一種用于2.4GHzZigBee接收機(jī)的新型低成本解調(diào)器.docVIP

本文由mazhx根據(jù)發(fā)表在JOURNAL OF ELECTRONICS (CHINA) , March2009, Vol.26, No.2上的A NEW LOW-COST DEMODULATOR FOR 2.4 GHZ ZIGBEE RECEIVERS翻譯而來。一種用于2.4GHz ZigBee接收機(jī)的新型低成本解調(diào)器摘要 本文提出了一種新型的低成本解調(diào)器，用于滿足IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求的ZigBee接收機(jī)，為ISM 2.4GHz頻段和零中頻接收機(jī)而設(shè)計(jì)。這種解調(diào)器直接從基帶信號(hào)而不是偽隨機(jī)碼芯片提取信息，因此結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。為提高解調(diào)器性能使用了以下兩種技術(shù)：一是相軸過零檢測(cè)（PACD），即檢測(cè)基帶信號(hào)的相位相關(guān)度；二是碼同步和采樣時(shí)鐘校正算法。測(cè)量結(jié)果表明該解調(diào)器的性能、誤碼率（SER）和誤包率（PER）能滿足IEEE 802.15.4TM標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)解調(diào)器包含噪聲指數(shù)（NF）低于17dB的零中頻接收機(jī)時(shí)可以處理200 KHz的頻率偏移過量，這種接收器可以用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)輕松實(shí)現(xiàn)。一、 介紹如今，便攜式無線應(yīng)用需要數(shù)據(jù)通信速率相對(duì)較低的低功耗、低成本產(chǎn)品。ZigBee無線技術(shù)能滿足IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，適用于自動(dòng)控制的工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)、安全和智能家電。對(duì)于更廣泛的應(yīng)用，芯片成本和功耗都必須大幅度減少，應(yīng)采用低成本技術(shù)（如標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)）將其集成到一個(gè)小的芯片面積上。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)指定了直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)和半正弦脈沖整形的偏移正交相移鍵控（O-QPSK）調(diào)制（即最小頻移鍵控，MSK）以達(dá)到高帶寬效率和恒定包絡(luò)特性。通常，對(duì)于MSK信號(hào)的兩種數(shù)字解調(diào)技術(shù)分別在參考文獻(xiàn)12-14中得到介紹。一種是相干解調(diào)器，可以更好的降低誤碼率，但是在這種解調(diào)器中需要相位和碼定時(shí)同步，這樣會(huì)需要大量的乘法器和除法器，也不適合低成本、低功耗設(shè)計(jì)。另一種是非相干解調(diào)器，傳統(tǒng)的非相關(guān)解調(diào)器是基于零中頻過零檢測(cè)（ZIFZCD）技術(shù)的。參考文獻(xiàn)15描述了一種稱為異步過零檢測(cè)器（AZCD）的簡(jiǎn)單解調(diào)器，這種解調(diào)器包含了當(dāng)誤碼率為2410-4時(shí)Eb/N0為9.5dB的零中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)。另外，參考文獻(xiàn)16中描述的相位量化解調(diào)器（PQD）也可以用在MSK解調(diào)中，但會(huì)包含乘法器。本文結(jié)構(gòu)如下：第二部分詳細(xì)說明了相軸過零檢測(cè)（PACD）方法，第三部分分析了解調(diào)器結(jié)構(gòu)和所提出的解調(diào)器的關(guān)鍵部分，第四部分討論了仿真結(jié)果。二、 相軸過零檢測(cè)（PACD）方法半正弦脈沖整形的O-QPSK調(diào)制即MSK調(diào)制，它可以被看做連續(xù)相位頻移鍵控（CPFSK）。調(diào)制過的信號(hào)可以表示為：（1）（2）其中是調(diào)制后的信號(hào)，是載波頻率，是相位，是調(diào)制指數(shù)（=0.5），。零中頻下變頻后的基帶信號(hào)可以寫成：（3）其中是頻率偏移，是相位偏移。對(duì)公式（3）微分后得到結(jié)果如下：（4）當(dāng)發(fā)射芯片的是時(shí)，信號(hào)相位的斜率是；當(dāng)是時(shí)，信號(hào)相位的斜率是。在恢復(fù)過程中，應(yīng)滿足條件，否則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的判定。如果采樣信號(hào)的幅度是，相位是，則的值分別為與。如果相位角是則可以得到方程：（5）很顯然，由公式（5）可以得到：如果則，如果則，如果則。如果前采樣的相位是，相鄰兩次采樣的關(guān)系可以很容易計(jì)算出來。三、 所提出的解調(diào)器的結(jié)構(gòu)所提出的解調(diào)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示：相軸產(chǎn)生器（PAG）產(chǎn)生所需數(shù)量的相軸，鑒相器組（PDG）將這些相軸轉(zhuǎn)換為相位關(guān)系數(shù)據(jù)，決策整形器將相位關(guān)系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以恢復(fù)的數(shù)據(jù)，相關(guān)器組、碼決策和時(shí)鐘選擇模塊共同恢復(fù)報(bào)頭和分組數(shù)據(jù)。圖1 所提出的解調(diào)器的結(jié)構(gòu)1. 相軸產(chǎn)生器（PAG）從下變頻器和低通濾波器（LPF）接收到的基帶信號(hào)被分成兩部分，信號(hào)和信號(hào)。相軸產(chǎn)生器通過計(jì)算所接收到的信號(hào)和信號(hào)產(chǎn)生所需數(shù)量的相軸，相軸的數(shù)量由所需要的性能決定（在本解調(diào)器中取）。實(shí)際上，這些軸均勻的分布在區(qū)間上，一些相軸的實(shí)現(xiàn)方法如圖2所示。圖2 一些相軸產(chǎn)生器的實(shí)現(xiàn)這些相軸也只是例子，如果相軸放置在合適的區(qū)域也可以用其他的方式實(shí)現(xiàn)。例如：，表示可以通過和相加或和相加得到。根據(jù)同樣的理由，其他的相軸也可以用這個(gè)方法產(chǎn)生。如果所有的相軸都可以通過和相加或相減直接產(chǎn)生，那么相軸產(chǎn)生器可以通過并行方法實(shí)現(xiàn)，它可以有更高的速度。然而，如果所有的相軸都像圖2所示那樣通過和相加或相減間接實(shí)現(xiàn)，那么相軸產(chǎn)生器需要在速度和功耗之間權(quán)衡。2. 鑒相器組（PDG）在第二部分鑒相器（PD）的功能已經(jīng)進(jìn)行了討論。假設(shè)信號(hào)的幅度是恒定的，如果采樣值的相位是，下一個(gè)采樣值的相位是，則可以得到下面的公式：（6）根據(jù)公式（6），如果采樣值的相位比采樣值的相位大（），則會(huì)有；如果采樣值的相位等于采樣值的相位（），則會(huì)有；如果采樣值的相位比采樣值的相位?。ǎ瑒t會(huì)有：相鄰兩次采樣的關(guān)系式顯而易見的。為了簡(jiǎn)化電路，公式（5）可以修改如下：（7）圖3（a）顯示了公式（7）所描述的鑒相器，圖3（b）是另一種實(shí)現(xiàn)方法。圖3 相位檢測(cè)器相軸產(chǎn)生器產(chǎn)生的每個(gè)相軸都需要一個(gè)鑒相器，因此共需要個(gè)。如果其中一個(gè)鑒相器的輸出為1，則鑒相器組的輸出為1；如果全部為0，則鑒相器組的輸出為0，如果其中一個(gè)鑒相器的輸出為-1，則鑒相器組的輸出為-1。3. 決策整形器決策整形器包括限幅器和整形器兩個(gè)部分。限幅器從鑒相器組接收數(shù)據(jù)，并把它轉(zhuǎn)換為三態(tài)數(shù)據(jù)類型：-1、0、1。在限幅器中有一個(gè)標(biāo)志來顯示決策整形器的輸出（輸出限制在之間）如何改變：如果鑒相器組的輸出為1，則標(biāo)志為1，增1（但是它的值不能超過1）；如果鑒相器組的輸出為-1，則標(biāo)志為0，減1（但是它的值不能低于-1）；如果鑒相器組的輸出為0，則標(biāo)志保持原來的值不變。決策整形器的真值表列在表格1中，其中，分別是和的下一個(gè)狀態(tài)，是決策整形器的輸出，是系統(tǒng)時(shí)鐘。的意思是可以為1或0，當(dāng)、都是時(shí)表示等于。表格1 決策整形器的真值表限幅器和整形器的功能是推斷出鑒相器組輸出的包絡(luò)，并恢復(fù)出發(fā)射的位流。圖4是相位過零檢測(cè)器的主要波形：其中是傳輸信號(hào)芯片的相位，限制在區(qū)間；是鑒相器組的輸出，用于表明相位相加或者相減；是的包絡(luò)，作為限幅整形器的標(biāo)志。根據(jù)圖4可以得到一個(gè)結(jié)論：限幅整形器減少了由傳輸信道噪聲或其他寄生噪聲引起的錯(cuò)誤的數(shù)量。如圖4所示，如果有相位誤差引入到系統(tǒng)中，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤的波形（正或負(fù)），這將導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。但根據(jù)表格1，只能從1變到0，或從0變到-1，限幅整形器的輸出不受錯(cuò)誤毛刺的影響，所以很明顯限幅整形器可以過濾掉錯(cuò)誤的脈沖。圖4 相位過零檢測(cè)器的主要波形4. 碼同步和時(shí)鐘修正相關(guān)器組、碼決策和時(shí)鐘選擇模塊共同恢復(fù)報(bào)頭和分組碼。由于分組的報(bào)頭碼由32-0不同數(shù)目的芯片產(chǎn)生，這些碼與發(fā)射的16個(gè)不同，所以報(bào)頭和碼同步應(yīng)該有不同的相關(guān)器組。在這兩個(gè)過程中使用了過采樣技術(shù)。報(bào)頭碼同步如圖5所示。報(bào)頭相關(guān)器用于搜索分組的報(bào)頭，采樣值與報(bào)頭相關(guān)器的相關(guān)系數(shù)有關(guān)，當(dāng)相關(guān)結(jié)果超過閾值時(shí)可以確定一個(gè)報(bào)頭碼的位置，然后這個(gè)進(jìn)程將繼續(xù)，直到找到所有報(bào)頭碼。如果相關(guān)結(jié)果不超過，時(shí)鐘選擇模塊將會(huì)使采樣時(shí)鐘的相位延遲一段時(shí)間，然后重復(fù)前面提到的過程。如果延遲數(shù)超過過采樣率，這個(gè)過程將會(huì)結(jié)束，這意味著同步失敗。分組碼同步過程與報(bào)頭碼同步過程一樣，如圖6所示。8/8圖5 報(bào)頭碼同步圖6 分組碼同步四、 仿真結(jié)果所提出的解調(diào)器的性能根據(jù)誤碼率和誤包率進(jìn)行評(píng)價(jià)。解調(diào)器碼恢復(fù)的仿真誤碼率如圖7所示，與參考文獻(xiàn)15提出的同步過零檢測(cè)器（AZCD）相比，在該仿真中使用了8倍過采樣率，驗(yàn)證平臺(tái)包括電腦和Altera公司的Cyclone II系列FPGA，為了方便和準(zhǔn)確度，基帶信號(hào)由Matlab提供，所提出的解調(diào)器在FPGA中實(shí)現(xiàn)。在仿真中只考慮了高斯白噪聲，同時(shí)也考慮了信號(hào)的幅度偏移與相位偏移和200KHz的頻率偏移。此外，結(jié)果分析通過Matlab進(jìn)行。在ZigBee接收機(jī)中，靈敏度應(yīng)低于或等于-85dBm以達(dá)到2410-4的誤碼率。根據(jù)圖6所示，這意味著Eb/N0必須在過零檢測(cè)器中等于9.5dB，在零中頻過零檢測(cè)器中等于13dB，在相位量化解調(diào)器中等于12dB。因此，鑒于需要達(dá)到的誤碼率，所提出的解調(diào)器至少應(yīng)比過零檢測(cè)器好0.7dB誤包率性能如圖8所示，根據(jù)參考文獻(xiàn)1，適用于本仿真的幀碼的數(shù)量可以很好的達(dá)到IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求。在誤包率為1%時(shí)Eb/N0只需有8.8dB。模擬結(jié)果顯示，即使頻率偏移量達(dá)到200KHz誤包率也沒有退化。圖7 所提出的解調(diào)器的誤碼率圖8 所提出的解調(diào)器的誤包