CN102082585A - 无线传感器网络接收机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络接收机，包括天线，接收无线传感器网络发射机发射出的频率信号；N个级联的低噪声放大器，将从天线中接收到的频率信号进行前置放大和一次带通滤波；双输入端混频器，将低噪声放大器滤波后的信号进行混频；模拟基带滤波器，将混频器混频后的信号进行二次带通滤波；数字基带解调器，将经模拟基带滤波器滤波后的信号解调出数据信号和时钟信号；所述第N-1个和N个低噪声放大器的输出端分别与混频器的两个输入端电连接。本无线传感器网络接收机，其优点在于：误码率小、接收灵敏度高。

Description

无线传感器网络接收机

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络系统，具体的讲是涉及一种无线传感器网络接收机。

背景技术

无线传感器网络是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合性智能化信息系统，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用对人类生活和生产的各个领域有着深远的影响和意义。无线传感器网络由大量小体积、低成本、具有独立无线通信、传感、数据处理能力的传感器节点组成。

目前，无线传感器网络的主流接收机系统之一是超宽带短脉冲接收机系统。对于超宽带短脉冲接收机来说，最重要的技术难点之一是如何解决接收机的有效带宽信号之外的频率的干扰问题。超宽带协议为了不影响现有的无线通信标准，因此规定了发射的信号能量要小于或者等于-41.3dBm/MHz，远低于现有其他标准的能量。这样就导致了在对信号的接收和解调过程中，任何可能出现的有效带宽信号之外频率信号对整个超宽带信号来说都是一个较强干扰信号。因此，如何有效抑制带外干扰信号是目前超宽带短脉冲接收机重点需要解决的问题之一。

如图1所示，现有技术的超宽带短脉冲接收机系统，包括天线，与天线连接的N个级联的低噪声放大器，还包括两个输入端的混频器，混频器的两个输入端均与第N个低噪声放大器的输出端连接，混频器的输出端连接有模拟基带滤波器，模拟基带滤波器的输出端连接有数字基带解调器。上述N个级联的低噪声放大器和混频器构成射频前端电路。其工作原理如下：首先，无线传感器网络接收机的天线T接收到信号后，经过低噪声放大器进行带通滤波；然后混频器对接收到的信号进行自混频，并将得到的信号交给模拟基带滤波器；接着模拟基带滤波器通过带通滤波网络对信号进行再次干扰抑制处理；经模拟基带滤波器滤波后的信号经数字基带解调器将信号解调出基带数据信号和时钟信号。

上述超宽带短脉冲无线传感器网络接收机，超宽带短脉冲信号频率以外的干扰信号(即有效信号频率之外的干扰频率信号)主要通过模拟基带滤波器抑制，由于混频器的两个输入端均与低噪声放大器的最后一级输出端连接，则低噪声放大器对有效信号频率之外的干扰频率信号的抑制较弱，以致无线传感器网络接收机的接收误码率较大，从而使无线传感器网络接收机的灵敏度降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种误码率小、接收灵敏度高的无线传感器网络接收机。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种无线传感器网络接收机，包括天线，接收无线传感器网络发射机发射出的频率信号；N个级联的低噪声放大器，将从天线中接收到的频率信号进行进行前置放大和一次带通滤波；双输入端混频器，将低噪声放大器滤波后的信号进行混频；模拟基带滤波器，将混频器混频后的信号进行二次带通滤波；数字基带解调器，将经模拟基带滤波器滤波后的信号解调出数据信号和时钟信号；所述第N-1个和N个低噪声放大器的输出端分别与混频器的两个输入端电连接。

进一步的，所述混频器采用双平衡型吉尔伯特混频器。

进一步的，所述低噪声放大器采用NMOS共源极、共栅极工艺结构。

进一步的，所述低噪声放大器为三个、且第二个和第三个低噪声放大器的输出端分别与混频器的两个输入端电连接。

本发明的有益效果是：采用双平衡吉尔伯特混频器，使无线传感器接收机在低功耗下工作，其两个输入端分别连接第N-1个低噪声放大器的输出端和第N个低噪声放大器输出端。使低噪声放大器的最高增益对应频率处的相频特性为-180°。即通过相频移位和带通滤波同时对干扰频率信号进行抑制，则进入混频器的干扰频率信号就会减小，有用信号干扰信号比SIR的优化程度可以达到10log(1/cos(φ))dB，则无线传感器网络接收机的接收误码率减小，则无线传感器网络接收机的接收灵敏度性能较高。

附图说明

图1是现有技术无线传感器网络接收机的原理图；

图2是本发明无线传感器网络接收机的原理图；

图3是本发明第二个和第三个低噪声放大器输出端的电压频率特性图；

图4是本发明无线传感器网络接收机的第三个低噪声放大器的幅频和相频特性图。

图中所示：T为天线，LNA 1......LNA N-1、LNA N、LNA为低噪声放大器，Mixer为混频器，Base-band Filter为模拟基带滤波器，Digital Base-Band为数字基带解调器，DATA为数据信号，CLOCK为时钟信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图2所示，本发明无线传感器网络接收机，包括天线T，接收无线传感器网络发射机发射出的频率信号；N个级联的低噪声放大器LNA，将从天线T中接收到的频率信号进行前置放大和一次带通滤波；双输入端混频器Mixer，将低噪声放大器LNA滤波后的信号进行混频；模拟基带滤波器Base-band Filter，将混频器Mixer混频后的信号进行二次带通滤波；数字基带解调器DigitalBase-band，将经模拟基带滤波器Base-band Filter滤波后的信号解调出数据信号DATA和时钟信号CLOCK；所述第N-1个和N个低噪声放大器LNA的输出端分别与混频器Mixer的两个输入端电连接。

上述低噪声放大器LNA和混频器Mixer构成射频前端电路。

本发明的混频器Mixer采用双平衡型吉尔伯特混频器。混频器Mixer通过交流耦合方式将高频信号加载在混频器Mixer的栅极电压处。混频器Mixer在常开模式下消耗的功耗为250uA，增益为2dB。

本发明的低噪声放大器LNA采用NMOS共源极、共栅极工艺结构。此种工艺结构增益效果好，噪声性能小，能在低功耗下工作。

本发明的优选方案是，采用三个低噪声放大器LNA，第二个低噪声放大器LNA2和第三个低噪声放大器LNA3的输出端分别与混频器Mixer的两个输入端电连接。

其工作原理如下：首先，无线传感器网络接收机的天线T接收到信号后，经过低噪声放大器LNA进行相频移位和带通滤波；然后混频器Mixer对接收到的信号进行自混频，并将得到的信号交给模拟基带滤波器Base-band Filter；接着模拟基带滤波器Base-band Filter通过带通滤波网络对信号进行再次干扰抑制处理；经模拟基带滤波器Base-band Filter滤波后的信号经数字基带解调器Digital Base-band将信号解调出基带数据信号DATA和时钟信号CLOCK。与现有技术不同的是：射频前端电路的滤波效果。将无线传感器接收机接收到的有用信号(超宽带短脉冲信号)和干扰信号分别表示为：

u(t)＝A·p_T(t)cos(2πf_ut)     (1)

I(t)＝I·cos(2πf_it)          (2)

其中，A和p_T(t)分别为超宽带短脉冲信号的幅度和单位脉冲包络函数，I为干扰信号的幅度，f_u和f_i分别为超宽带短脉冲信号和干扰信号的中心频率。如图3所示，第二个低噪声放大器LNA2输出端的电压频率用V_LNA2表示，第三个低噪声放大器LNA3输出端的电压频率用V_LNA3表示，第三个低噪声放大器LNA3输出端信号的相频特性在中心频率f_u表现为相位改变了180°，因此从第二个低噪声放大器LNA2和第三个低噪声放大器LNA3输出端得到超宽带短脉冲信号可以分别表示为u_LNA2(t)和u_LNA2(t+π)；而对于干扰信号，在经过第三个低噪声放大器LNA3后，由于f_i与f_u差别较大，因此其相位的改变不是180°，而是某个处于±90°之间的相位φ，因此从第二个低噪声放大器LNA2和第三个低噪声放大器LNA3输出端得到干扰信号可以分别表示为I_LNA2(t)和I_LNA3(t+φ)。由于混频器Mixer的两个输入端分别连接第二个低噪声放大器LNA2和第三个低噪声放大器LNA3的输出端，因此，从混频器Mixer输出的超宽带短脉冲信号为：

$u_{\mathrm{LNA}2}\left(t\right)\·u_{\mathrm{LNA}3}\left(t\right)={\mathrm{Ap}}_T\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{u}t\right){\mathrm{Ap}}_t\left(t\right)\cos (2\mathrm{\π}{f}_{u}t+\mathrm{\π})$

$=-\frac{1}{2}{A}^2{p}_T^2\left(t\right)(1+\cos (2\mathrm{\π}\·{2f}_{u}t))---\left(3\right)$

而从混频器Mixer的输出得到干扰信号信号为：

$I_{\mathrm{LNA}2}\left(t\right)\·I_{\mathrm{LNA}3}\left(t\right)=I\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{i}t\right)I\cos (2\mathrm{\π}{f}_{i}t+\mathrm{\φ})$

$=\frac{1}{2}{I}^2[\cos \left(\mathrm{\φ}\right)+\cos (4\mathrm{\π}{f}_{i}t+\mathrm{\φ})]---\left(4\right)$

从上述推导可以看出，对于超宽带短脉冲信号而言，由于两个乘积相的相位相差180°，因此，相乘以后的信号被混频进入DC处而不存在由于相位差带来的衰减；然而对于我们不需要的干扰信号来说，由于两个乘积相的相位相差不是180°，因此虽然相乘以后的信号被混频进入DC处，但是却出现了由于相位差带来的衰减，即cos(φ)。

混频器Mixer的干扰频率信号抑制处理称为自混频干扰抑制技术；将射频前端电路的第N-1个低噪声放大器LNA N-1和第N个低噪声放大器LNA N与混频器Mixer两个输入端连接的信号处理方式(即相频移位和带通滤波信号处理)，称为准自混频干扰抑制技术。

混频器Mixer输出端的有用信号干扰信号比(Signal to InterferenceRatio，SIR)表示如下：

$\mathrm{SIR}=\frac{P_S}{P_I}=\frac{{\∫}_0^T{P}_{\mathrm{UWB}}\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\∫}_0^T{P}_i\left(t\right)\mathrm{dt}}=\frac{{A_{\mathrm{UWB}}}^2{T}_u}{{2T}_s}/\frac{{I_{\mathrm{Interference}}}^2}{2}={\left(\frac{A_{\mathrm{UWB}}}{I_{\mathrm{Interfrernce}}}\right)}^2\frac{T_u}{T_s}---\left(5\right)$

其中P_S和P_I分别是有用信号和干扰信号的功率，A_UWB和I_Interference分别是有用信号和干扰信号的幅度，T_u和T_s分别表示超宽带短脉冲信号的超短脉冲持续时间和整个信号的周期。通过SIR_new和SIR_normal分别表示SIR，则：

$\frac{{\mathrm{SIR}}_{\mathrm{new}}}{{\mathrm{SIR}}_{\mathrm{normal}}}=\frac{\frac{1}{2}{A}^2{p}_T^2\left(t\right)}{\frac{1}{2}{I}^2\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}/\frac{\frac{1}{2}{A}^2{p}_T^2\left(t\right)}{\frac{1}{2}{I}^2}=1/\cos \left(\mathrm{\φ}\right)---\left(6\right)$

由此可见，通过这种准自混频技术，使混频器Mixer输出信号的SIR的优化程度为10log(1/cos(φ))dB。在实际应用中，超宽带短脉冲信号的中心频率在4.35GHz，而如果干扰信号(如蓝牙信号)出现在2.4GHz时，蓝牙干扰信号经过第三个低噪声放大器LNA3后产生的相位差约为75°左右，采用本发明无线传感器网络接收机后SIR改善为5.87dB，减小无线传感器网络接收机的接收误码率，则无线传感器网络接收机的接收灵敏度性能更高。

每一个低噪声放大器LNA的最大增益在12dB左右，3个级联后的低噪声放大器LNA的最大增益可以达到37dB，使射频前端电路的噪声系数为3dB。图4是第3个低噪声放大器LNA3输出信号仿真后的幅频特性和相频特性曲线图。需要特别指出的是，在设计中，将低噪声放大器LNA最高增益对应的频率的相频特性设置为-180°如图4的两条虚线之间的电压频率特性部分，这是为双平衡型混频器进一步抑制干扰频率信号做准备。

本发明无线传感器网络接收机的低噪声放大器LNA的级联个数，不限于三个，在设计中，可采用N个级联的低噪声放大器LNA，只要第N-1个低噪声放大器LNA N-1和第N个低噪声放大器LNA N的输出端分别与混频器Mixer的两个输入端电连接，便可实现本发明的效果。

Claims (4)

1.一种无线传感器网络接收机，包括

天线(T)，接收无线传感器网络发射机发射出的频率信号；

N个级联的低噪声放大器(LNA)，将从天线(T)中接收到的频率信号进行前置放大和一次带通滤波；

双输入端混频器(Mixer)，将低噪声放大器(LNA)滤波后的信号进行混频；模拟基带滤波器(Base-band Filter)，将混频器(Mixer)混频后的信号进行二次带通滤波；

数字基带解调器(Digital Base-band)，将经模拟基带滤波器(Base-bandFilter)滤波后的信号解调出数据信号(DATA)和时钟信号(CLOCK)；

其特征在于：

所述第N-1个和N个低噪声放大器(LNA)的输出端分别与混频器(Mixer)的两个输入端电连接。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络接收机，其特征在于：所述混频器(Mixer)采用双平衡型吉尔伯特混频器。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络接收机，其特征在于：所述低噪声放大器(LNA)采用NMOS共源极、共栅极工艺结构。

4.根据权利要求1所述的无线传感器网络接收机，其特征在于：所述低噪声放大器(LNA)为三个、且第二个和第三个低噪声放大器的输出端分别与混频器(Mixer)的两个输入端电连接。

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