具有自適應(yīng)通信能力的無線傳感網(wǎng)節(jié)點設(shè)計

通信模塊采用直接序列擴頻方式，可通過擴頻增益的更改來獲得不同的靈敏度，以滿足不同數(shù)據(jù)速率及傳輸距離的要求。擴頻碼為0～1 023位的Gold碼，擴頻增益存在30dB的差別，更高的擴頻增益意味著更高的靈敏度和更遠的傳輸距離。
　　信道編解碼模塊參數(shù)可調(diào)整，根據(jù)系統(tǒng)接收效果設(shè)置不同的參數(shù)。當對信息誤碼率要求不高、而對信息的傳輸速率要求較高時，可視傳輸信道情況適當降低信道編解碼的糾錯能力，反之則可提高。
　　調(diào)制方式采用QPSK/OQPSK。發(fā)射濾波處理為對信號進行成型濾波，接收濾波處理為相應(yīng)的匹配濾波。
3 主芯片器件性能及能量管理
　　選用Blackfin533作為主要的數(shù)字處理器件。Blackfin系列DSP是美國模擬器件公司（簡稱ADI）基于微信號體系結(jié)構(gòu)的DSP，是專為滿足嵌入式音頻、視頻和通信應(yīng)用的計算要求和功耗約束條件而設(shè)計的16到32 位嵌入式處理器。它將一個32 位RISC型指令集和雙16位乘法累加(MAC)信號處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起，能夠同時滿足信號處理和控制處理應(yīng)用的需求，從而極大地簡化了硬件和軟件設(shè)計。其處理速度快（ADSP-BF533處理速度可達750MHz）、功耗低的特點更適合WSN應(yīng)用。
　　同時，Blackfin 處理器基于一種選通時鐘內(nèi)核設(shè)計，可按照逐條指令選擇切斷功能單元的電源。通過內(nèi)部的動態(tài)電源管理模塊對工作頻率和電壓進行獨立控制，以滿足正在執(zhí)行的算法性能要求。這些轉(zhuǎn)換可以在一個 RTOS(實時操作系統(tǒng))或用戶固定的控制之下連續(xù)出現(xiàn)。大多數(shù) Blackfin 處理器都提供了片上內(nèi)核穩(wěn)壓電路，并可在低至0.8V的電壓條件下工作，因而特別適合于需要低功耗的便攜式應(yīng)用。
　　降低工作頻率后，能量節(jié)省因子可表示為：

fCCLKRED為降頻后的時鐘頻率，fCCLKNOM為正常狀態(tài)下的時鐘頻率，VDDINTRED為降頻工作后的電壓，VDDINTNOM為正常狀態(tài)下的電壓，TRED為降頻后工作時間,TNOM為正常狀態(tài)下的工作時間。
　　Blackfin處理器支持的轉(zhuǎn)換狀態(tài)如表1所示。
　　Blackfin533在各種不同狀態(tài)下的功耗如表2所示。其中，IDDTYP為典型應(yīng)用情況下的電流，IDDSLEEP為休眠狀態(tài)下的情況，IDDDEEPSLEEP為深度休眠狀態(tài)下的情況，IDDHIBERNATE為關(guān)掉電源管理后的電流（VDDEXT=3.65V，VDDINT=0V），IDDRTC為VDDRTC=3.3V時測得的電流。
　　電壓標志含義如表3所示。

4 系統(tǒng)性能分析
　　下面從自適應(yīng)通信和傳輸距離的關(guān)系及能耗兩個方面來分析系統(tǒng)的性能。
　　(1)系統(tǒng)路徑損耗與傳輸距離/傳輸頻率的關(guān)系
　　系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置為：
　　最大擴頻增益：30dB
　　射頻頻率變化范圍：200MHz~2GHz
　　發(fā)射機天線高度：5m
　　接收機天線高度：2m
　　最高速率時系統(tǒng)靈敏度：80dB
　　具有代表意義的傳播為自由空間傳播和近地傳播。首先觀察在自由空間傳播中的情況。
　　設(shè)原有系統(tǒng)的靈敏度為-80dB，傳輸頻率為400MHz，在增加30dB的擴頻增益后，在自由空間中傳輸距離可增加近20km。且頻率越高，這種增長的趨勢越明顯。
　　以Hata模型為例說明在其他環(huán)境下的對比情況。Hata模型是根據(jù)Okumura曲線圖所作的經(jīng)驗公式，頻率范圍為150MHz~1 500MHz，以市區(qū)傳播模型損耗為標準，其他地區(qū)在此基礎(chǔ)上進行修正，適用于半徑超過1km的大區(qū)域移動系統(tǒng)。
　　設(shè)系統(tǒng)工作頻點為400MHz，則在不同環(huán)境下，系統(tǒng)的損耗與傳輸距離關(guān)系如圖5所示。在城區(qū)環(huán)境下，系統(tǒng)的損耗較大，傳輸距離較近，30dB的增益僅能提升3km的距離。但如果增大發(fā)射功率，仍可獲得較好的效果。