低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)射頻前端系統(tǒng)架構(gòu)研究

隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro- Mechanism System，MEMS)、片上系統(tǒng)(SOC，System on Chip)、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型 傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。WSN根據(jù)應(yīng)用的不同支持高速率和低速率數(shù)據(jù)傳輸，短距離和遠(yuǎn)距離通信。

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?，主要?qiáng)調(diào)的是降低傳輸?shù)哪芰?然而在WSN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?，這時(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)制級數(shù)，帶寬，信號峰均比(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)。

2、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，其應(yīng)完成的任務(wù)主要包括：信號轉(zhuǎn)換、信號選擇、干擾信號抑制、信號放大、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，在數(shù)字域進(jìn)行解調(diào)及 其它處理。

對FSK，BPSK，QPSK調(diào)制系統(tǒng)，可以直接用數(shù)字基帶信號控制鎖相環(huán)或相頻選擇網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生FSK信號或PSK信號，然后直接經(jīng)功率放大器放大，省去了混 頻器，降低了電路消耗的功率。圖2和圖3分別為PSK和FSK調(diào)制收發(fā)機(jī)射頻前端架構(gòu)。對PSK調(diào)制收發(fā)機(jī)，發(fā)射端采用直接變換方式，所需調(diào)制相位的載波 由鎖相環(huán)輸出經(jīng)移相網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生，移相網(wǎng)絡(luò)由數(shù)字基帶信號直接控制，經(jīng)過移相的調(diào)制信號經(jīng)功率放大器放大，射頻濾波由天線發(fā)射出去;接收端采用低中頻方案。對 FSK調(diào)制收發(fā)機(jī)，發(fā)射端采用直接變換方式，由數(shù)字基帶信號直接控制鎖相環(huán)中分頻器的分頻比產(chǎn)生不同頻率的信號，經(jīng)功率放大器，射頻濾波器由天線發(fā)射出 去;接收端采用低中頻方案。

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)字基帶信號信號進(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。

3、能量模型

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)[5]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) 制級數(shù)、數(shù)據(jù)率、信號峰均比和誤碼率等。

典型的線性放大器是A類功率放大器，有很好的線性，但是由于控制電流源采用有源器件使其具有較大的直流功率消耗，所以效率較低，通常小于50%。一種高效的 非線性功率放大器E類功率放大器，廣泛的應(yīng)用在GSM等系統(tǒng)中，理論上當(dāng)采用開關(guān)模式是E類的效率可以達(dá)到100%。建立了精確的MQAM調(diào)制 系統(tǒng)A類放大器的功率模型，建立了PSK調(diào)制系統(tǒng)的A類功率放大器模型和MSK調(diào)制系統(tǒng)的非線性E類功率放大器模型。但是沒有考慮由成型 濾波器引起的PARroll-off對放大器功耗的模型，下面我們建立完整的PSK調(diào)制和OOK調(diào)制系統(tǒng)的A類功率放大器功耗模型。

4、結(jié)果分析

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給出了在不同架構(gòu)和調(diào)制方式下每比特消耗的能量與傳輸距離的關(guān)系。從圖中可以看出當(dāng)傳輸距離較小時(shí)，使用線性功率放大器的PSK，16QAM，OOK調(diào) 制方式消耗的能量較小，而使用非線性功率放大器的MSK調(diào)制方式具有較大的能量消耗;而且調(diào)制級數(shù)越大能耗越小。從公式(10)-(17)可以看出，當(dāng)距 離較小時(shí)PA功耗PA P 相對于其它模塊的總功耗PE來說很小，因此PE在總能耗Ebit中占主要部分，并且PE與調(diào)制級數(shù)b成反比。當(dāng)距離較大時(shí)具有非線性功率放大器的MSK調(diào) 制方式具有較小的能耗，并且BPSK，QPSK調(diào)制方式相對于其它使用線性功率放大器的調(diào)制方式具有較小的能耗。從公式(10)-(17)可以看出當(dāng)傳輸 距離較大時(shí)，PA功耗PPA占主要部分，非線性功率放大器具有較高的效率，所以使用非線性功率放大器的MSK調(diào)制方式具有較小的能耗。

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。

5、結(jié)束語

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?通過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。