低功耗无线通信系统设计
低功耗无线通信系统设计
张玉卫 李烨 乔登宇
摘 要 无线通信中,射频前端的功耗远大于数字基带的功耗,因此低功耗的无线通信系统设计必须尽可能的降低射频前 端的功耗.本文以WiFi系统为例,建立无线收发机射频前端部分的能量模型,通过调整数通信字基带的各种参数,如调制 级数,数据传输率,信号峰均值等,降低射频电路功耗;同时综合考虑各种射频电路噪声,失真和通信信道衰落对通信质 量的影响,给出了满足一定误码率下的低功耗无线通信系统的设计方案. 关键词 能量模型;射频前端;自适应调制;谐波失真;1/f噪声大器;线性化;数字预失真
1 引言
无线通信在日常生活中得到广泛应用,功能越来 越丰富,但是随之引起的功耗上升引起人们的关注, 一些用于降低无线通信功耗的技术得到了长足发展. 最近几年,人们对通信中各方面的低功耗技术进行了 广泛研究,主要包括:低功耗路由[1][2],低功耗自适 应调制 [3][4],时延控制传输方案 [5],自适应纠错编码 [6][7] ,基于功率管理的数字通信处理器调度方案[8],低 功耗无线传感器网络[9][10]等等.但这些工作主要集中 在国外的一些研究机构,国内对低功耗技术的研究还 不是很多,而对于低功耗通信系统的设计,笔者暂时 还没有检索到国内有相关的文献.在前期的工作中, 人们常常只考虑通信信号的能量而忽略射频和模拟单 元的电路能耗,或者简单地用常数表示.由于射频 前端在很高的频率处理模拟信号,与其他部分相比会 消耗更多的能量,所以忽略或用常数表示射频和模拟 单元的功耗可能会导致不准确的低功耗系统设计.如 [11]中所述,基于IEEE802.11-b的Intersil'sPRISMII 无线网卡,媒体接入控制(MAC)处理器的能量损耗 大约为110mW,数字基带处理是170mW,除功放外 的模拟电路功耗是240mW,功率放大器是600mW. 由此可见,近75%功率是在模拟和射频部分消耗的, 所以设计低功耗的无线通信系统首先需要降低射频前 端电路的功耗. 为了确定对射频功耗影响最大的参数以及这些 通信参数如传输距离,天线增益,调制级数,信道 噪声,信号峰均值(PAR)以及比特错误概率(BER) 有关,虽然我们 [12]考虑了这些参数的影响,但在进 行系统性能分析时,只加载了信道高斯白噪声的影 响,而实际的信道往往是衰落信道,而且射频前端 有电路热噪声,1/f噪声和非线性三阶谐波失真,都 会对通信质量产生重要的影响. 本文给出了一种针对MQAM调制的无线收发 机射频前端部分的系统模型,采用更贴近实际的 Rayleigh衰落信道,加载射频电路热噪声,1/f噪声 和非线性三阶谐波失真,仿真的方法测量系统BER, 并给出满足一定通信质量的低功耗无线通信系统的设 计方案.本文组织如下,第二节详细介绍了收发机射 频前端的能耗模型,第三节分析了瑞利衰落信道下射 频前端电路噪声和非线性失真对通信质量的影响,第 四节给出了低功耗通信系统的设计方案,最后一节对 全文作了总结.
2 射频前端的能耗模型
本文以WiFi系统为例,采用的射频前端系统模 型如图1所示.在发送方主要模块有数/模转换器 (DAC),重构滤波器(Filter),上变频混频器(Mixer), 频率合成器(RFSynthesizer);接收方有射频滤波器, 低噪声放大器(LNA),下变频混频器,基带滤波器, 基带放大器(BA),模/数转换器(ADC). 我们在前期的工作中,对双工射频前端建模[12], 主要器件的功耗情况如表1所示.其中的数据主要来 源于RFMD和TI公司的产品以及我们前期建立的系统
参数对通信质量的影响,我们在前期的工作中建立 了一个能量模型 [12],将数字基带通信的参数和射频 前端的功耗联系起来,这将有助于对无线通信系统 的能量损耗和通信质量进行折衷分析,找出最优的 系统参数.我们前期的研究发现射频前端的功耗与
3
Vol. 3 No.11/ Nov. 2009 模型.表1给出了不同的系统参数对射频前端各模块 功耗的影响.例如,A类功率放大器的功耗是PAR, 传输距离d,调制级数b( )和误码率BER的 函数.同时给出了在不同工作模式下,射频模块的功 耗示例. 活动状态,空闲状态和休眠状态.通常与活动状态相 比,休眠状态的漏电流为零,所以休眠状态的功耗一 般为零[4];空闲状态的功耗主要与漏电流有关,通常 为一个常数.所以本文仅考虑收发机处于活动状态时 的功耗情况. 文中在能量消耗和通信质量方面评价了无线通信 节点的性能.考虑了各参数包括信号带宽(BW),信 噪比(SNR),PAR,b,1/f噪声和三阶谐波的影响.以 误码率(BER)的形式评价了通信质量.一些影响功耗 和通信质量的参数如下所述:

下一页