低功耗无线传感器网络射频前端系统架构研究

1、引言

随着微机电系统(Micro-Electro- Mechanism System，MEMS)、片上系统(SOC，System on Chip)、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型 传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。WSN根据应用的不同支持高速率和低速率数据传输，短距离和远距离通信。

传感器节点通常都是由电池供电，并且需要持续工作几个月甚至几年，电池一般不能更换。为延长电池的使用寿命，必须降低通信系统的功耗。以前的研究表 明，大部分功率是在模拟和射频部分消耗的，所以低功耗的无线传感器网络的设计主要是降低射频前端部分的功耗。系统消耗的能量分为传 输的能量和电路消耗的能量，在传统的无线链路中传输距离较远(≥10m)，传输的能量占主要部分，主要强调的是降低传输的能量；然而在WSN系统中节点密 集分布，传输距离通常小于10m，电路消耗的能量与传输的能量相当甚至超过传输的能量，这时在系统设计时就要考虑电路消耗的能量。

对A 类功率放大器提出了一种全面的功率模型，文章考虑了数据速率，调制级数，带宽，信号峰均比(PAR)和误比特率(BER)等参数的影响，在QAM系统中可 以计算出理论上的功率放大器的功耗。以前的研究都是针对统一的系统架构或调制方式，没有考虑不同调制方式不同的架构对系统功耗的影响。

本文介绍了四种射频前端收发机架构及其对应的调制方式，并且详细讨论了各个架构的能耗模型，在此基础上通过仿真给出适合不同距离和速率的调制方式及收发机架构，对低功耗WSN系统中射频前端架构的设计具有一定的参考价值。

本文结构安排如下：第二部分介绍了四种收发机射频前端系统架构，第三部分详细分析了系统的能量模型，第四部分对仿真结果进行了讨论，最后对全文进行了总结。

2、射频前端系统架构

收发机的目的是接收和发射射频信号，其应完成的任务主要包括：信号转换、信号选择、干扰信号抑制、信号放大、解调和错误检测等。复杂度、造价、功耗以及外部 元件的数量已成为选择收发机架构的主要标准。本文中主要考虑低功耗的射频前端系统架构，文献[6]对外差式接收机、零差式接收机、镜像抑制接收机、数字中 频接收机和亚采样接收机，以及直接变换发送器和两步发送器的结构及特点进行了详细的论述。

在WSN应用中，要根据不同的应用场景选择不同的 收发机架构和调制方式。对不同的调制方式，频谱效率和能量效率之间的权衡已经出现在理论研究和实际应用中。在实际应用中，具有很高频谱效率的调制方 式如MPAM和MQAM在M较大时，系统实现复杂且功耗较高，这些因素使得一些简单的调制方式如2FSK，OOK和BPSK，QPSK在以降低能耗为目标 应用中，频谱效率和能量效率有一个较好的权衡。下面介绍四种收发机架构的组成及工作方式。

图1为MQAM系统的射频前端收发机结构，接收机 采用传统的超外差低中频方案，发射机采用直接变换法。发射端主要包括数模转换器、重建滤波器、上变频混频器、功率放大器和射频滤波器；接收端主要包括射频 滤波器、下变频混频器、基带放大器、基带抗混叠滤波器和模数转换器。调制信号经DAC变换滤波后通过混频器上变频至射频，然后经功率放大，射频滤波由天线 发射出去。接收端信号经天线接收，射频滤波，低噪声放大器后经下变频混频器下变频至中频，然后经基带放大滤波由ADC变换为数字信号，在数字域进行解调及 其它处理。

对FSK，BPSK，QPSK调制系统，可以直接用数字基带信号控制锁相环或相频选择网络产生FSK信号或PSK信号，然后直接经功率放大器放大，省去了混 频器，降低了电路消耗的功率。图2和图3分别为PSK和FSK调制收发机射频前端架构。对PSK调制收发机，发射端采用直接变换方式，所需调制相位的载波 由锁相环输出经移相网络产生，移相网络由数字基带信号直接控制，经过移相的调制信号经功率放大器放大，射频滤波由天线发射出去；接收端采用低中频方案。对 FSK调制收发机，发射端采用直接变换方式，由数字基带信号直接控制锁相环中分频器的分频比产生不同频率的信号，经功率放大器，射频滤波器由天线发射出 去；接收端采用低中频方案。

OOK调制系统相对与那些频谱效率较高的调制系统来说具有更低的功率消耗，特别适合于高能效短距离无线通信系统中，在这些应用中电路消耗的能量通常高于功率放大 器输出的能量。图4