【導(dǎo)讀】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在加測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，它是通過無線通信的方式形成多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。本文主要講解了四種射頻前端收發(fā)機(jī)架構(gòu)及其對應(yīng)的調(diào)制方式，詳細(xì)討論了其架構(gòu)的低功耗是如何實(shí)現(xiàn)的。
傳感器節(jié)點(diǎn)通常都是由電池供電，并且需要持續(xù)工作幾個(gè)月甚至幾年，電池一般不能更換。為延長電池的使用壽命，必須降低通信系統(tǒng)的功耗。以前的研究表 明，大部分功率是在模擬和射頻部分消耗的，所以低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)主要是降低射頻前端部分的功耗。系統(tǒng)消耗的能量分為傳 輸?shù)哪芰亢碗娐废牡哪芰浚趥鹘y(tǒng)的無線鏈路中傳輸距離較遠(yuǎn)(≥10m)，傳輸?shù)哪芰空贾饕糠郑饕獜?qiáng)調(diào)的是降低傳輸?shù)哪芰浚蝗欢赪SN系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)密 集分布，傳輸距離通常小于10m，電路消耗的能量與傳輸?shù)哪芰肯喈?dāng)甚至超過傳輸?shù)哪芰浚@時(shí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮電路消耗的能量。
對A 類功率放大器提出了一種全面的功率模型，文章考慮了數(shù)據(jù)速率，調(diào)制級(jí)數(shù)，帶寬，信號(hào)峰均比(PAR)和誤比特率(BER)等參數(shù)的影響，在QAM系統(tǒng)中可 以計(jì)算出理論上的功率放大器的功耗。以前的研究都是針對統(tǒng)一的系統(tǒng)架構(gòu)或調(diào)制方式，沒有考慮不同調(diào)制方式不同的架構(gòu)對系統(tǒng)功耗的影響。
本文介紹了四種射頻前端收發(fā)機(jī)架構(gòu)及其對應(yīng)的調(diào)制方式，并且詳細(xì)討論了各個(gè)架構(gòu)的能耗模型，在此基礎(chǔ)上通過仿真給出適合不同距離和速率的調(diào)制方式及收發(fā)機(jī)架構(gòu)，對低功耗WSN系統(tǒng)中射頻前端架構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。
本文結(jié)構(gòu)安排如下：第二部分介紹了四種收發(fā)機(jī)射頻前端系統(tǒng)架構(gòu)，第三部分詳細(xì)分析了系統(tǒng)的能量模型，第四部分對仿真結(jié)果進(jìn)行了討論，最后對全文進(jìn)行了總結(jié)。
1、射頻前端系統(tǒng)架構(gòu)
收發(fā)機(jī)的目的是接收和發(fā)射射頻信號(hào)，其應(yīng)完成的任務(wù)主要包括：信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)選擇、干擾信號(hào)抑制、信號(hào)放大、解調(diào)和錯(cuò)誤檢測等。復(fù)雜度、造價(jià)、功耗以及外部 元件的數(shù)量已成為選擇收發(fā)機(jī)架構(gòu)的主要標(biāo)準(zhǔn)。本文中主要考慮低功耗的射頻前端系統(tǒng)架構(gòu)，文獻(xiàn)[6]對外差式接收機(jī)、零差式接收機(jī)、鏡像抑制接收機(jī)、數(shù)字中 頻接收機(jī)和亞采樣接收機(jī)，以及直接變換發(fā)送器和兩步發(fā)送器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的論述。
在WSN應(yīng)用中，要根據(jù)不同的應(yīng)用場景選擇不同的收發(fā)機(jī)架構(gòu)和調(diào)制方式。對不同的調(diào)制方式，頻譜效率和能量效率之間的權(quán)衡已經(jīng)出現(xiàn)在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中。在實(shí)際應(yīng)用中，具有很高頻譜效率的調(diào)制方 式如MPAM和MQAM在M較大時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且功耗較高，這些因素使得一些簡單的調(diào)制方式如2FSK，OOK和BPSK，QPSK在以降低能耗為目標(biāo)應(yīng)用中，頻譜效率和能量效率有一個(gè)較好的權(quán)衡。下面介紹四種收發(fā)機(jī)架構(gòu)的組成及工作方式。
圖1為MQAM系統(tǒng)的射頻前端收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)，接收機(jī)采用傳統(tǒng)的超外差低中頻方案，發(fā)射機(jī)采用直接變換法。發(fā)射端主要包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器、重建濾波器、上變頻混頻器、功率放大器和射頻濾波器；接收端主要包括射頻 濾波器、下變頻混頻器、基帶放大器、基帶抗混疊濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。調(diào)制信號(hào)經(jīng)DAC變換濾波后通過混頻器上變頻至射頻，然后經(jīng)功率放大，射頻濾波由天線發(fā)射出去。接收端信號(hào)經(jīng)天線接收，射頻濾波，低噪聲放大器后經(jīng)下變頻混頻器下變頻至中頻，然后經(jīng)基帶放大濾波由ADC變換為數(shù)字信號(hào)，在數(shù)字域進(jìn)行解調(diào)及其它處理。
OOK調(diào)制系統(tǒng)相對與那些頻譜效率較高的調(diào)制系統(tǒng)來說具有更低的功率消耗，特別適合于高能效短距離無線通信系統(tǒng)中，在這些應(yīng)用中電路消耗的能量通常高于功率放大 器輸出的能量。圖4為一種OOK收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)，發(fā)射端采用直接變換方式，晶振產(chǎn)生的載波與數(shù)字基帶信號(hào)信號(hào)進(jìn)行混頻，上變頻至射頻，經(jīng)功率放大器由天線發(fā)射出去；接收端采用非相干接收解調(diào)，省去了混頻器降低了系統(tǒng)總的功耗，由天線接收的信號(hào)經(jīng)SAW濾波器，射頻低噪聲放大器后，由包絡(luò)檢波器進(jìn)行解調(diào)，經(jīng)基帶放大器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器恢復(fù)出原始信息。
為了減小收發(fā)機(jī)的總能耗，就需要知道收發(fā)機(jī)中每個(gè)關(guān)鍵信號(hào)處理模塊的精確的能量模型。對WiFi雙工射頻前端進(jìn)行了建模，并給出了主要器件的功耗情況。通常除了PA之外的模擬器件的主要功率參數(shù)在通信中很難調(diào)整，同時(shí)盡管數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是功耗與功率峰均比(Peak-to- Average Ratio, PAR)和調(diào)制級(jí)數(shù)有關(guān)的器件，但它們的功耗變化很小，所以我們這里假定它們的功耗為常數(shù)，PA的功耗在收發(fā)機(jī)中占主要部分，我們主要考慮PA的功耗。
目前在收發(fā)機(jī)中應(yīng)用的功率放大器主要有兩種：線性的PA和非線性的PA，它們分別用在線性調(diào)制系統(tǒng)和非線性調(diào)制系統(tǒng)中。一般來 說，在相同數(shù)據(jù)速率的情況下，線性PA的功率效率比非線性的低，因此消耗的功率要比非線性PA的高；另一方面，線性調(diào)制系統(tǒng)的帶寬效率比非線性的要高，數(shù)據(jù)率也可以很高，并且線性度高的PA可以保證通信質(zhì)量和抑制頻譜再生。由文獻(xiàn)知PA的功耗不但與效率有關(guān)，而且與通信參數(shù)有關(guān)，比如傳輸?shù)木嚯x、調(diào)制級(jí)數(shù)、數(shù)據(jù)率、信號(hào)峰均比和誤碼率等。
從第三部分可知每比特的能量不僅和放大器的效率有關(guān)，還和其它通信參數(shù)有關(guān)，比如調(diào)制方式，調(diào)制級(jí)數(shù)，數(shù)據(jù)速率，傳輸距離，誤比特率和由成型濾波引起的峰均 比等(MQAM調(diào)制的峰均比為由成型濾波和調(diào)制級(jí)數(shù)b引起的峰均比的和)。假定PE為常數(shù)，且和射頻前端架構(gòu)和調(diào)制方式有關(guān)。我們從文獻(xiàn)和 Freescale，TI的產(chǎn)品中得到射頻前端的各模擬元件常見的功耗作為我們的仿真參數(shù)，計(jì)算出不同架構(gòu)和調(diào)制方式的PE，具體仿真參數(shù)見表1。
圖5 顯示當(dāng)傳輸距離小于10m時(shí)，OOK、QPSK和16QAM調(diào)制具有較小的能耗，考慮計(jì)算和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，OOK和QPSK調(diào)制更適合低功耗WSN系統(tǒng)。 傳輸距離在10m到25m選擇QPSK調(diào)制方式，在傳輸距離大于25m時(shí)選擇MSK調(diào)制方式。對給定的傳輸距離，我們可以選擇合適的架構(gòu)和調(diào)制方式，使 WSN系統(tǒng)射頻前端的能耗最小。
每比特的能耗還與數(shù)據(jù)的傳輸速率有關(guān)，對不同的應(yīng)用要求不同的傳輸速率。圖6給出了在不同的架構(gòu)和調(diào)制方式 下每比特的能耗與傳輸速率的關(guān)系，傳輸距離選擇10m。從圖中可以看出當(dāng)傳輸速率小于一定速率(200kbps)時(shí)，OOK調(diào)制方式具有較小的能 耗，BPSK、QPSK和MSK調(diào)制方式次之；當(dāng)傳輸速率大于200kbps時(shí)，MSK調(diào)制方式具有最小的能耗，OOK, BPSK、QPSK調(diào)制方式次之。我們知道對于固定的調(diào)制級(jí)數(shù)，傳碼率Rs與數(shù)據(jù)速率Rb成正比，Rs等于帶寬B。對高斯白噪聲來說，噪聲功率N與帶寬B 成正比，由公式(10)-(13)知，PA的功耗與噪聲功率N有關(guān)。因此當(dāng)Rb較小時(shí)，N較小，PA的功耗相對于架構(gòu)中其它模塊的功耗PE較小，PE在總 功耗中占主要部分，而OOK，PSK，MSK調(diào)制對應(yīng)架構(gòu)的PE較小，所以其能耗比QAM調(diào)制要小。
結(jié)語
本文介紹了四種收發(fā)機(jī)射頻前端架構(gòu)，詳細(xì)分析了每種架構(gòu)及對應(yīng)調(diào)制方式的功耗模型，同時(shí)考慮了電路消耗的能量和傳輸?shù)哪芰浚煌ㄟ^仿真分析給出了在不同距離和 不同數(shù)據(jù)傳輸速率的情況下適合WSN系統(tǒng)的低功耗射頻前端架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。在短距離傳輸時(shí)，OOK和QPSK調(diào)制方式及其架構(gòu)符合低功耗設(shè)計(jì)的考慮；在傳輸 距離較大時(shí)，MSK調(diào)制方式及及其架構(gòu)更符合系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)。當(dāng)傳輸距離為10m時(shí)，在數(shù)據(jù)速率較小的應(yīng)用場合，OOK、BPSK和QPSK調(diào)制方式及 其架構(gòu)符合低功耗設(shè)計(jì)的考慮；在設(shè)計(jì)速率要求較高時(shí)，MSK調(diào)制方式及及其架構(gòu)更符合系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)。在其它情況下，要折中考慮功耗和頻譜效率的影響選 擇合適的射頻前端架構(gòu)及對應(yīng)的調(diào)制方式。相關(guān)閱讀：
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