复旦大学
硕士学位论文
17GHz超低功耗无线接收机射频前端设计与实现
姓名：吴王华
申请学位级别：硕士
专业：微电子学与固体电子学
指导教师：周晓方
20070508
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Ｗｉｒｅｌｅｓｓ
ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
ｗｉｔｈｏｔｈｅｒｎｏｄｅｓ＆ｂａｓｅ
图Ｉ．ＩＷＳＮ的基本工作原理［４】
与传统的无线通讯网络相比，ＷＳＮｓ具有以下主要特点：（ａ）ＷＳＮ中的结点数目多，结点密度大；（ｂ）这些结点严格的受到能量和可获得的计算资源（包括内存）的制约；（ｃ）结点成本必须低，但可靠性相对较弱；（ｄ）通讯距离和比特率受到电池寿命，结点大小的制约；（ｅ）无线传感器网络应随着结点密度，数量，网络类型的不同具有扩展住。
图１．２传感器结点基本结构［５】
１．１．１无线传感器网络的应用
无限传感器网络为物理世界和信息网络搭建起了一条低成本的桥梁，因此它的应用前景巨大：
?军事应用和国家安全
?室内外环境监测
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图２．２无线通讯应用的单位比特能量比较【３１１
这里采用单位比特能量（Ｅｎｅｒｇｙ／ｂｉｔ）作为最根本的指标，来比较不同无线通讯应用的能量利用率，见图２．２．。这些例子的应用要求不同，电路结构和实现方法相差甚远，不能绝对的说一种方案优于另一种方案，但是将不同结构的无线收发机的特点归纳在表２．２中，对于从系统级选择收发机结构还是具有一定的指导意义。
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图２．３比特率对无线收发机能量效率的影响１３６】
提高通迅速率可以提高能量效率的原因可以从比特率对无线收发机系统各部分的影响进行分析。首先从物理层（ＰＨＹ）来说，收发机的绝对功耗不随通讯速率的变化而有较大波动。对于短距离（如：小于１０ｍ），载波频率在ＧＨｚ，无线收发机的功耗由产生载波的频率综合器主导［３７】。因此比特率对于射频前端的影响很小。接收端基带数字电路的功耗约正比于比特率。ＰＡ的功耗也约正比于通讯速率。因此随着通讯速率的提高，无线收发机的绝对功耗只有少量增加。
通讯速率也会影响媒体接入控制层ｍｅｄｉａａＣＣｅＳＳｃｏｎｔｒｏｌｌａｙｅｒ（ＭＡＣ）。通讯速率越高，一个数据包占用信道的时间就约越短，这样信道中的冲突就越少。总之，随着通讯速率提高，收发机自身功耗增加很少，而收发机传送相同的数据所需要的时间减少，配合恰当的功耗管理，能量的利用率可以大幅度提高。
值得注意的是，随着通讯速率的提高，收发机的开启时间和这一过程中消耗的能量不容忽略。目前先进的无线收发机多采用基于ＰＬＬ的频率综合器。由于含有反馈回路，通常需要几百微秒甚至几毫秒的建立时间（见表２．２）。因此，增加通讯速率的同时必须减小收发机的开启时间，这样才能大大的提高收发机的能量利用率。
２．２．２收发机工作频段选择
到目前为止，还没有明确而简单的指导如何选择收发机工作频段的理论方法。各种不同的应用选择不同的频段，但是主要集中在９００Ｍ和２．４ＧＨｚ。那么对于传输一定量的数据，到底选择哪个工作频段更有利于提高收发机的能量效率呢？
早期的ＷＳＮ无线收发机设计，集中在较低的ＩＳＭ频段，如４３３ＭＨｚ和９００ＭＨｚ。这些设计能够达到很低的收发枧功耗，接收机只有几毫瓦，而发射机也只有十几毫瓦。但是由于在ＩＳＭ频段，可以利用的带宽是很有限的，所以数据通讯率一般较低，只有几十ｋｂｉｔ／ｓ。因此能量利用牢不高。