面向低強度無線網絡信號接收器的設計與實現

周武陽

摘 要： 以往設計的低強度無線網絡信號接收器，均無法有效對環境干擾與低強度無線網絡的傳輸性質進行協調，導致接收信號不完整、且接收距離較近，故設計高性能的面向低強度無線網絡信號接收器，其由基準源電路、動態增益放大器和信號檢測電路組成?；鶞试措娐纷詣有蕜討B增益放大器和信號檢測電路產生的電路參數，維持接收器的正常工作。動態增益放大器對低強度無線網絡信號進行自動增益調節，經其增益調節后的低強度無線網絡信號將傳輸給信號檢測電路進行喚醒。喚醒成功后，信號檢測電路將電路中的所有信號和電路參數傳輸給基準源電路進行處理，基準源電路的輸出信號即為用戶接收到的最終信號。信號接收器的實現部分給出了接收器的接收譜估計函數、低強度無線網絡信號接收流程圖。經實驗驗證可知，所設計的接收器接收完整性較強，并擁有較遠的接收距離。

關鍵詞： 低強度無線網絡； 信號接收器； 環境干擾； 傳輸性質

中圖分類號： TN711?34； TN402 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）06?0133?03

Abstract： The low intensity wireless network signal receivers designed previously can′t coordinate the transmission property of the low intensity wireless network and environmental disturbance effectively， which leads to the incomplete receiving signal and short receiving distance， therefore a high performance signal receiver suitable for low intensity wireless network was designed. It is composed of the reference source circuit， dynamic gain amplifier and signal detection circuit. The reference source circuit adjusts the circuit parameters of the dynamic gain amplifier and signal detection circuit automatically， and maintains the regular work of the receiver. The dynamic gain amplifier executes the automatic adjustment of the gain signal of the low intensity wireless network， and transmits the adjusted signal to the detection circuit for waking up. After successful waking up， the signal detection circuit transmits all the signals in the circuit and circuit parameters to the reference source circuit for processing. The output signal of the reference source circuit is the final signal received by users. The receiving spectrum estimation function of the receiver and signal receiving flow chart of the low intensity wireless network are given in the third part of this paper. The experimental verification result shows that the receiver has strong receiving integrity， and long receiving distance.

Keywords： low intensity wireless network； signal receiver； environmental disturbance； transmission property

0 引 言

當今無線網絡是人們生活中必不可少的通信媒介，私人場所和公眾場所均不斷加入無線網絡的覆蓋區域中。人流量、建筑遮擋、天氣等干擾均會造成無線網絡信號強度降低，人們希望通過一種面向低強度無線網絡的信號接收器，來增強無線網絡信號的接收[1?3]。在以往低強度無線網絡信號接收器的設計中，均無法有效對環境干擾與低強度無線網絡的傳輸性質進行協調，導致人們接收到的信號不完整、且接收距離較近，人們期待著高性能的面向低強度無線網絡信號接收器的出現[4?6]。

1 面向低強度無線網絡信號接收器設計

1.1 基準源電路設計

對基準源電路而言，一般要求其應輸出穩定性較強的信號，且輸出信號同電源供電電壓也應互不干擾。所設計的基準源電路采用晶體雙極管作為電路核心。晶體雙極管擁有正負兩性的溫度感應系數，其將低強度無線網絡信號中所有類型的環境干擾因素均轉換成溫度信號進行感應，并將干擾因素以零值輸出，即對其進行排除，進而輸出穩定性較強且不易受環境干擾的信號，如圖1所示。

由圖1可知，Q代表晶體雙極管，所設計的基準源電路中共有3個晶體雙極管?；鶞试措娐防秒妷嚎刂品糯笤砼c晶體雙極管相結合的方法，先對動態增益放大器和信號檢測電路產生的電路參數進行信號幅值放大處理，再將其中蘊含的干擾因素排除。放大處理操作經由電容C1～C3實現，干擾因素的排除操作則先經由電感L1～L3進行信號緩沖，再傳入三個晶體雙極管中排除干擾。在上述過程中，只要時刻維持3個晶體雙極管均處于開啟狀態，便能夠實現輸出信號同電源供電電壓的互不干擾。

1.2 動態增益放大器設計

動態增益放大器是面向低強度無線網絡信號接收器的基礎元件，其可對低強度無線網絡信號進行自動增益調節，并具有良好的抗環境干擾功能，能夠實現信號的穩定輸出，其電路簡圖如圖2所示。

由圖2可知，圓圈代表晶體管。晶體管1，2，5的作用是對低強度無線網絡信號進行放大，在低強度無線網絡信號類型較多的情況下，晶體管3，4，6能夠對這些信號進行緩沖和隔斷，電容C1、電容C2、晶體管3以及電感L6、電感L8組成了一個反饋網絡。由于攜帶較多環境干擾因素的低強度無線網絡信號的參數波動很大，面向低強度無線網絡信號接收器對動態增益放大器所能容納的信號幅值范圍要求也較高，故在電路中并聯了一個電感L7。

1.3 信號檢測電路

信號檢測電路的作用是檢測動態增益放大器輸出信號的實時狀態，喚醒處于休眠狀態的信號，實現接收器對低強度無線網絡信號的遠距離接收，如圖3所示。

由圖3可知，信號檢測電路中擁有一個比較器，其作用是通過對比分析方法對動態增益放大器的輸出信號進行檢測，當檢測出信號正在休眠，比較器將發出喚醒指令。當信號檢測電路中存在連續的250 kHz正弦波信號，則認為喚醒指令已成功發出，此時電路將對休眠信號進行喚醒。喚醒成功后，信號檢測電路將電路中所有信號和電路參數傳輸給基準源電路進行處理，基準源電路的輸出信號即為用戶接收到的最終信號。

2 面向低強度無線網絡信號接收器實現

2.1 接收譜估計函數

式中，[YHM]和[NH]分別代表[YM]和[N]的共軛轉置矩陣。面向低強度無線網絡信號接收器利用式（4）便能夠實現對低強度無線網絡信號的定位，進而實現對接收器的遠距離、完整接收。

2.2 低強度無線網絡信號接收的實現

所設計的面向低強度無線網絡信號接收器軟件，給出其對低強度無線網絡信號接收流程圖，如圖4所示。

由圖4可知，經由面向低強度無線網絡信號接收器硬件對低強度無線網絡信號處理并傳輸后，接收器將調用軟件實現用戶對最終無線網絡信號的接收。首先對接收器軟件進行初始化，再對最終無線網絡信號所需送達的用戶位置進行檢測，為接收通道的選擇做準備。由于接收通道在很大程度上直接決定了接收器的接收距離，且通道的正確選擇也是接收器接收完整性的有利保證，故應對軟件的檢測操作格外重視。

3 實驗驗證

接收完整性驗證利用式（3）構建了低強度無線網絡信號模型，在低干擾環境和高干擾環境下利用本文接收器、高斯函數接收器和數字處理接收器對6個不同類型的低強度無線網絡信號進行接收，并對實驗結果進行對比分析。表1描述的是6個不同類型的低強度無線網絡信號的實際數據量。實驗中，將數字處理接收器的實驗結果設為對照組1，將高斯函數接收器的實驗結果設為對照組2，實驗結果如圖5、圖6所示。

通過圖5和圖6可看出，對照組2，即高斯函數接收器受環境干擾的影響較大，特別是在高環境干擾下，其對數據量較低的信號5和信號6的接收數據量幾乎為0；數字處理接收器受環境干擾的影響不大，這為其接收完整性提供了保障。但數字處理接收器的接收量曲線仍低于本文處理器，這可能是受其內部硬件處理能力的影響；本文接收器的接收結果與低強度無線網絡信號的實際數據量幾乎無出入，驗證了本文所設計的接收器擁有較強的接收完整性。

4 結 論

本文設計高性能的面向低強度無線網絡信號接收器，其由基準源電路、動態增益放大器和信號檢測電路組成。基準源電路對動態增益放大器和信號檢測電路產生的電壓和電流進行自動校準，維持接收器電路的正常工作。動態增益放大器對低強度無線網絡信號進行自動增益調節，經其增益調節后的低強度無線網絡信號將傳輸給信號檢測電路進行喚醒。信號接收器的實現部分給出了接收器的接收譜估計函數、低強度無線網絡信號接收流程圖。經實驗驗證可知，所設計的接收器接收完整性較強，并擁有較遠的接收距離。

參考文獻

[1] 王慧鋒，高瞻.認知無線電網絡中基于接收信號強度的定位算法[J].數據采集與處理，2014，29（3）：465?471.

[2] 張滇，明仲，劉剛，等.基于傳感器節點的無線接收信號強度研究[J].深圳大學學報（理工版），2014，31（1）：63?70.

[3] 丁艷玲.一款低功耗的高速CMOS LVDS信號接收器[J].電子技術應用，2015，41（3）：55?57.

[4] 張雙雙，王延年.節點分布不均勻的無線傳感網絡低功耗算法[J].西安工程大學學報，2015，29（6）：720?723.

[5] 李成，劉釗，樊尚春，等.鉆柱信道中聲信號傳輸的接收特性分析[J].振動、測試與診斷，2014，34（4）：744?748.

[6] 王堅強，易立富.新型二取二結構的25 Hz微電子相敏接收器數據處理方法研究[J].鐵道通信信號，2016，52（3）：13?15.