具有自适应通信能力的无线传感网节点设计

通信模块采用直接序列扩频方式，可通过扩频增益的更改来获得不同的灵敏度，以满足不同数据速率及传输距离的要求。扩频码为0～1 023位的Gold码，扩频增益存在30dB的差别，更高的扩频增益意味着更高的灵敏度和更远的传输距离。
　　信道编解码模块参数可调整，根据系统接收效果设置不同的参数。当对信息误码率要求不高、而对信息的传输速率要求较高时，可视传输信道情况适当降低信道编解码的纠错能力，反之则可提高。
　　调制方式采用QPSK/OQPSK。发射滤波处理为对信号进行成型滤波，接收滤波处理为相应的匹配滤波。
3 主芯片器件性能及能量管理
　　选用Blackfin533作为主要的数字处理器件。Blackfin系列DSP是美国模拟器件公司（简称ADI）基于微信号体系结构的DSP，是专为满足嵌入式音频、视频和通信应用的计算要求和功耗约束条件而设计的16到32 位嵌入式处理器。它将一个32 位RISC型指令集和双16位乘法累加(MAC)信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合在一起，能够同时满足信号处理和控制处理应用的需求，从而极大地简化了硬件和软件设计。其处理速度快（ADSP-BF533处理速度可达750MHz）、功耗低的特点更适合WSN应用。
　　同时，Blackfin 处理器基于一种选通时钟内核设计，可按照逐条指令选择切断功能单元的电源。通过内部的动态电源管理模块对工作频率和电压进行独立控制，以满足正在执行的算法性能要求。这些转换可以在一个 RTOS(实时操作系统)或用户固定的控制之下连续出现。大多数 Blackfin 处理器都提供了片上内核稳压电路，并可在低至0.8V的电压条件下工作，因而特别适合于需要低功耗的便携式应用。
　　降低工作频率后，能量节省因子可表示为：

fCCLKRED为降频后的时钟频率，fCCLKNOM为正常状态下的时钟频率，VDDINTRED为降频工作后的电压，VDDINTNOM为正常状态下的电压，TRED为降频后工作时间,TNOM为正常状态下的工作时间。
　　Blackfin处理器支持的转换状态如表1所示。
　　Blackfin533在各种不同状态下的功耗如表2所示。其中，IDDTYP为典型应用情况下的电流，IDDSLEEP为休眠状态下的情况，IDDDEEPSLEEP为深度休眠状态下的情况，IDDHIBERNATE为关掉电源管理后的电流（VDDEXT=3.65V，VDDINT=0V），IDDRTC为VDDRTC=3.3V时测得的电流。
　　电压标志含义如表3所示。

4 系统性能分析
　　下面从自适应通信和传输距离的关系及能耗两个方面来分析系统的性能。
　　(1)系统路径损耗与传输距离/传输频率的关系
　　系统仿真参数设置为：
　　最大扩频增益：30dB
　　射频频率变化范围：200MHz~2GHz
　　发射机天线高度：5m
　　接收机天线高度：2m
　　最高速率时系统灵敏度：80dB
　　具有代表意义的传播为自由空间传播和近地传播。首先观察在自由空间传播中的情况。
　　设原有系统的灵敏度为-80dB，传输频率为400MHz，在增加30dB的扩频增益后，在自由空间中传输距离可增加近20km。且频率越高，这种增长的趋势越明显。
　　以Hata模型为例说明在其他环境下的对比情况。Hata模型是根据Okumura曲线图所作的经验公式，频率范围为150MHz~1 500MHz，以市区传播模型损耗为标准，其他地区在此基础上进行修正，适用于半径超过1km的大区域移动系统。
　　设系统工作频点为400MHz，则在不同环境下，系统的损耗与传输距离关系如图5所示。在城区环境下，系统的损耗较大，传输距离较近，30dB的增益仅能提升3km的距离。但如果增大发射功率，仍可获得较好的效果。