具有自適應通信能力的無線傳感網節點設計

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，以滿足不同數據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可調整，根據系統接收效果設置不同的參數。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。
　　調制方式采用QPSK/OQPSK。發射濾波處理為對信號進行成型濾波，接收濾波處理為相應的匹配濾波。
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）基于微信號體系結構的DSP，是專為滿足嵌入式音頻、視頻和通信應用的計算要求和功耗約束條件而設計的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用的需求，從而極大地簡化了硬件和軟件設計。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應用。
　　同時，Blackfin 處理器基于一種選通時鐘內核設計，可按照逐條指令選擇切斷功能單元的電源。通過內部的動態電源管理模塊對工作頻率和電壓進行獨立控制，以滿足正在執行的算法性能要求。這些轉換可以在一個 RTOS(實時操作系統)或用戶固定的控制之下連續出現。大多數 Blackfin 處理器都提供了片上內核穩壓電路，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用。
　　降低工作頻率后，能量節省因子可表示為：

fCCLKRED為降頻后的時鐘頻率，fCCLKNOM為正常狀態下的時鐘頻率，VDDINTRED為降頻工作后的電壓，VDDINTNOM為正常狀態下的電壓，TRED為降頻后工作時間,TNOM為正常狀態下的工作時間。
　　Blackfin處理器支持的轉換狀態如表1所示。
　　Blackfin533在各種不同狀態下的功耗如表2所示。其中，IDDTYP為典型應用情況下的電流，IDDSLEEP為休眠狀態下的情況，IDDDEEPSLEEP為深度休眠狀態下的情況，IDDHIBERNATE為關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 系統性能分析
　　下面從自適應通信和傳輸距離的關系及能耗兩個方面來分析系統的性能。
　　(1)系統路徑損耗與傳輸距離/傳輸頻率的關系
　　系統仿真參數設置為：
　　最大擴頻增益：30dB
　　射頻頻率變化范圍：200MHz~2GHz
　　發射機天線高度：5m
　　接收機天線高度：2m
　　最高速率時系統靈敏度：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。
　　設原有系統的靈敏度為-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境下的對比情況。Hata模型是根據Okumura曲線圖所作的經驗公式，頻率范圍為150MHz~1 500MHz，以市區傳播模型損耗為標準，其他地區在此基礎上進行修正，適用于半徑超過1km的大區域移動系統。
　　設系統工作頻點為400MHz，則在不同環境下，系統的損耗與傳輸距離關系如圖5所示。在城區環境下，系統的損耗較大，傳輸距離較近，30dB的增益僅能提升3km的距離。但如果增大發射功率，仍可獲得較好的效果。