数字热本与率用
无线传感器网络收发机芯片的设计
汪洋
(安徽理工大学电气工程学院安徽淮南232046)
设计开发
好的功耗分配,在对网络级功耗进行研究的基础上,分析了影响无线收发机能效的关键因素。然后结合基于IEEE802.15.4协议及实现低功耗的设计需求，提出了接妆机的系统架构，为以后进行电路设计提供重要的参考价值。
关键词：无线传感器网络收发机低功耗
中图分类号TP212.9 1引言
文献标识码:A
无线传感器网络是融合多种现代化科技如传感器技术、无线通信技术，嵌人式计算技术等于一体的一项前沿科技，目前在国际上受到广泛的关注与研究。该技术可以利用高度集成化的微型传感器之间的相互配合采集环境信息，实现对监测对象的实时监测。同时能利用嵌人式部分处理所采集的信息，然后将处理后的信息通过自组织通信网络传输至客户端。无线传感器网络进行工作时能够长时间的处于无人看守的情况下，随着人工智能化水平的不断提高，该技术应用前景看好，传感器网络的目标主要是面向应用，其建立工作涉及面宽，是较为复杂的系统化工程，从学科角度讲，主要包括物理和链路层、网络层及数据处理和管理层。按照应用方面的需求，节点体积，质量应足够小以悬浮在空中完成信息采集，这就使供给系统能量的电源形式就受到了限制。尤其是在对象所处环境较差时，自然能源的可靠度会大大降低。收发机是无线传感器网络中产生最大功耗的节点，而功率消耗在很大程度上限制了该技术的推广应
用。显然，在进行节点设计时应当满足低功耗的需求。 2无线传感器网络收发机功耗研究
2.1网络级功耗研究
无线传感器网络从标准参考模型的角度来说，能耗主要发生在物理层及数据链路层，其中物理层的主要任务是数据收发、信道选择及收发机的激活及休眠等，数据链路层主要负责冲突检测，功率控制及功耗管理等，为使其生命周期达到最大化，应当在允许的通信带宽的条件下，使通信速率尽量提升以降低系统功率消耗同时使数据传送的内容更加丰高，此外，需要合理的功率控制及功耗管理策略使无线传感器网络所产生的整体功耗在完成对hop的通信距离及唤醒周期间的折中后实现最优化。
2.2无线收发机的能量效率
在香农理论的基础上，假设加性白高斯噪声信道成立，香农信道容量理论以单位比特信噪比和频谱利用率两者闻间关系为基础界定了无线通信网络的性能极限。输人信号的功率增加时，高斯信道容量随之呈指数形式增加，不过因为SNR及带宽间的依赖作用，信道容量与带宽并不成线性关系。当信号功率及带宽一定时，如果信道带宽向无穷大值趋近，则信道容量不断向某定值趋近。与每单位比特消耗的能量结合，就可得出理论最小比特信噪比约为-1.6dB。也就是说如果某系统的噪声，信号功率相比，前者小于后者的 1.6dB，不产生误差的通信在理论上就能够实现
由于无线收发机系统产生的最小能耗与发生损耗的路径有关，因此只进行各系统所产生的能量比较并不合理。而能量效率则能较为准确的反映系统的性能，收发机系统的能量效率为：
Inz
其中Eb,TXx为发射机上产生的能耗. E为系统的整体能耗
收稿日期：2014-08-12
文章编号：1007-9416(2014)09-0147-0)
F为接收机噪声系数，
是为与发射机调制方式相对应的最优接收机解调信噪比。 N
式中三项的取值范围均为小于1的正数。其中第一项代表系统整体能量转化到发射机能量的比值，第二项为接收机噪声系数对链路预算的恶化程度，第三项则代表因系统使用调制解调机制所产生的比特信噪比的非理性程度。整个系统的能量效率与调制方式，编码方式和链路格量紧密相关，这为低功耗无线收发机的设计提供了理论基础和思路。
3收发机系统架构
IEEE802.15.4协议在物理层定义了868MHz,915MHz及 2450MHz三个频段。其中仅有2450MHz为面向世界的通用频段，其信道宽度及间隔分别为2MHz.5MHz。为扩大协议的共存能力，规定其发射功率小于10dBm，典型功率值是0dBm。发射机的频谱罩要求在频率超过3.5MHz时，信号的绝对强度应不大于-30dBm，相对抑制不小于20dB。此外，要求收发间的切换时间需不大于192μ5。接收机的频率规范可以协议中获取，较为重要的系统指标为发射功率在一3dBm至10dBm之间，接收机灵敏度为一85dBm，邻道隔道抑制比分别为0dB，30dB，数据速率为250kbps。信号特征为调制信号在频率为零时对直流信号约有40B的抑制，信号的大部分能量均集中的主瓣内。基于IEEE802.15.4协议及实现低功耗的设计需求提出接收机的系统架构，接收机的系统架构由超外差，零中频、低中频及数字中频组成。其中超外差有较高的选择性、灵敏度好，缺点为高功耗、高成本；零中频的特点为成本及功耗较低且支持优化的解调方式，缺点为直流失调且受到闪烁噪声的干扰低中频具有高集成度成本及功耗较低且不受闪炼噪声干扰的优点，不过需镜像抑制及高 AD采样功耗，数字中频具有较强的可缩程性，不过由于采样率高、高精度AD等造成集成困难。发射机的系统架构由直接变换和直接调制组成，前者具有结构简单、集成容易的优点，但是需要注人牵引及锁定，面后者功耗及成本较低，然而设计过程复杂、风险性较高。由上述分析可知，接收机架构中的零中频及低中频结构更具有竞争力，而在发射机架构中，直接调制发送机在功耗上具有明显的优势，
4结语
在对无线传感网络的发展现状进行分析的基础上，结合香农理论给出了收发机系统的能量效率，为收发机的设计提供理论基础。收发系统的架构为后续的电路设计提供了思路，具有一定的参考价值。同时该架构实现了低功耗的设计需求，拓展了无线传感器网络
的进一步应用。参考文献
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[2]减丽娜,许明.越晶.无线传感器网络的研究与应用[J].商场现代化.2006(27)
作者简介：注洋(1984一),男汉族,安微准南人本科,研究方向：电气工程