低功耗无线传感器网络射频前端系统架构研究

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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。

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