面向低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號接收器的設(shè)計與實現(xiàn)

周武陽

摘 要： 以往設(shè)計的低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號接收器，均無法有效對環(huán)境干擾與低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸性質(zhì)進(jìn)行協(xié)調(diào)，導(dǎo)致接收信號不完整、且接收距離較近，故設(shè)計高性能的面向低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號接收器，其由基準(zhǔn)源電路、動態(tài)增益放大器和信號檢測電路組成?；鶞?zhǔn)源電路自動校準(zhǔn)動態(tài)增益放大器和信號檢測電路產(chǎn)生的電路參數(shù)，維持接收器的正常工作。動態(tài)增益放大器對低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行自動增益調(diào)節(jié)，經(jīng)其增益調(diào)節(jié)后的低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號將傳輸給信號檢測電路進(jìn)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(shù)傳輸給基準(zhǔn)源電路進(jìn)行處理，基準(zhǔn)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(xiàn)部分給出了接收器的接收譜估計函數(shù)、低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號接收流程圖。經(jīng)實驗驗證可知，所設(shè)計的接收器接收完整性較強(qiáng)，并擁有較遠(yuǎn)的接收距離。

關(guān)鍵詞： 低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)； 信號接收器； 環(huán)境干擾； 傳輸性質(zhì)

中圖分類號： TN711?34； TN402 文獻(xiàn)標(biāo)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(dāng)今無線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域中。人流量、建筑遮擋、天氣等干擾均會造成無線網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度降低，人們希望通過一種面向低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)的信號接收器，來增強(qiáng)無線網(wǎng)絡(luò)信號的接收[1?3]。在以往低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號接收器的設(shè)計中，均無法有效對環(huán)境干擾與低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸性質(zhì)進(jìn)行協(xié)調(diào)，導(dǎo)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(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號接收器的出現(xiàn)[4?6]。

1 面向低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號接收器設(shè)計

1.1 基準(zhǔn)源電路設(shè)計

對基準(zhǔn)源電路而言，一般要求其應(yīng)輸出穩(wěn)定性較強(qiáng)的信號，且輸出信號同電源供電電壓也應(yīng)互不干擾。所設(shè)計的基準(zhǔn)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(fù)兩性的溫度感應(yīng)系數(shù)，其將低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號中所有類型的環(huán)境干擾因素均轉(zhuǎn)換成溫度信號進(jìn)行感應(yīng)，并將干擾因素以零值輸出，即對其進(jìn)行排除，進(jìn)而輸出穩(wěn)定性較強(qiáng)且不易受環(huán)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(shè)計的基準(zhǔn)源電路中共有3個晶體雙極管?；鶞?zhǔn)源電路利用電壓控制放大原理與晶體雙極管相結(jié)合的方法，先對動態(tài)增益放大器和信號檢測電路產(chǎn)生的電路參數(shù)進(jìn)行信號幅值放大處理，再將其中蘊(yùn)含的干擾因素排除。放大處理操作經(jīng)由電容C1～C3實現(xiàn)，干擾因素的排除操作則先經(jīng)由電感L1～L3進(jìn)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(tài)，便能夠?qū)崿F(xiàn)輸出信號同電源供電電壓的互不干擾。

1.2 動態(tài)增益放大器設(shè)計

動態(tài)增益放大器是面向低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號接收器的基礎(chǔ)元件，其可對低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行自動增益調(diào)節(jié)，并具有良好的抗環(huán)境干擾功能，能夠?qū)崿F(xiàn)信號的穩(wěn)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(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行放大，在低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號類型較多的情況下，晶體管3，4，6能夠?qū)@些信號進(jìn)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(wǎng)絡(luò)。由于攜帶較多環(huán)境干擾因素的低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號的參數(shù)波動很大，面向低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號接收器對動態(tài)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(lián)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(tài)增益放大器輸出信號的實時狀態(tài)，喚醒處于休眠狀態(tài)的信號，實現(xiàn)接收器對低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號的遠(yuǎn)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(tài)增益放大器的輸出信號進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測出信號正在休眠，比較器將發(fā)出喚醒指令。當(dāng)信號檢測電路中存在連續(xù)的250 kHz正弦波信號，則認(rèn)為喚醒指令已成功發(fā)出，此時電路將對休眠信號進(jìn)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(shù)傳輸給基準(zhǔn)源電路進(jìn)行處理，基準(zhǔn)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(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號接收器實現(xiàn)

2.1 接收譜估計函數(shù)

式中，[YHM]和[NH]分別代表[YM]和[N]的共軛轉(zhuǎn)置矩陣。面向低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號接收器利用式（4）便能夠?qū)崿F(xiàn)對低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號的定位，進(jìn)而實現(xiàn)對接收器的遠(yuǎn)距離、完整接收。

2.2 低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號接收的實現(xiàn)

所設(shè)計的面向低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號接收器軟件，給出其對低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號接收流程圖，如圖4所示。

由圖4可知，經(jīng)由面向低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號接收器硬件對低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號處理并傳輸后，接收器將調(diào)用軟件實現(xiàn)用戶對最終無線網(wǎng)絡(luò)信號的接收。首先對接收器軟件進(jìn)行初始化，再對最終無線網(wǎng)絡(luò)信號所需送達(dá)的用戶位置進(jìn)行檢測，為接收通道的選擇做準(zhǔn)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(yīng)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(gòu)建了低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號模型，在低干擾環(huán)境和高干擾環(huán)境下利用本文接收器、高斯函數(shù)接收器和數(shù)字處理接收器對6個不同類型的低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行接收，并對實驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。表1描述的是6個不同類型的低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號的實際數(shù)據(jù)量。實驗中，將數(shù)字處理接收器的實驗結(jié)果設(shè)為對照組1，將高斯函數(shù)接收器的實驗結(jié)果設(shè)為對照組2，實驗結(jié)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(shù)接收器受環(huán)境干擾的影響較大，特別是在高環(huán)境干擾下，其對數(shù)據(jù)量較低的信號5和信號6的接收數(shù)據(jù)量幾乎為0；數(shù)字處理接收器受環(huán)境干擾的影響不大，這為其接收完整性提供了保障。但數(shù)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(nèi)部硬件處理能力的影響；本文接收器的接收結(jié)果與低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號的實際數(shù)據(jù)量幾乎無出入，驗證了本文所設(shè)計的接收器擁有較強(qiáng)的接收完整性。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計高性能的面向低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號接收器，其由基準(zhǔn)源電路、動態(tài)增益放大器和信號檢測電路組成?；鶞?zhǔn)源電路對動態(tài)增益放大器和信號檢測電路產(chǎn)生的電壓和電流進(jìn)行自動校準(zhǔn)，維持接收器電路的正常工作。動態(tài)增益放大器對低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行自動增益調(diào)節(jié)，經(jīng)其增益調(diào)節(jié)后的低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號將傳輸給信號檢測電路進(jìn)行喚醒。信號接收器的實現(xiàn)部分給出了接收器的接收譜估計函數(shù)、低強(qiáng)度無線網(wǎng)絡(luò)信號接收流程圖。經(jīng)實驗驗證可知，所設(shè)計的接收器接收完整性較強(qiáng)，并擁有較遠(yuǎn)的接收距離。

參考文獻(xiàn)

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