Revision A Design of Peak to Average Power Ratio Based SWIPT System in 180 nm CMOS Process for IoT Sensor Applications

 En este artículo, proponemos un sistema de transferencia inalámbrica simultánea de información y potencia (SWIPT) basado en la relación pico-promedio (PAPR) para aplicaciones de sensores del Internet de las Cosas (IoT). 

Dado que el sistema SWIPT se diferencia de otros sistemas convencionales en cuanto a la fuente de alimentación (42904 VOLUMEN 10, 2022 P. Kumar et al.: Diseño de un sistema SWIPT basado en la relación de potencia pico a promedio), se basa en energía de RF.

Propone mecanismo de comunicación de ultrabajo consumo. Recientemente, se ha considerado la SWIPT con multitono debido a su mayor eficiencia de conversión de potencia (PCE). Propusimos un receptor SWIPT basado en PAPR que utiliza la forma de onda multitono para la decodificación de información en sistemas SWIPT. Un divisor de potencia adaptativo (APS) regula inteligentemente la distribución de las señales de radiofrecuencia (RF) recibidas entre la ruta de recolección de energía (EH) y la ruta de decodificación de información (ID). Se diseñó un controlador digital para controlar la demodulación de la señal modulada basada en PAPR y recuperar la información digital. 

Se ha optado por la modulación por retro dispersión para la transferencia de datos de enlace ascendente. Para la ruta EH, diseñamos un convertidor RF-CC con adaptación adaptativa para aumentar el rango dinámico de la potencia de entrada. El sistema SWIPT propuesto, basado en el demodulador PAPR, se implementa en un proceso CMOS de 180 nm. La frecuencia de reloj digital del receptor SWIPT es de 64 kHz, lo que permite una velocidad de datos de 8 kbps con un consumo de energía de 7,3 µW y una utilización del área de 0,4 mm².

  En la arquitectura propuesta, el sistema SWIPT obtiene energía de las señales de RF mediante la técnica PAPR. Esto se traduce en una PCE mejorada. La arquitectura propuesta realiza sus operaciones con la ayuda de un controlador digital integrado en el sistema. Además, un convertidor adaptativo RF-CC convierte la señal de RF a tensión CC. Un convertidor elevador y un LDO garantizan un funcionamiento fluido y sin interrupciones. La ruta de identificación está diseñada específicamente para la lógica PAPR. La potencia máxima y la potencia media se calculan a partir de la señal de RF de entrada. Un estimador PAPR estima los valores de PAPR. La simulación y la experimentación con diferentes señales demuestran la validez del diseño propuesto. 

estado del arte 

1. Tecnologías utilizadas en el sistema SWIPT

• Modulación basada en PAPR (Peak-to-Average Power Ratio):

  • Se usa una onda multi-tono para mejorar la eficiencia de conversión de potencia (PCE).
  • Esto aprovecha la no linealidad de los rectificadores RF para aumentar la salida de voltaje DC.

• División de energía adaptativa (Adaptive Power Splitter, APS):

  • Un circuito adaptativo regula la distribución de la señal recibida entre:
    • Ruta de cosecha de energía (Energy Harvesting, EH).
    • Ruta de decodificación de información (Information Decoding, ID).
  • Optimiza el balance entre carga energética y comunicación.

• Conversión RF-DC eficiente:

  • Un rectificador con compensación de voltaje umbral (IVC) para mejorar la recolección de energía.
  • Conversión de energía mediante un convertidor DC-DC y un regulador de voltaje LDO.

• Modulación y demodulación PAPR:

  • Un demodulador basado en PAPR mide las relaciones de pico a promedio para recuperar información digital.
  • Se usa una tabla de búsqueda (LUT) para mapear los valores de PAPR a símbolos de datos.

• Comunicación de retorno con modulación backscatter:

  • Se emplea backscatter para reducir el consumo de energía en la transmisión de datos ascendentes.

2. Desempeño del sistema

• Consumo de energía:

  • 7.3 µW (muy bajo para sistemas SWIPT).

• Área ocupada en el chip:

  • 0.4 mm² en tecnología CMOS de 180 nm.

• Frecuencia de reloj del receptor:

  • 64 kHz.

• Tasa de datos alcanzada:

  • 8 kbps.

• Eficiencia de conversión de potencia (PCE):

  • 69% en su punto máximo.

• Sensibilidad del sistema:

  • −5 dBm (capaz de operar con señales débiles).

• Desempeño con señales multi-tono:

  • Se encontró que un mayor número de tonos mejora la cosecha de energía, pero disminuye la tasa de datos.

---

Conclusión

Este diseño de SWIPT basado en PAPR mejora la eficiencia energética y la transmisión de información sin necesidad de circuitos RF altamente demandantes de energía. Su implementación en 180 nm CMOS y la combinación de técnicas de modulación multi-tono y adaptive power splitting permiten una mejor adaptación a sensores IoT de baja potencia.

Si necesitas detalles específicos sobre los resultados experimentales o gráficos del desempeño, dime y te ayudo a extraer la información clave. 📡⚡

[1] P. Kumar, M. R. U. Rehman, D. Khan, I. Ali, Y.-G. Pu, Y. Jung, H. Huh,

S. Kim, J.-M. Yoo, J. T. Kim, and K.-Y. Lee, “A design of peak to average

power ratio based swipt system in 180 nm cmos process for iot sensor

applications,” IEEE Access, vol. 10, pp. 42 897–42 907, 2022.