面向低强度无线网络信号接收器的设计与实现
周武阳
摘 要： 以往设计的低强度无线网络信号接收器，均无法有效对环境干扰与低强度无线网络的传输性质进行协调，导致接收信号不完整、且接收距离较近，故设计高性能的面向低强度无线网络信号接收器，其由基准源电路、动态增益放大器和信号检测电路组成。基准源电路自动校准动态增益放大器和信号检测电路产生的电路参数，维持接收器的正常工作。动态增益放大器对低强度无线网络信号进行自动增益调节，经其增益调节后的低强度无线网络信号将传输给信号检测电路进行唤醒。唤醒成功后，信号检测电路将电路中的所有信号和电路参数传输给基准源电路进行处理，基准源电路的输出信号即为用户接收到的最终信号。信号接收器的实现部分给出了接收器的接收谱估计函数、低强度无线网络信号接收流程图。经实验验证可知，所设计的接收器接收完整性较强，并拥有较远的接收距离。
关键词： 低强度无线网络； 信号接收器； 环境干扰； 传输性质
中图分类号： TN711?34； TN402 文献标识码： A 文章编号： 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
当今无线网络是人们生活中必不可少的通信媒介，私人场所和公众场所均不断加入无线网络的覆盖区域中。人流量、建筑遮挡、天气等干扰均会造成无线网络信号强度降低，人们希望通过一种面向低强度无线网络的信号接收器，来增强无线网络信号的接收[1?3]。在以往低强度无线网络信号接收器的设计中，均无法有效对环境干扰与低强度无线网络的传输性质进行协调，导致人们接收到的信号不完整、且接收距离较近，人们期待着高性能的面向低强度无线网络信号接收器的出现[4?6]。
1 面向低强度无线网络信号接收器设计
1.1 基准源电路设计
对基准源电路而言，一般要求其应输出稳定性较强的信号，且输出信号同电源供电电压也应互不干扰。所设计的基准源电路采用晶体双极管作为电路核心。晶体双极管拥有正负两性的温度感应系数，其将低强度无线网络信号中所有类型的环境干扰因素均转换成温度信号进行感应，并将干扰因素以零值输出，即对其进行排除，进而输出稳定性较强且不易受环境干扰的信号，如图1所示。
由图1可知，Q代表晶体双极管，所设计的基准源电路中共有3个晶体双极管。基准源电路利用电压控制放大原理与晶体双极管相结合的方法，先对动态增益放大器和信号检测电路产生的电路参数进行信号幅值放大处理，再将其中蕴含的干扰因素排除。放大处理操作经由电容C1～C3实现，干扰因素的排除操作则先经由电感L1～L3进行信号缓冲，再传入三个晶体双极管中排除干扰。在上述过程中，只要时刻维持3个晶体双极管均处于开启状态，便能夠实现输出信号同电源供电电压的互不干扰。
1.2 动态增益放大器设计
动态增益放大器是面向低强度无线网络信号接收器的基础元件，其可对低强度无线网络信号进行自动增益调节，并具有良好的抗环境干扰功能，能够实现信号的稳定输出，其电路简图如图2所示。
由图2可知，圆圈代表晶体管。晶体管1，2，5的作用是对低强度无线网络信号进行放大，在低强度无线网络信号类型较多的情况下，晶体管3，4，6能够对这些信号进行缓冲和隔断，电容C1、电容C2、晶体管3以及电感L6、电感L8组成了一个反馈网络。由于携带较多环境干扰因素的低强度无线网络信号的参数波动很大，面向低强度无线网络信号接收器对动态增益放大器所能容纳的信号幅值范围要求也较高，故在电路中并联了一个电感L7。
1.3 信号检测电路
信号检测电路的作用是检测动态增益放大器输出信号的实时状态，唤醒处于休眠状态的信号，实现接收器对低强度無线网络信号的远距离接收，如图3所示。
由图3可知，信号检测电路中拥有一个比较器，其作用是通过对比分析方法对动态增益放大器的输出信号进行检测，当检测出信号正在休眠，比较器将发出唤醒指令。当信号检测电路中存在连续的250 kHz正弦波信号，则认为唤醒指令已成功发出，此时电路将对休眠信号进行唤醒。唤醒成功后，信号检测电路将电路中所有信号和电路参数传输给基准源电路进行处理，基准源电路的输出信号即为用户接收到的最终信号。
2 面向低强度无线网络信号接收器实现
2.1 接收谱估计函数
式中，[YHM]和[NH]分别代表[YM]和[N]的共轭转置矩阵。面向低强度无线网络信号接收器利用式（4）便能够实现对低强度无线网络信号的定位，进而实现对接收器的远距离、完整接收。
2.2 低强度无线网络信号接收的实现
所设计的面向低强度无线网络信号接收器软件，给出其对低强度无线网络信号接收流程图，如图4所示。
由图4可知，经由面向低强度无线网络信号接收器硬件对低强度无线网络信号处理并传输后，接收器将调用软件实现用户对最终无线网络信号的接收。首先对接收器软件进行初始化，再对最终无线网络信号所需送达的用户位置进行检测，为接收通道的选择做准备。由于接收通道在很大程度上直接决定了接收器的接收距离，且通道的正确选择也是接收器接收完整性的有利保证，故应对软件的检测操作格外重视。
3 实验验证
接收完整性验证利用式（3）构建了低强度无线网络信号模型，在低干扰环境和高干扰环境下利用本文接收器、高斯函数接收器和数字处理接收器对6个不同类型的低强度无线网络信号进行接收，并对实验结果进行对比分析。表1描述的是6个不同类型的低强度无线网络信号的实际数据量。实验中，将数字处理接收器的实验结果设为对照组1，将高斯函数接收器的实验结果设为对照组2，实验结果如图5、图6所示。
通过图5和图6可看出，对照组2，即高斯函数接收器受环境干扰的影响较大，特别是在高环境干扰下，其对数据量较低的信号5和信号6的接收数据量几乎为0；数字处理接收器受环境干扰的影响不大，这为其接收完整性提供了保障。但数字处理接收器的接收量曲线仍低于本文处理器，这可能是受其内部硬件处理能力的影响；本文接收器的接收结果与低强度无线网络信号的实际数据量几乎无出入，验证了本文所设计的接收器拥有较强的接收完整性。
4 结 论
本文设计高性能的面向低强度无线网络信号接收器，其由基准源电路、动态增益放大器和信号检测电路组成。基准源电路对动态增益放大器和信号检测电路产生的电压和电流进行自动校准，维持接收器电路的正常工作。动态增益放大器对低强度无线网络信号进行自动增益调节，经其增益调节后的低强度无线网络信号将传输给信号检测电路进行唤醒。信号接收器的实现部分给出了接收器的接收谱估计函数、低强度无线网络信号接收流程图。经实验验证可知，所设计的接收器接收完整性较强，并拥有较远的接收距离。
参考文献
[1] 王慧锋，高瞻.认知无线电网络中基于接收信号强度的定位算法[J].数据采集与处理，2014，29（3）：465?471.
[2] 张滇，明仲，刘刚，等.基于传感器节点的无线接收信号强度研究[J].深圳大学学报（理工版），2014，31（1）：63?70.
[3] 丁艳玲.一款低功耗的高速CMOS LVDS信号接收器[J].电子技术应用，2015，41（3）：55?57.
[4] 张双双，王延年.节点分布不均匀的无线传感网络低功耗算法[J].西安工程大学学报，2015，29（6）：720?723.
[5] 李成，刘钊，樊尚春，等.钻柱信道中声信号传输的接收特性分析[J].振动、测试与诊断，2014，34（4）：744?748.
[6] 王坚强，易立富.新型二取二结构的25 Hz微电子相敏接收器数据处理方法研究[J].铁道通信信号，2016，52（3）：13?15.
摘 要： 以往设计的低强度无线网络信号接收器，均无法有效对环境干扰与低强度无线网络的传输性质进行协调，导致接收信号不完整、且接收距离较近，故设计高性能的面向低强度无线网络信号接收器，其由基准源电路、动态增益放大器和信号检测电路组成。基准源电路自动校准动态增益放大器和信号检测电路产生的电路参数，维持接收器的正常工作。动态增益放大器对低强度无线网络信号进行自动增益调节，经其增益调节后的低强度无线网络信号将传输给信号检测电路进行唤醒。唤醒成功后，信号检测电路将电路中的所有信号和电路参数传输给基准源电路进行处理，基准源电路的输出信号即为用户接收到的最终信号。信号接收器的实现部分给出了接收器的接收谱估计函数、低强度无线网络信号接收流程图。经实验验证可知，所设计的接收器接收完整性较强，并拥有较远的接收距离。
关键词： 低强度无线网络； 信号接收器； 环境干扰； 传输性质
中图分类号： TN711?34； TN402 文献标识码： A 文章编号： 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
当今无线网络是人们生活中必不可少的通信媒介，私人场所和公众场所均不断加入无线网络的覆盖区域中。人流量、建筑遮挡、天气等干扰均会造成无线网络信号强度降低，人们希望通过一种面向低强度无线网络的信号接收器，来增强无线网络信号的接收[1?3]。在以往低强度无线网络信号接收器的设计中，均无法有效对环境干扰与低强度无线网络的传输性质进行协调，导致人们接收到的信号不完整、且接收距离较近，人们期待着高性能的面向低强度无线网络信号接收器的出现[4?6]。
1 面向低强度无线网络信号接收器设计
1.1 基准源电路设计
对基准源电路而言，一般要求其应输出稳定性较强的信号，且输出信号同电源供电电压也应互不干扰。所设计的基准源电路采用晶体双极管作为电路核心。晶体双极管拥有正负两性的温度感应系数，其将低强度无线网络信号中所有类型的环境干扰因素均转换成温度信号进行感应，并将干扰因素以零值输出，即对其进行排除，进而输出稳定性较强且不易受环境干扰的信号，如图1所示。
由图1可知，Q代表晶体双极管，所设计的基准源电路中共有3个晶体双极管。基准源电路利用电压控制放大原理与晶体双极管相结合的方法，先对动态增益放大器和信号检测电路产生的电路参数进行信号幅值放大处理，再将其中蕴含的干扰因素排除。放大处理操作经由电容C1～C3实现，干扰因素的排除操作则先经由电感L1～L3进行信号缓冲，再传入三个晶体双极管中排除干扰。在上述过程中，只要时刻维持3个晶体双极管均处于开启状态，便能夠实现输出信号同电源供电电压的互不干扰。
1.2 动态增益放大器设计
动态增益放大器是面向低强度无线网络信号接收器的基础元件，其可对低强度无线网络信号进行自动增益调节，并具有良好的抗环境干扰功能，能够实现信号的稳定输出，其电路简图如图2所示。
由图2可知，圆圈代表晶体管。晶体管1，2，5的作用是对低强度无线网络信号进行放大，在低强度无线网络信号类型较多的情况下，晶体管3，4，6能够对这些信号进行缓冲和隔断，电容C1、电容C2、晶体管3以及电感L6、电感L8组成了一个反馈网络。由于携带较多环境干扰因素的低强度无线网络信号的参数波动很大，面向低强度无线网络信号接收器对动态增益放大器所能容纳的信号幅值范围要求也较高，故在电路中并联了一个电感L7。
1.3 信号检测电路
信号检测电路的作用是检测动态增益放大器输出信号的实时状态，唤醒处于休眠状态的信号，实现接收器对低强度無线网络信号的远距离接收，如图3所示。
由图3可知，信号检测电路中拥有一个比较器，其作用是通过对比分析方法对动态增益放大器的输出信号进行检测，当检测出信号正在休眠，比较器将发出唤醒指令。当信号检测电路中存在连续的250 kHz正弦波信号，则认为唤醒指令已成功发出，此时电路将对休眠信号进行唤醒。唤醒成功后，信号检测电路将电路中所有信号和电路参数传输给基准源电路进行处理，基准源电路的输出信号即为用户接收到的最终信号。
2 面向低强度无线网络信号接收器实现
2.1 接收谱估计函数
式中，[YHM]和[NH]分别代表[YM]和[N]的共轭转置矩阵。面向低强度无线网络信号接收器利用式（4）便能够实现对低强度无线网络信号的定位，进而实现对接收器的远距离、完整接收。
2.2 低强度无线网络信号接收的实现
所设计的面向低强度无线网络信号接收器软件，给出其对低强度无线网络信号接收流程图，如图4所示。
由图4可知，经由面向低强度无线网络信号接收器硬件对低强度无线网络信号处理并传输后，接收器将调用软件实现用户对最终无线网络信号的接收。首先对接收器软件进行初始化，再对最终无线网络信号所需送达的用户位置进行检测，为接收通道的选择做准备。由于接收通道在很大程度上直接决定了接收器的接收距离，且通道的正确选择也是接收器接收完整性的有利保证，故应对软件的检测操作格外重视。
3 实验验证
接收完整性验证利用式（3）构建了低强度无线网络信号模型，在低干扰环境和高干扰环境下利用本文接收器、高斯函数接收器和数字处理接收器对6个不同类型的低强度无线网络信号进行接收，并对实验结果进行对比分析。表1描述的是6个不同类型的低强度无线网络信号的实际数据量。实验中，将数字处理接收器的实验结果设为对照组1，将高斯函数接收器的实验结果设为对照组2，实验结果如图5、图6所示。
通过图5和图6可看出，对照组2，即高斯函数接收器受环境干扰的影响较大，特别是在高环境干扰下，其对数据量较低的信号5和信号6的接收数据量几乎为0；数字处理接收器受环境干扰的影响不大，这为其接收完整性提供了保障。但数字处理接收器的接收量曲线仍低于本文处理器，这可能是受其内部硬件处理能力的影响；本文接收器的接收结果与低强度无线网络信号的实际数据量几乎无出入，验证了本文所设计的接收器拥有较强的接收完整性。
4 结 论
本文设计高性能的面向低强度无线网络信号接收器，其由基准源电路、动态增益放大器和信号检测电路组成。基准源电路对动态增益放大器和信号检测电路产生的电压和电流进行自动校准，维持接收器电路的正常工作。动态增益放大器对低强度无线网络信号进行自动增益调节，经其增益调节后的低强度无线网络信号将传输给信号检测电路进行唤醒。信号接收器的实现部分给出了接收器的接收谱估计函数、低强度无线网络信号接收流程图。经实验验证可知，所设计的接收器接收完整性较强，并拥有较远的接收距离。
参考文献
[1] 王慧锋，高瞻.认知无线电网络中基于接收信号强度的定位算法[J].数据采集与处理，2014，29（3）：465?471.
[2] 张滇，明仲，刘刚，等.基于传感器节点的无线接收信号强度研究[J].深圳大学学报（理工版），2014，31（1）：63?70.
[3] 丁艳玲.一款低功耗的高速CMOS LVDS信号接收器[J].电子技术应用，2015，41（3）：55?57.
[4] 张双双，王延年.节点分布不均匀的无线传感网络低功耗算法[J].西安工程大学学报，2015，29（6）：720?723.
[5] 李成，刘钊，樊尚春，等.钻柱信道中声信号传输的接收特性分析[J].振动、测试与诊断，2014，34（4）：744?748.
[6] 王坚强，易立富.新型二取二结构的25 Hz微电子相敏接收器数据处理方法研究[J].铁道通信信号，2016，52（3）：13?15.
