一种用于2.4GHzZigBee接收机的新型低成本解调器.doc

本文由mazhx根据发表在JOURNAL OF ELECTRONICS (CHINA) , March2009, Vol.26, No.2上的A NEW LOW-COST DEMODULATOR FOR 2.4 GHZ ZIGBEE RECEIVERS翻译而来。一种用于2.4GHz ZigBee接收机的新型低成本解调器摘要 本文提出了一种新型的低成本解调器，用于满足IEEE802.15.4标准的要求的ZigBee接收机，为ISM 2.4GHz频段和零中频接收机而设计。这种解调器直接从基带信号而不是伪随机码芯片提取信息，因此结构得到简化。为提高解调器性能使用了以下两种技术：一是相轴过零检测（PACD），即检测基带信号的相位相关度；二是码同步和采样时钟校正算法。测量结果表明该解调器的性能、误码率（SER）和误包率（PER）能满足IEEE 802.15.4TM标准，当解调器包含噪声指数（NF）低于17dB的零中频接收机时可以处理200 KHz的频率偏移过量，这种接收器可以用标准CMOS技术轻松实现。一、 介绍如今，便携式无线应用需要数据通信速率相对较低的低功耗、低成本产品。ZigBee无线技术能满足IEEE 802.15.4标准，适用于自动控制的工业传感器网络、安全和智能家电。对于更广泛的应用，芯片成本和功耗都必须大幅度减少，应采用低成本技术（如标准CMOS技术）将其集成到一个小的芯片面积上。IEEE 802.15.4标准指定了直接序列扩频（DSSS）技术和半正弦脉冲整形的偏移正交相移键控（O-QPSK）调制（即最小频移键控，MSK）以达到高带宽效率和恒定包络特性。通常，对于MSK信号的两种数字解调技术分别在参考文献12-14中得到介绍。一种是相干解调器，可以更好的降低误码率，但是在这种解调器中需要相位和码定时同步，这样会需要大量的乘法器和除法器，也不适合低成本、低功耗设计。另一种是非相干解调器，传统的非相关解调器是基于零中频过零检测（ZIFZCD）技术的。参考文献15描述了一种称为异步过零检测器（AZCD）的简单解调器，这种解调器包含了当误码率为2410-4时Eb/N0为9.5dB的零中频接收机的设计。另外，参考文献16中描述的相位量化解调器（PQD）也可以用在MSK解调中，但会包含乘法器。本文结构如下：第二部分详细说明了相轴过零检测（PACD）方法，第三部分分析了解调器结构和所提出的解调器的关键部分，第四部分讨论了仿真结果。二、 相轴过零检测（PACD）方法半正弦脉冲整形的O-QPSK调制即MSK调制，它可以被看做连续相位频移键控（CPFSK）。调制过的信号可以表示为：（1）（2）其中是调制后的信号，是载波频率，是相位，是调制指数（=0.5），。零中频下变频后的基带信号可以写成：（3）其中是频率偏移，是相位偏移。对公式（3）微分后得到结果如下：（4）当发射芯片的是时，信号相位的斜率是；当是时，信号相位的斜率是。在恢复过程中，应满足条件，否则会出现错误的判定。如果采样信号的幅度是，相位是，则的值分别为与。如果相位角是则可以得到方程：（5）很显然，由公式（5）可以得到：如果则，如果则，如果则。如果前采样的相位是，相邻两次采样的关系可以很容易计算出来。三、 所提出的解调器的结构所提出的解调器的结构如图1所示：相轴产生器（PAG）产生所需数量的相轴，鉴相器组（PDG）将这些相轴转换为相位关系数据，决策整形器将相位关系数据转换为可以恢复的数据，相关器组、码决策和时钟选择模块共同恢复报头和分组数据。图1 所提出的解调器的结构1. 相轴产生器（PAG）从下变频器和低通滤波器（LPF）接收到的基带信号被分成两部分，信号和信号。相轴产生器通过计算所接收到的信号和信号产生所需数量的相轴，相轴的数量由所需要的性能决定（在本解调器中取）。实际上，这些轴均匀的分布在区间上，一些相轴的实现方法如图2所示。图2 一些相轴产生器的实现这些相轴也只是例子，如果相轴放置在合适的区域也可以用其他的方式实现。例如：，表示可以通过和相加或和相加得到。根据同样的理由，其他的相轴也可以用这个方法产生。如果所有的相轴都可以通过和相加或相减直接产生，那么相轴产生器可以通过并行方法实现，它可以有更高的速度。然而，如果所有的相轴都像图2所示那样通过和相加或相减间接实现，那么相轴产生器需要在速度和功耗之间权衡。2. 鉴相器组（PDG）在第二部分鉴相器（PD）的功能已经进行了讨论。假设信号的幅度是恒定的，如果采样值的相位是，下一个采样值的相位是，则可以得到下面的公式：（6）根据公式（6），如果采样值的相位比采样值的相位大（），则会有；如果采样值的相位等于采样值的相位（），则会有；如果采样值的相位比采样值的相位小（），则会有：相邻两次采样的关系式显而易见的。为了简化电路，公式（5）可以修改如下：（7）图3（a）显示了公式（7）所描述的鉴相器，图3（b）是另一种实现方法。图3 相位检测器相轴产生器产生的每个相轴都需要一个鉴相器，因此共需要个。如果其中一个鉴相器的输出为1，则鉴相器组的输出为1；如果全部为0，则鉴相器组的输出为0，如果其中一个鉴相器的输出为-1，则鉴相器组的输出为-1。3. 决策整形器决策整形器包括限幅器和整形器两个部分。限幅器从鉴相器组接收数据，并把它转换为三态数据类型：-1、0、1。在限幅器中有一个标志来显示决策整形器的输出（输出限制在之间）如何改变：如果鉴相器组的输出为1，则标志为1，增1（但是它的值不能超过1）；如果鉴相器组的输出为-1，则标志为0，减1（但是它的值不能低于-1）；如果鉴相器组的输出为0，则标志保持原来的值不变。决策整形器的真值表列在表格1中，其中，分别是和的下一个状态，是决策整形器的输出，是系统时钟。的意思是可以为1或0，当、都是时表示等于。表格1 决策整形器的真值表限幅器和整形器的功能是推断出鉴相器组输出的包络，并恢复出发射的位流。图4是相位过零检测器的主要波形：其中是传输信号芯片的相位，限制在区间；是鉴相器组的输出，用于表明相位相加或者相减；是的包络，作为限幅整形器的标志。根据图4可以得到一个结论：限幅整形器减少了由传输信道噪声或其他寄生噪声引起的错误的数量。如图4所示，如果有相位误差引入到系统中，就会产生一个错误的波形（正或负），这将导致错误的结果。但根据表格1，只能从1变到0，或从0变到-1，限幅整形器的输出不受错误毛刺的影响，所以很明显限幅整形器可以过滤掉错误的脉冲。图4 相位过零检测器的主要波形4. 码同步和时钟修正相关器组、码决策和时钟选择模块共同恢复报头和分组码。由于分组的报头码由32-0不同数目的芯片产生，这些码与发射的16个不同，所以报头和码同步应该有不同的相关器组。在这两个过程中使用了过采样技术。报头码同步如图5所示。报头相关器用于搜索分组的报头，采样值与报头相关器的相关系数有关，当相关结果超过阈值时可以确定一个报头码的位置，然后这个进程将继续，直到找到所有报头码。如果相关结果不超过，时钟选择模块将会使采样时钟的相位延迟一段时间，然后重复前面提到的过程。如果延迟数超过过采样率，这个过程将会结束，这意味着同步失败。分组码同步过程与报头码同步过程一样，如图6所示。8/8图5 报头码同步图6 分组码同步四、 仿真结果所提出的解调器的性能根据误码率和误包率进行评价。解调器码恢复的仿真误码率如图7所示，与参考文献15提出的同步过零检测器（AZCD）相比，在该仿真中使用了8倍过采样率，验证平台包括电脑和Altera公司的Cyclone II系列FPGA，为了方便和准确度，基带信号由Matlab提供，所提出的解调器在FPGA中实现。在仿真中只考虑了高斯白噪声，同时也考虑了信号的幅度偏移与相位偏移和200KHz的频率偏移。此外，结果分析通过Matlab进行。在ZigBee接收机中，灵敏度应低于或等于-85dBm以达到2410-4的误码率。根据图6所示，这意味着Eb/N0必须在过零检测器中等于9.5dB，在零中频过零检测器中等于13dB，在相位量化解调器中等于12dB。因此，鉴于需要达到的误码率，所提出的解调器至少应比过零检测器好0.7dB误包率性能如图8所示，根据参考文献1，适用于本仿真的帧码的数量可以很好的达到IEEE 802.15.4标准的要求。在误包率为1%时Eb/N0只需有8.8dB。模拟结果显示，即使频率偏移量达到200KHz误包率也没有退化。图7 所提出的解调器的误码率图8 所提出的解调器的误包