CN102780505B - 无线数字fsk收发器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了无线数字FSK收发器，包括物理层，物理层中包括接口电路、发射机、第一接收机、第二接收机和与媒体接入层进行通信的自适应控制模块；第一接收机具有比第二接收机复杂度高的射频接收和模拟前端电路；自适应控制模块根据信道链路质量的预测值与一预定值的比较，从两个接收机中选择打开其中的一个作为接收机的输出。本发明比现有的技术方案更好的兼顾了无线数字FSK收发器集成电路的功耗和性能。在接收链路质量足够好时使用低功耗接收机，在链路质量较差时使用功耗较高但是接收性能更好的接收机。两个接收机由一个控制模块自适应控制，在同一时间只有一个是打开的，另一个是关闭的，即保证了收发器的性能，灵敏度高，又降低了功耗。

Description

无线数字FSK收发器
技术领域
本发明涉及一种无线数字FSK收发器，属于无线通信技术领域。
背景技术
FSK、GFSK等调制技术被广泛应用于短距离无线传输中，随着物联网和个人无线局域网的发展，市场对这类应用的无线收发器的灵敏度和功耗有着越来越高的期望，特别是低功耗方面的性能如果有所突破将对应用的可能性有着极大地促进作用。集成电路发展到今日已经有成熟的设计方法和流程来保证混合信号（mixed signal）芯片大规模的应用。随着集成电路工艺制程的发展，集成电路的功耗和面积在随之逐渐降低，数字集成电路在这方面尤为突出。但是模拟集成电路相对数字集成电路来说进展要缓慢得多，这主要是因为模拟电路中电容电感的物理特性无法直接受益于工艺制程的进度，因此在相同工艺制程下模拟电路在功耗和芯片面积上都比数字电路有较大的差距。
目前产业界在无线数字FSK收发器集成电路上主要有两种技术方向，一种是牺牲接收性能换来功耗超低、复杂度超低的设计方法，这类芯片主要使用结构较为简单的射频和模拟前端电路以达到超低功耗的指标，通常使用限幅放大器来产生解调器的输入信号，这样就只能使用性能有限的非相干解调方法来接收FSK信号，通常使用的非相干解调方法为“过零检测”。众所周知，非相干解调与相干解调的方法在接收性能上有相当大的差距，而“过零检测”即便是在非相干解调的方法中也是性能相对较差的一种。因此，这种方法虽然达到了超低功耗的要求但是舍弃了接收性能，使得解调器在接收灵敏度方面性能下降，这一缺陷限制了其应用。
第二种技术方向是使用结构较为复杂的射频和模拟前端电路，通常是舍弃限幅放大器，而使用更复杂的电路来提供足够完整的信号送给解调器，在解调器的输入端通常由一个ADC将信号从模拟域转换到数字域，以便使用成熟的数字信号处理技术来做数字解调，以提高接收性能。虽然使用了更复杂的数字电路，但是可以通过使用更先进的制程工艺来很好地控制数字电路的功耗和面积消耗。因此，这种技术方向的集成电路的功耗和面积主要是由射频和模拟部分决定，其优点是相对第一种技术方案性能得到较大提升，但是存在功耗控制不够理想的缺陷。
以上可以看出，现有技术中的无线数字FSK收发器不能兼顾功耗和性能这两方面指标，两个指标存在互相妥协的缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种自适应超低功耗高灵敏度的无线数字FSK收发器，更好地兼顾无线数字FSK收发器集成电路的功耗和性能。
为了达到这个设计目标，本发明提出在同一收发器电路中放置两种现有设计方案的收发器，包括射频接收模拟前端和模拟及数字解调部分。通过分析研究合并其中功能相同的部分已达到减小面积消耗的目的。加入一个控制模块用于自适应地根据链路质量从两个接收机中选择打开其中的一个作为接收机的输出，此时另一个接收机处于关闭状态。如果链路质量较差且低于一预定的接收灵敏度门限时，开启第一接收机，同时关闭第二接收机；如果链路质量较好且高于预定接收灵敏度门限时，开启第二接收机，同时关闭第一接收机；这个控制模块同时用于自适应地根据链路质量控制发射机的发射功率，减小不必要的发射功率。总是使用第二接收机完成例如信道能量探测、空闲信道评估等非数据解调的功能，已达到降低功耗的目的。
为解决上述技术问题，本发明提供一种无线数字FSK收发器，包括与媒体接入层通讯的物理层，其特征是，所述物理层中包括接口电路、发射机、第一接收机、第二接收机和与媒体接入层进行通信的自适应控制模块；
所述第一接收机、第二接收机中均包含一射频接收和模拟前端电路，所述第一接收机具有比第二接收机复杂度高的射频接收和模拟前端电路；
自适应控制模块根据信道链路质量的预测值与一预定值的比较，从两个接收机中选择打开其中的一个作为接收机的输出；
当预测值大于预定值时，打开所述第一接收机；当预测值小于预定值时，打开所述第二接收机。
所述接口电路包括发送数据缓冲器、接收数据缓冲器，所述物理层通过所述接口电路与媒体接入层相互通讯，传递链路质量信号、链路质量的评估信号、空闲信道评估信号等。
所述发射机从发送数据缓冲器中读取发送数据内容，并形成物理层相应的帧格式，通过发射机内部的FSK数字调制器调制成数字基带信号，再由数字－模拟转换器将其转换成模拟信号，并交给射频发送模拟前端电路发送至天线。
所述自适应控制模块从媒体接入层得到所有的链路及其对应的链路质量信息，并运用这些信息在自适应控制模块中建立并实时更新一个包含所有链路及其对应的链路质量的统计表，每次媒体接入层请求物理层接收数据时，自适应控制模块根据媒体接入层指定的当前发送方通过查该统计表来得到链路质量的预测，根据链路质量的预测值和预定值的比较，开启第一接收机和第二接收机其中之一。
所述媒体接入层中汇总有每个链路质量的历史信息，所述自适应控制模块可以请求从媒体接入层得到这些所有的链路及其对应的链路质量信息。
每次接收到链路传输的帧之后，当前使用的接收机根据接收到的信号给出一个链路质量的评估，并和接收到的数据一起提交给媒体接入层，将每个链路质量的信息汇总在所述媒体接入层中。
所述自适应控制模块根据信道链路质量信息自适应的控制所述发射机的发射功率。
非数据接收的辅助功能例如信道能量探测、空闲信道评估等始终由所述第二接收机接收。
本发明所达到的有益效果：
本发明比现有的技术方案更好的兼顾了无线数字FSK收发器集成电路的功耗和性能。在接收链路质量足够好时使用低功耗接收机，在链路质量较差时使用功耗较高但是接收性能更好的接收机。两个接收机由一个控制模块自适应控制，在同一时间只有一个是打开的，另一个是关闭的，即保证了收发器的性能，灵敏度高，又降低了功耗。
附图说明
图1是本发明的一实施例模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
举例说明本发明在一个符合IEEE 802.15.4-2006 2.4G 标准收发器中的实施例。
图1包括了一个符合IEEE 802.15.4-2006 2.4G 标准收发器物理层（PHY）和媒体接入层（MAC）的模块图。物理层（PHY）包括了发射机、接收机A、接收机B和自适应控制模块；媒体接入层（MAC）通过某种总线和物理层的接口电路部分互相访问。接口电路包括发送数据缓冲器、接收数据缓冲器，MAC与PHY层之间可相互通讯，传递链路质量信号、链路质量的评估信号、空闲信道评估信号等。
发射机从发送数据缓冲器中读取发送数据内容，并形成物理层相应的帧格式，通过发射机内部的FSK数字调制器调制成数字基带信号，再由数字－模拟转换器DAC将其转换成模拟信号，并交给射频发送模拟前端电路发送至天线。
接收机通过天线将空中的射频（RF）信号传入接收机中的模拟前端电路，模拟前端电路对该信号进行一系列适当的滤波、放大和下变频将接收到的射频信号转换成了模拟中频（IF）信号。中频信号以数字信号（通过ADC采样）或者模拟信号的形式由不同结构的FSK解调器进行基带处理和解调直至恢复出发送方传递的信息数据并放入接收数据缓冲器中供MAC层在适当的时刻读取。
本发明中同时包含两个接收机，接收机1包含一个具有较高复杂度的射频接收和模拟前端电路A以及FSK数字解调器C，两者通过一个模拟-数字转换器ADC相连接。接收机2包含一个具有较低复杂度的射频接收和模拟前端电路B，以及FSK解调器D（该解调器包括模拟部分和数字部分）。
由自适应控制模块完成对接收机1和2之间的切换并能够和MAC层进行通信。由于每次接收到链路传输的帧之后，当前使用的接收机（1或者2其中之一）都会根据接收到的信号给出一个链路质量的评估并和接收到的数据一起提交给MAC层，因此每个链路质量的历史信息都会汇总在MAC层中。自适应控制模块可以请求从MAC层得到这些所有的链路及其对应的链路质量信息，并运用这些信息在自适应控制模块中建立并实时更新一个包含所有链路及其对应的链路质量的统计表，每次MAC层请求PHY接收数据时，自适应控制模块可以根据MAC层指定的当前发送方通过查表来得到链路质量的预测，根据链路质量的预测值和一个预定的值（接收灵敏度门限）的比较来决定在接收机1和接收机2中开启哪一个。由此可以完成自适应选择适当的接收机来达到兼顾接收性能和降低功耗的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1. 一种无线数字FSK收发器，包括与媒体接入层通讯的物理层，其特征是，所述物理层中包括接口电路、发射机、第一接收机、第二接收机和与媒体接入层进行通信的自适应控制模块；
所述第一接收机、第二接收机中均包含一射频接收和模拟前端电路，所述第一接收机具有比第二接收机复杂度高的射频接收和模拟前端电路；
自适应控制模块根据信道链路质量的预测值与一预定值的比较，从两个接收机中选择打开其中的一个作为接收机的输出；
当预测值低于预定值时，打开所述第一接收机；否则打开所述第二接收机；
所述自适应控制模块从媒体接入层得到所有的链路及其对应的链路质量信息，并运用这些信息在自适应控制模块中建立并实时更新一个包含所有链路及其对应的链路质量的统计表，每次媒体接入层请求物理层接收数据时，自适应控制模块根据媒体接入层指定的当前发送方通过查该统计表来得到链路质量的预测，根据链路质量的预测值和预定值的比较，开启第一接收机和第二接收机其中之一。
2.根据权利要求1所述的无线数字FSK收发器，其特征是，所述接口电路包括发送数据缓冲器、接收数据缓冲器，所述物理层通过所述接口电路与媒体接入层相互通讯。
3.根据权利要求2所述的无线数字FSK收发器，其特征是，所述发射机从发送数据缓冲器中读取发送数据内容，并形成物理层相应的帧格式，通过发射机内部的FSK数字调制器调制成数字基带信号，再由数字－模拟转换器将其转换成模拟信号，并交给其内部的射频发送模拟前端电路发送至天线。
4.根据权利要求1所述的无线数字FSK收发器，其特征是，所述媒体接入层中汇总有每个链路质量的历史信息，所述自适应控制模块可以请求从媒体接入层得到这些所有的链路及其对应的链路质量信息。
5.根据权利要求4所述的无线数字FSK收发器，其特征是，每次接收到链路传输的帧之后，当前使用的接收机根据接收到的信号给出一个链路质量的评估，并和接收到的数据一起提交给媒体接入层，将每个链路质量的信息汇总在所述媒体接入层中。
6.根据权利要求1所述的无线数字FSK收发器，其特征是，所述自适应控制模块根据信道链路质量信息自适应的控制所述发射机的发射功率。
7.根据权利要求1所述的无线数字FSK收发器，其特征是，非数据接收的辅助功能始终由所述第二接收机接收。
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