面向无线传感器网络节点应用的射频前端装置

摘要

本发明公开了一种面向无线传感器网络节点应用的射频前端装置，该装置包括：一分布式电源控制单元，用于对射频前端单元中各单元进行分布式电源控制，减少启动功耗和空闲功耗；一小信号放大器偏置控制单元，用于控制射频前端单元中小信号放大器的增益；一频率合成器环路滤波控制单元，用于控制射频前端单元中频率合成器的频率切换时间，减少射频前端单元状态切换下的能源浪费；一功率放大器偏置控制单元，用于实现对射频前端单元中功率放大器的输出功率进行控制。利用本发明，解决了当前无线传感器网络节点射频前端状态切换慢、发射功率及小信号放大器增益调整实时性差、单一电源管理等缺点。

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种面向无线传感器网络节点应用的射频前端装置。

背景技术

无线传感器网络(Wireless sensor network，WSN)是当前国际上备受关注的由多学科交叉的新兴前沿研究热点技术。无线传感器网络技术综合了微电子技术、传感器技术、嵌入式计算技术、无线网络通信技术、分布式信息处理技术以及微机电技术(MEMS)等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将信息传送到终端用户，从而实现无处不在的计算理念。

2003年，美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一。美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。

无线传感器网络系统主要的特点就是较高的节点分布密度、较低的工作速率以及较短的通信距离。由于无线传感器网络的分布随机性及节点的大数量，使得对节点的电源(通常是电池)进行更换几乎是不可能的。因此，实际上限制无线传感器网络应用的主要问题就是其较短的使用寿命。

无线传感器网络研究的核心问题之一就是降低节点功耗，使其寿命达2至7年(电池供电)，这就要求节点的平均能耗在几个μW。然而当前的芯片技术还无法满足这个要求，所以对节点只能采用周期唤醒的睡眠机制，同时节点的低功耗设计需要从协议层到物理层的完全考虑。

目前已报道的无线传感器网络节点基本上都是采用低功耗嵌入式处理器+专用射频收发芯片来设计的，这就存在一旦射频芯片选定，基本上射频前端就不能再作改动的问题，对于上层的设计也必须按照已采用的射频芯片的参数来进行，不能实时的改变射频前端诸如输出功率以及小信号放大器增益等，从而极大地限制了上层协议设计的灵活性。

另外，无线传感器网络的射频输出功率相对于节点自身的消耗功率已较小，所以在传输数据时，应尽量提高瞬时速率减少节点工作时间，而在较高的传输速率下，启动功耗占的比重却越来越大，所以降低启动功耗也是需要考虑的。

再者，当前射频芯片基本上都是单一电源管理，即射频前端的各个单元基本上都是同时开启的，而实际上射频前端的各个模块的启动时间都是不一样的(如频率合成器的启动时间远远大于功率放大器启动时间)，所以也不利于对功耗要求苛刻、多采用半双工通信及周期性睡眠的无线传感器节点应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种面向无线传感器网络节点应用的射频前端装置，以解决当前无线传感器网络节点射频前端状态切换慢、发射功率及小信号放大器增益调整实时性差、单一电源管理等缺点，达到根据上层预估的下一状态实时的进行射频前端各模块电源的动态管理、实时调整射频前端发射功率、小信号放大器增益、以及射频前端状态切换时间的目的。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种面向无线传感器网络节点应用的射频前端装置，包括用于连接处理器的处理器接口单元14、用于连接基带的基带接口单元15和至少包括小信号放大器、频率合成器及功率放大器的射频前端单元16，该装置还包括：

一分布式电源控制单元10，用于对射频前端单元16中各单元进行分布式电源控制，减少启动功耗和空闲功耗；

一小信号放大器偏置控制单元11，用于控制射频前端单元16中小信号放大器的增益；

一频率合成器环路滤波控制单元12，用于控制射频前端单元16中频率合成器的频率切换时间，减少射频前端单元16状态切换下的能源浪费；

一功率放大器偏置控制单元13，用于实现对射频前端单元16中功率放大器的输出功率进行控制。

所述分布式电源控制单元10在对射频前端单元16中各单元进行分布式电源控制时，根据上层协议决定射频前端单元16中各单元的供电状态，并在射频前端单元16状态切换时对各单元进行顺序关断或开启，且受控于上层协议调度，其输入端连接于处理器接口14，输出端连接于射频前端单元16中各单元的电源端。

所述小信号放大器偏置控制单元11在控制小信号放大器的增益时，受控于处理器的输出，其输入端连接于处理器接口14，输出端连接于射频前端单元16中的小信号放大器。

所述频率合成器环路滤波控制单元12根据上层协议确定的下一工作状态，实时调整环路滤波器的带宽，减少射频前端状态切换时间，同时保证频率的稳定性，其输入端连接于处理器接口14，输出端连接于射频前端单元16中的频率合成器。

所述频率合成器环路滤波控制单元12基于MOS场效应开关管实现，通过改变滤波器的截止频率实现频率合成器的瞬时频率切换，同时基于LO信号的回馈再次调整滤波器截止频率，保证频率的稳定性。

所述功率放大器偏置控制单元13在控制功率放大器的输出功率时，受控于处理器的输出，其输入端连接于处理器接口14，输出端连接于射频前端单元16中的功率放大器。

所述功率放大器偏置控制单元13基于数字化控制技术实现，通过上层协议获得的最优源节点和目标节点传输功率设定相应的偏置。

所述处理器接口单元14用于将接收自处理器的控制信号输出给射频前端单元16、分布式电源控制单元10、小信号放大器偏置控制单元11、频率合成器环路滤波控制单元12、功率放大器偏置控制单元13或基带接口单元15，并将射频前端单元16或基带接口单元15返回的反馈信号输出给处理器。

所述处理器接口单元14接收的反馈信号至少包括Lock和RSSI信号：所述Lock信号来自于射频前端单元16中频率合成器的Lock，RSSI信号来自于射频前端单元16中载波侦听单元的RSSI输出端。

所述基带接口单元15用于完成数字模拟信号的相互转换，其模数转换器的输入连接所述射频前端单元16中下变频器的输出，其数模转换器的输出连接射频前端单元16中上变频器的输入。

所述射频前端单元16为超外差式结构，采用单一频率合成器，包括低噪声小信号放大器、上下变频器、功率放大器、载波侦听单元、收发开关以及天线。

所述频率合成器选用MB1504与MAX2620结合产生本振信号，上下变频器采用AD8343，收发开关采用μPG152。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种面向无线传感器网络节点应用的参数化射频前端装置，相比于现有无线传感器网络节点的设计，基于参数化射频前端的设计有效的提高了无线传感器网络节点射频前端设计的灵活性，比如可以根据射频前端状态的切换通过分布式电源控制单元实现对射频前端各个单元的顺序关断与开启，也可以根据射频前端对切换时间的要求实时的改变环路滤波器截止频率，在保证快速频率切换的同时，也保证频率的稳定性。另外，本发明还可以根据信号强度RSSI实时的改变小信号放大器的增益，以及根据链路状况实时调整功率放大器输出功率，以最大的降低功耗。因此，利用本发明能够更好的将上层协议已知知识应用到射频前端，进而解决了当前无线传感器网络节点射频前端状态切换时间慢、发射功率及小信号放大器增益调整实时性差、单一电源管理等缺点，达到了根据上层的协议实时的进行射频前端各模块电源管理、调整射频前端发射功率、小信号放大器增益及射频前端状态实现快速切换的目的。

2、本发明提供的这种面向无线传感器网络节点应用的射频前端装置，在接收信号时可以根据接收信号强度，在一定误码率要求下，实时的改变接收信号放大器增益以降低功耗，在发送信号时可根据源节点和目标节点的已知距离，在一定误码率要求下，实时的调整功率放大器输出功率。

附图说明

图1为本发明提供的面向无线传感器网络节点应用的射频前端装置的结构框图；

图2为本发明提供的面向无线传感器网络节点应用的射频前端装置各组成单元内部结构的示意图；

图3为本发明提供的面向无线传感器网络节点应用的射频前端装置工作状态转换的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1为本发明提供的面向无线传感器网络节点应用的射频前端装置的结构框图，该装置包括用于连接处理器的处理器接口单元14、用于连接基带的基带接口单元15和至少包括小信号放大器、频率合成器及功率放大器的射频前端单元16，还包括分布式电源控制单元10、小信号放大器偏置控制单元11、频率合成器环路滤波控制单元12和功率放大器偏置控制单元13。

其中，分布式电源控制单元10用于对射频前端单元16中各单元进行分布式电源控制，减少启动功耗和空闲功耗。分布式电源控制单元10在对射频前端单元16中各单元进行分布式电源控制时，根据上层协议决定射频前端单元16中各单元的供电状态，并在射频前端单元16状态切换时对各单元进行顺序关断或开启，且受控于上层协议调度，其输入端连接于处理器接口14，输出端连接于射频前端单元16中各单元的电源端。分布式电源控制单元10用于对所述射频前端单元16中各单元进行最优电源管理，如可调整各个单元的电源开启顺序，从而有效解决单一电源带来的启动功耗以及射频前端状态切换功耗问题，最大限度提高低占空比下的无线传感器网络传输效能。

小信号放大器偏置控制单元11用于控制射频前端单元16中小信号放大器的增益。所述小信号放大器偏置控制单元11在控制小信号放大器的增益时，受控于处理器的输出，由于直接由处理器输出控制其功率放大器偏置电路，所以调整速度只受处理器的性能限制，实时性也就更强。小信号放大器偏置控制单元11的输入端连接于处理器接口14，输出端连接于射频前端单元16中的小信号放大器。

频率合成器环路滤波控制单元12用于控制射频前端单元16中频率合成器的频率切换时间，减少射频前端单元16状态切换下的能源浪费。频率合成器环路滤波控制单元12可根据上层确定的下一工作状态，实时调整环路滤波器的带宽，减少射频前端状态切换时间，同时保证频率的稳定性，其输入端连接于处理器接口14，输出端连接于射频前端单元16中的频率合成器。频率合成器环路滤波控制单元12基于MOS场效应开关管实现，通过改变滤波器的截止频率实现频率合成器的瞬时频率切换，同时基于LO信号的回馈再次调整滤波器截止频率，保证频率的稳定性。

功率放大器偏置控制单元13用于实现对射频前端单元16中功率放大器的输出功率进行控制，在控制功率放大器的输出功率时，受控于处理器的输出，由于直接由处理器输出控制其功率放大器偏置电路，所以调整速度只受处理器的性能限制，实时性也就更强，非常利于无线传感器网络的功率控制协议。功率放大器偏置控制单元13其输入端连接于处理器接口14，输出端连接于射频前端单元16中的功率放大器。功率放大器偏置控制单元13基于数字化控制技术实现，通过上层协议获得的最优源节点和目标节点传输功率设定相应的偏置。

另外，所述射频前端单元16为超外差式结构，采用单一频率合成器，包括低噪声小信号放大器、上下变频器、功率放大器、载波侦听单元、收发开关以及天线。

所述处理器接口单元14用于将接收自处理器的控制信号输出给射频前端单元16、分布式电源控制单元10、小信号放大器偏置控制单元11、频率合成器环路滤波控制单元12、功率放大器偏置控制单元13或基带接口单元15，并将射频前端单元16或基带接口单元15返回的反馈信号输出给处理器。

所述基带接口单元15用于完成数字模拟信号的相互转换，其模数转换器的输入连接所述射频前端单元16中下变频器的输出，其数模转换器的输出连接射频前端单元16中上变频器的输入。

基于图1所述的面向无线传感器网络节点应用的射频前端装置的结构框图，图2示出了本发明提供的面向无线传感器网络节点应用的射频前端装置各组成单元内部结构的示意图。

如图2所示，分布式电源控制单元10通过处理器接口连接于处理器，并分别连接于射频前端单元16除天线外的各个单元，主要是根据上层协议(处理器)决定射频前端各个模块的供电状态，并在射频前端状态切换时对各单元进行顺序关断或开启，减少单一电源带来的启动功耗或状态切换功耗。分布式电源控制单元10的输入[V5...V0]连接于处理器接口单元14的[V5...V0]，分布式电源控制单元10的输出VLNA、VLO、VPA、VRS分别与射频前端单元16中的VLNA、VLO、VPA、VRS相连接。

小信号放大器偏置控制单元11用于小信号放大器增益的实时性调整，同样由于直接由处理器输出控制其功率放大器偏置电路，所以调整速度只受处理器的性能限制，实时性也就更强。小信号放大器偏置控制单元12的输入[d3...d0]连接于处理器接口单元14的[d3...d0]，输出与射频前端单元16中的小信号放大器相连接。

频率合成器环路滤波控制单元12通过处理器接口连接于处理器，并分别连接于射频前端单元16中的频率合成器，主要根据上层确定的下一工作状态，实时调整环路滤波器的带宽，减少射频前端状态切换时间，同时保证频率的稳定性。频率合成器环路滤波控制单元12的输入ctrl1、ctrl2连接于处理器接口单元14的ctrl1、ctrl2，频率合成器环路滤波控制单元12的输出与射频前端单元16中的频率合成器相连接。

功率放大器偏置控制单元13用于实现对功率放大器输出功率的实时性调整，由于直接由处理器输出控制其功率放大器偏置电路，所以调整速度只受处理器的性能限制，实时性也就更强，非常利于无线传感器网络的功率控制协议。功率放大器偏置控制单元13的输入Pa_ctrl连接于处理器接口单元14的Pa_ctrl，输出与射频前端单元16中的功率放大器相连接。

处理器接口单元13接收的反馈信号至少包括Lock和RSSI等信号。所述Lock来自于射频前端单元16中频率合成器的Lock，RSSI来自于射频前端单元16中载波侦听单元的RSSI输出端。另外，处理器接口单元14还可以包括与基带处理的数据通信线缆。

射频前端单元16为超外差式结构，采用单一频率合成器，还包含低噪声小信号放大器、上下变频器、功率放大器、载波侦听单元、收发开关以及天线等。其中，频率合成器选用MB1504与MAX2620结合产生本振信号，上下变频器采用AD8343，低噪声小信号放大器和功率放大器选用通用的即可，收发开关采用μPG152。

基于图1和图2所述的面向无线传感器网络节点应用的射频前端装置，以下结合具体的实施例对本发明提供的面向无线传感器网络节点应用的射频前端装置进一步详细说明。

实施例

在本实施例中，以应用到实际无线传感器网络节点应用的方案为例。请参见图2，基带部分可采用现有的可编程逻辑器件(FPGA)或专用基带处理芯片实现；微处理器可采用嵌入式低功耗处理器，如ATmeg128L。

分布式电源控制单元10通过处理器接口连接于处理器，并分别连接于射频前端单元16除天线外的各个单元，主要是根据上层协议(处理器)决定射频前端各个模块的供电状态，并在射频前端状态切换时对各单元进行顺序关断或开启，减少单一电源带来的启动功耗或状态切换功耗。

频率合成器环路滤波控制单元12通过处理器接口连接于处理器，并分别连接于射频前端单元16中的频率合成器，主要根据上层确定的下一工作状态，实时调整环路滤波器的带宽，减少射频前端状态切换时间，同时保证频率的稳定性。

功率放大器偏置控制单元13通过处理器接口连接于处理器，并分别连接于射频前端单元16中的功率放大器，根据上层协议中源节点和目标节点的距离实时地调整功率放大器输出功率。

小信号放大器偏置控制单元11通过处理器接口连接于处理器，并分别连接于射频前端单元16中的小信号放大器，可根据上层获得RSSI值，实时调整小信号放大器的增益，减少射频前端功耗。

射频前端单元16为超外差式结构，采用单一频率合成器，还包含低噪声小信号放大器、上下变频器、功率放大器、载波侦听单元、收发开关以及天线等。

本实施例中面向无线传感器网络节点应用的射频前端装置的工作过程如下：

在由睡眠(或侦听)状态切换到发送状态时，处理器接口单元连接于频率合成器环路滤波控制单元12，通过MOS开关控制设定环路滤波器，先设定为较高截止频率。分布式电源控制单元10连接于射频前端单元16频率合成器开启其电源，锁定后，射频前端单元16中频率合成器连接于处理器接口单元，将信息反馈到处理器。频率合成器环路滤波控制单元12再设定为较低截止频率，保证频率稳定性。处理器根据上层协议中源节点和目标节点的距离自适应的确定功率放大器输出功率，并连接于功率放大器偏置控制单元13完成设定。顺序开启射频前端单元16中上变频器、功率放大器电源，同时将基带处理器接口12连接于射频前端单元16，将基带处理过的信号送到射频前端单元16。

在由发送状态切换到接收状态时，分布式电源控制单元10连接于射频前端单元16。首先关断射频前端单元16中功率放大器、上变频器，保持频率合成器电源。然后开启射频前端单元16中载波侦听单元，将RSSI信号回馈到处理器，通过小信号放大器偏置控制单元11设定射频前端单元16中小信号放大器增益，开启射频前端单元16中小信号放大器，开启射频前端单元16中下变频器。

其余状态切换类似，具体可以参见图3，图3为本发明提供的面向无线传感器网络节点应用的射频前端装置工作状态转换的示意图。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。