[发明专利]用于无线传感器网络节点的芯片及芯片上的数字基带系统

说明书

技术领域

本发明涉及无线传输领域，特别涉及用于无线传感器网络节点的芯片及芯片上的数字基带系统。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量密集部署在监控区域的自治节点构成的一种自组织网络应用系统。它的应用前景十分广阔，能够广泛应用于军事、环境监测、医疗健康、交通管理以及商业应用等领域。虽然无线传感器网络节点有着各种各样的应用，但这些应用对无线传感器网络节点有着一些相同的要求，其中最具挑战性的要求就是如何使无线传感器网络节点的计算能力更强、应用环境更广、功耗更低、体积更小、成本更低、通信质量更好。

目前的无线传感器网络节点大多采用通用的嵌入式平台来实现。由于此类传感器网络节点的器件不是专门为无线传感器网络设计的，因此处理能力、功耗和体积等指标往往难以达到实际应用的要求。而随着FPGA/ASIC技术的发展以及片上系统(System on chip)技术的出现，采用片上系统的方法在FPGA上实现无线传感器网络节点平台，并在有大规模应用时将其转为ASIC批量生产的设计方法将成为解决节点处理能力、功耗和体积等问题的关键技术手段。

信号采集、信号处理及组网通信是无线传感器网络节点的三大功能。根据上述功能，无线传感器网络节点通常由传感模块、处理模块、无线通信模块以及能量模块四个部分组成，其中的无线通信模块占整个无线传感器网络节点功耗的绝大部分，无线通信模块中的数字基带在无线通信模块中起到了控制射频收发增益、信道编解码、对射频载波泄漏抑制控制、数字信号成形调制、最佳相干解调、位同步及抽样判决等作用，这些都影响到了无线传感器网络节点的功耗、性能、硬件成本及误码率，因此，设计低功耗、高性能、低误码率的数字基带系统对于降低无线传感器网络节点的功耗与硬件成本、提高节点通信质量及增强节点对环境的适应性有着重要的作用。

为了满足无线传感器网络节点低功耗、低成本的设计目标，ZigBee联盟推出了针对WSN的ZigBee协议，使得该协议成为无线传感器网络的一个新兴的通信标准。该协议的物理层(PHY)和媒体接入层(MAC)由IEEE802.15.4工作组制定，该工作组所制定的IEEE802.15.4标准中定义了900MHz和2.4GHz两个频段，在2.405GHz-2.480GHz的范围内共定义了16个频道，信道间隔为5MHz，调制方式为O-QPSK，其数据传输速率为250Kb/s，采用了基于伪随机噪声(PN)码的直接序列扩频(DSSS)技术，扩频增益为8。上述通信协议的应用有利于不同厂家所生成的无线传感器网络节点间的相互通信，有利于降低无线传感器网络节点的功耗与成本，有利于无线传感器网络的推广与应用。

但在现有技术中，采用片上系统设计方法实现的无线传感器大多采用各自制定的通信标准，很少根据IEEE802.15.4标准设计传感器中的数字基带系统。例如，瑞士CMES开发的无线传感器网络节点WiseNet，虽然采用了片上系统的技术并且专为无线传感器网络设计，但该节点中的数字基带采用2FSK调制，最高数据率为100kb/s，均不符合IEEE802.15.4的标准，使芯片不具有兼容其它符合IEEE802.15.4标准的传感器网络节点芯片的通用性。

现有技术中也存在符合IEEE802.15.4标准的数字基带系统，如Chipcon公司的CC2431和CC2510以及JENNIC公司的JN5121系列芯片中的数字基带系统，但包含这些数字基带系统的芯片仍然存在一定的局限性，包括：

1、这些芯片的数字基带系统可以做自动增益控制，且增益范围可通过软件配置，但自动增益控制过程中所涉及的判决门限采用固定门限值，不具有自适应调整的特性。而且普遍采用信号强度RSSI作为反馈值进行控制，将信号放大至饱和，而很少综合考虑接收链路质量LQI。信道内的窄带干扰会增加RSSI，但会降低链路质量LQI，因此采用单一RSSI作为反馈调整接受增益是不准确的。考虑到无线传感器网络节点应用环境广泛的实际情况，在实际应用过程中会面临信道情况复杂多变、发射功率不确定以及通信距离的实时变化等问题，这些都会影响节点丢包率和能耗，现有数字基带系统采用固定门限值的判决方式会导致节点的环境适应性下降。

2、这些芯片的数字基带系统在进行信号相位判决时没有采用自适应门限的施密特触发器方式，而是采用传统的过零触发方式进行信号相位判决，因此不能避免因输入相位的频繁跳变而造成的解调误码率升高。