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[1]。

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[2]。以前的研究表明，大部分功率是在模拟和射频部分消耗的[3]，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。根据文献[4]知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。在文献[5]中作者对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[7]。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[8]。图4为一种OOK收发机结构，发射端采用直接变换方式，晶振产生的载波与数字基带信号信号进行混频，上变频至射频，经功率放大器由天线发射出去；接收端采用非相干接收解调，省去了混频器降低了系统总的功耗，由天线接收的信号经SAW滤波器，射频低噪声放大器后，由包络检波器进行解调，经基带放大器，模数转换器恢复出原始信息。

3、能量模型

为了减小收发机的总能耗，就需要知道收发机中每个关键信号处理模块的精确的能量模型。文献[5]对WiFi双工射频前端进行了建模，并给出了主要器件的功耗情况。通常除了PA之外的模拟器件的主要功率参数在通信中很难调整，同时尽管数/模转换器和模/数转换器是功耗与功率峰均比(Peak-to-Average Ratio, PAR)和调制级数有关的器件，但它们的功耗变化很小，所以我们这里假定它们的功耗为常数，PA的功耗在收发机中占主要部分[3][5]，我们主要考虑PA的功耗。

目前在收发机中应用的功率放大器主要有两种：线性的PA和非线性的PA，它们分别用在线性调制系统和非线性调制系统中。一般来说，在相同数据速率的情况下，线性PA的功率效率比非线性的低，因此消耗的功率要比非线性PA的高；另一方面，线性调制系统的带宽效率比非线性的要高，数据率也可以很高，并且线性度高的PA可以保证通信质量和抑制频谱再生。由文献[5]知PA的功耗不但与效率有关，而且与通信参数有关，比如传输的距离、调制级数、数据率、信号峰均比和误码率等。

典型的线性放大器是A类功率放大器，有很好的线性，但是由于控制电流源采用有源器件使其具有较大的直流功率消耗，所以效率较低，通常小于50%。一种高效的非线性功率放大器E类功率放大器，广泛的应用在GSM等系统中，理论上当采用开关模式是E类的效率可以达到100%。文献[5]建立了精确的MQAM调制系统A类放大器的功率模型，文献[9]建立了PSK调制系统的A类功率放大器模型和MSK调制系统的非线性E类功率放大器模型。但是[9]没有考虑由成型滤波器引起的PARroll-off对放大器功耗的模型，下面我们建立完整的PSK调制和OOK调制系统的A类功率放大器功耗模型。

4、结果分析

从第三部分可知每比特的能量不仅和放大器的效率有关，还和其它通信参数有关，比如调制方式，调制级数，数据速率，传输距离，误比特率和由成型滤波引起的峰均比等(MQAM调制的峰均比为由成型滤波和调制级数b引起的峰均比的和)。假定PE为常数，且和射频前端架构和调制方式有关。我们从文献[5]和Freescale，TI的产品中得到射频前端的各模拟元件常见的功耗作为我们的仿真参数，计算出不同架构和调制方式的PE，具体仿真参数见表1。

图5给出了在不同架构和调制方式下每比特消耗的能量与传输距离的关系。从图中可以看出当传输距离较小时，使用线性功率放大器的PSK，16QAM，OOK调制方式消耗的能量较小，而使用非线性功率放大器的MSK调制方式具有较大的能量消耗；而且调制级数越大能耗越小。从公式(10)-(17)可以看出，当距离较小时PA功耗PA P 相对于其它模块的总功耗PE来说很小，因此PE在总能耗Ebit中占主要部分，并且PE与调制级数b成反比。当距离较大时具有非线性功率放大器的MSK调制方式具有较小的能耗，并且BPSK，QPSK调制方式相对于其它使用线性功率放大器的调制方式具有较小的能耗。从公式(10)-(17)可以看出当传输距离较大时，PA功耗PPA占主要部分，非线性功率放大器具有较高的效率，所以使用非线性功率放大器的MSK调制方式具有较小的能耗。

图5显示当传输距离小于10m时，OOK、QPSK和16QAM调制具有较小的能耗，考虑计算和实现的复杂度，OOK和QPSK调制更适合低功耗WSN系统。传输距离在10m到25m选择QPSK调制方式，在传输距离大于25m时选择MSK调制方式。对给定的传输距离，我们可以选择合适的架构和调制方式，使WSN系统射频前端的能耗最小。

每比特的能耗还与数据的传输速率有关，对不同的应用要求不同的传输速率。图6给出了在不同的架构和调制方式下每比特的能耗与传输速率的关系，传输距离选择10m。从图中可以看出当传输速率小于一定速率(200kbps)时，OOK调制方式具有较小的能耗，BPSK、QPSK和MSK调制方式次之；当传输速率大于200kbps时，MSK调制方式具有最小的能耗，OOK, BPSK、QPSK调制方式次之。我们知道对于固定的调制级数，传码率Rs与数据速率Rb成正比，Rs等于带宽B。对高斯白噪声来说，噪声功率N与带宽B成正比，由公式(10)-(13)知，PA的功耗与噪声功率N有关。因此当Rb较小时，N较小，PA的功耗相对于架构中其它模块的功耗PE较小，PE在总功耗中占主要部分，而OOK，PSK，MSK调制对应架构的PE较小，所以其能耗比QAM调制要小。

5、结束语

本文介绍了四种收发机射频前端架构，详细分析了每种架构及对应调制方式的功耗模型，同时考虑了电路消耗的能量和传输的能量；通过仿真分析给出了在不同距离和不同数据传输速率的情况下适合WSN系统的低功耗射频前端架构设计方案。在短距离传输时，OOK和QPSK调制方式及其架构符合低功耗设计的考虑；在传输距离较大时，MSK调制方式及及其架构更符合系统低功耗的设计。当传输距离为10m时，在数据速率较小的应用场合，OOK、BPSK和QPSK调制方式及其架构符合低功耗设计的考虑；在设计速率要求较高时，MSK调制方式及及其架构更符合系统低功耗的设计。在其它情况下，要折中考虑功耗和频谱效率的影响选择合适的射频前端架构及对应的调制方式。