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?,在傳統(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?,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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了討論,最后對(duì)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(cè)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(duì)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(chǎng)景選擇不同的收發(fā)機(jī)架構(gòu)和調(diào)制方式。對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)架構(gòu)的PE較小,所以其能耗比QAM調(diào)制要小。
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