Wired and Wireless Communications, vol. 1,
Isssu 2, pp. 12-19, Apr. 2013.
H. Nakamura et al., "Normally-off computing project:

Challenges and opportunities," 19th ASP-DAC, Singapore, pp.
1-5, 2014.
M. T. Hoang et al., “A 1.36µW 312-315MHz SynchronizedOOK Receiver for Wireless sensor Networks Using 65nm
SOTB CMOS Technology,” Elsevier Solid-State Electronic
117, pp. 161-169, 2016.
V. T. Nguyen et al., “83nJ/bit Transmitter Using CodeModulated Synchronized-OOK on 65nm SOTB for NormallyOff Wireless Sensor Networks,” IEICE Trans. On Electronics,
Vo1. E101-C.472, pp. 472-472, Jul. 2018.
N. E. Roberts et al., "A 236nW −56.5dBm-sensitivity
bluetooth low-energy wakeup receiver with energy harvesting
in 65nm CMOS," 2016 IEEE International Solid-State Circuits
Conference (ISSCC), San Francisco, CA, 2016, pp. 450-451.
S. J. Kim et al., "A 2.4-GHz Ternary Sequence Spread
Spectrum OOK Transceiver for Reliable and Ultra-Low Power
Sensor Network Applications," in IEEE Transactions on
Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 64, no. 11, pp.
2976-2987, Nov. 2017.