1、导言
跟着微机电体系(Micro-Electro- Mechanism System，MEMS)、片上体系(SOC，System on Chip)、无线通讯和低功耗嵌入式技能的飞速发展，孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)，并以其低功耗、低成本、散布式和自组织的特色带来了信息感知的一场革新。无线传感器网络是由布置在监测区域内很多的廉价微型 传感器节点组成，经过无线通讯方法构成的一个多跳自组织网络。WSN依据运用的不同支撑高速率和低速率数据传输，短间隔和远间隔通讯。
传感器节点一般都是由电池供电，而且需求继续作业几个月乃至几年，电池一般不能替换。为延伸电池的运用寿命，有必要下降通讯体系的功耗。曾经的研讨表 明，大部分功率是在模仿和射频部分耗费的，所以低功耗的无线传感器网络的规划首要是下降射频前端部分的功耗。体系耗费的能量分为传 输的能量和电路耗费的能量，在传统的无线链路中传输间隔较远(≥10m)，传输的能量占首要部分，首要着重的是下降传输的能量;然而在WSN体系中节点密 集散布，传输间隔一般小于10m，电路耗费的能量与传输的能量适当乃至超越传输的能量，这时在体系规划时就要考虑电路耗费的能量。
对A 类功率扩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体系中可 以核算出理论上的功率扩大器的功耗。曾经的研讨都是针对一致的体系架构或调制方法，没有考虑不同调制方法不同的架构对体系功耗的影响。
本文介绍了四种射频前端收发机架构及其对应的调制方法，而且详细评论了各个架构的能耗模型，在此基础上经过仿真给出适宜不同间隔和速率的调制方法及收发机架构，对低功耗WSN体系中射频前端架构的规划具有必定的参考价值。
本文结构组织如下：第二部分介绍了四种收发机射频前端体系架构，第三部分详细剖析了体系的能量模型，第四部分对仿真成果进行了评论，最终对全文进行了总结。
2、射频前端体系架构
收发机的意图是接纳和发射射频信号，其应完结的使命首要包含：信号转化、信号挑选、搅扰信号按捺、信号扩大、解谐和过错检测等。杂乱度、造价、功耗以及外部 元件的数量已成为挑选收发机架构的首要规范。本文中首要考虑低功耗的射频前端体系架构，文献[6]对外差式接纳机、零差式接纳机、镜像按捺接纳机、数字中 频接纳机和亚采样接纳机，以及直接改换发送器和两步发送器的结构及特色进行了详细的论说。
在WSN运用中，要依据不同的运用场景挑选不同的 收发机架构和调制方法。对不同的调制方法，频谱功率和能量功率之间的权衡现已出现在理论研讨和实践运用中。在实践运用中，具有很高频谱功率的调制方 式如MPAM和MQAM在M较大时，体系完成杂乱且功耗较高，这些要素使得一些简略的调制方法如2FSK，OOK和BPSK，QPSK在以下降能耗为方针 运用中，频谱功率和能量功率有一个较好的权衡。下面介绍四种收发机架构的组成及作业方法。
图1为MQAM体系的射频前端收发机结构，接纳机 选用传统的超外差低中频计划，发射机选用直接改换法。发射端首要包含数模转化器、重建滤波器、上变频混频器、功率扩大器和射频滤波器;接纳端首要包含射频 滤波器、下变频混频器、基带扩大器、基带抗混叠滤波器和模数转化器。调制信号经DAC改换滤波后经过混频器上变频至射频，然后经功率扩大，射频滤波由天线 发射出去。接纳端信号经天线接纳，射频滤波，低噪声扩大器后经下变频混频器下变频至中频，然后经基带扩大滤波由ADC改换为数字信号，在数字域进行解调及 其它处理。
对FSK，BPSK，QPSK调制体系，能够直接用数字基带信号操控锁相环或相频挑选网络发生FSK信号或PSK信号，然后直接经功率扩大器扩大，省去了混 频器，下降了电路耗费的功率。图2和图3别离为PSK和FSK调制收发机射频前端架构。对PSK调制收发机，发射端选用直接改换方法，所需调制相位的载波 由锁相环输出经移相网络发生，移相网络由数字基带信号直接操控，经过移相的调制信号经功率扩大器扩大，射频滤波由天线发射出去;接纳端选用低中频计划。对 FSK调制收发机，发射端选用直接改换方法，由数字基带信号直接操控锁相环中分频器的分频比发生不同频率的信号，经功率扩大器，射频滤波器由天线发射出 去;接纳端选用低中频计划。
OOK调制体系相对与那些频谱功率较高的调制体系来说具有更低的功率耗费，特别适宜于高能效短间隔无线通讯体系中，在这些运用中电路耗费的能量一般高于功率扩大 器输出的能量。图4为一种OOK收发机结构，发射端选用直接改换方法，晶振发生的载波与数字基带信号信号进行混频，上变频至射频，经功率扩大器由天 线发射出去;接纳端选用非相干接纳解调，省去了混频器下降了体系总的功耗，由天线接纳的信号经SAW滤波器，射频低噪声扩大器后，由包络检波器进行解调， 经基带扩大器，模数转化器恢复出原始信息。
3、能量模型
为了减小收发机的总能耗，就需求知道收发机中每个要害信号处理模块的准确的能量模型。对WiFi双工射频前端进行了建模，并给出了首要器材的功耗 状况。一般除了PA之外的模仿器材的首要功率参数在通讯中很难调整，一起虽然数/模转化器和模/数转化器是功耗与功率峰均比(Peak-to- Average Ratio, PAR)和调制级数有关的器材，但它们的功耗改变很小，所以咱们这儿假定它们的功耗为常数，PA的功耗在收发机中占首要部分，咱们首要考虑 PA的功耗。
现在在收发机中运用的功率扩大器首要有两种：线性的PA和非线性的PA，它们别离用在线性调制体系和非线性调制体系中。一般来 说，在相同数据速率的状况下，线性PA的功率功率比非线性的低，因而耗费的功率要比非线性PA的高;另一方面，线性调制体系的带宽功率比非线性的要高，数 据率也能够很高，而且线性度高的PA能够确保通讯质量和按捺频谱再生。由文献[5]知PA的功耗不光与功率有关，而且与通讯参数有关，比方传输的间隔、调 制级数、数据率、信号峰均比和误码率等。
典型的线性扩大器是A类功率扩大器，有很好的线性，可是因为操控电流源选用有源器材使其具有较大的直流功率耗费，所以功率较低，一般小于50%。一种高效的 非线性功率扩大器E类功率扩大器，广泛的运用在GSM等体系中，理论受骗选用开关形式是E类的功率能够到达100%。树立了准确的MQAM调制 体系A类扩大器的功率模型，树立了PSK调制体系的A类功率扩大器模型和MSK调制体系的非线性E类功率扩大器模型。可是没有考虑由成型 滤波器引起的PARroll-off对扩大器功耗的模型，下面咱们树立完好的PSK调制和OOK调制体系的A类功率扩大器功耗模型。
4、成果剖析
从第三部分可知每比特的能量不只和扩大器的功率有关，还和其它通讯参数有关，比方调制方法，调制级数，数据速率，传输间隔，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法有关。咱们从文献和 Freescale，TI的产品中得到射频前端的各模仿元件常见的功耗作为咱们的仿真参数，核算出不同架构和调制方法的PE，详细仿真参数见表1。
图5给出了在不同架构和调制方法下每比特耗费的能量与传输间隔的联系。从图中能够看出当传输间隔较小时，运用线性功率扩大器的PSK，16QAM，OOK调 制方法耗费的能量较小，而运用非线性功率扩大器的MSK调制方法具有较大的能量耗费;而且调制级数越大能耗越小。从公式(10)-(17)能够看出，当距 离较小时PA功耗PA P 相关于其它模块的总功耗PE来说很小，因而PE在总能耗Ebit中占首要部分，而且PE与调制级数b成反比。当间隔较大时具有非线性功率扩大器的MSK调 制方法具有较小的能耗，而且BPSK，QPSK调制方法相关于其它运用线性功率扩大器的调制方法具有较小的能耗。从公式(10)-(17)能够看出当传输 间隔较大时，PA功耗PPA占首要部分，非线性功率扩大器具有较高的功率，所以运用非线性功率扩大器的MSK调制方法具有较小的能耗。
图5 显现当传输间隔小于10m时，OOK、QPSK和16QAM调制具有较小的能耗，考虑核算和完成的杂乱度，OOK和QPSK调制更适宜低功耗WSN体系。 传输间隔在10m到25m挑选QPSK调制方法，在传输间隔大于25m时挑选MSK调制方法。对给定的传输间隔，咱们能够挑选适宜的架构和调制方法，使 WSN体系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，对不同的运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法 下每比特的能耗与传输速率的联系，传输间隔挑选10m。从图中能够看出当传输速率小于必定速率(200kbps)时，OOK调制方法具有较小的能 耗，BPSK、QPSK和MSK调制方法次之;当传输速率大于200kbps时，MSK调制方法具有最小的能耗，OOK, BPSK、QPSK调制方法次之。咱们知道关于固定的调制级数，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。因而当Rb较小时，N较小，PA的功耗相关于架构中其它模块的功耗PE较小，PE在总 功耗中占首要部分，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，详细剖析了每种架构及对应调制方法的功耗模型，一起考虑了电路耗费的能量和传输的能量;经过仿真剖析给出了在不同间隔和 不同数据传输速率的状况下适宜WSN体系的低功耗射频前端架构规划计划。在短间隔传输时，OOK和QPSK调制方法及其架构契合低功耗规划的考虑;在传输 间隔较大时，MSK调制方法及及其架构更契合体系低功耗的规划。当传输间隔为10m时，在数据速率较小的运用场合，OOK、BPSK和QPSK调制方法及 其架构契合低功耗规划的考虑;在规划速率要求较高时，MSK调制方法及及其架构更契合体系低功耗的规划。在其它状况下，要折中考虑功耗和频谱功率的影响选 择适宜的射频前端架构及对应的调制方法。
