基于射频前端的高能效无线通信系统设计rffront-end-高技术通讯.pdf

基于射频前端的高能效无线通信系统设计 张玉卫，李烨，乔登宇 中国科学院深圳先进技术研究院 深圳 518055 摘要：无线通信中，射频前端的功耗远大于数字基带的功耗，因此低功耗的无线通信系统设 计必须尽可能的降低射频前端的功耗。本文以 WiFi 系统为例，结合前期工作建立的无线收 发机射频前端的能量模型，通过调整数字基带通信的各种参数，如调制级数、数据传输率、 信号峰均值等，降低射频电路功耗；同时综合考虑各种射频电路噪声、失真和通信信道衰落 对通信质量的影响，建立了衰落信道下无线通信系统射频前端的能耗模型，并提出了满足一 定误码率下的高能效无线通信系统的设计方案。 关键词：能量模型；调制级数；RF 射频前端；谐波失真；1/f 噪声 RF Front-End Based Energy-Efficient Wireless Communication System Design Zhang Yuwei, Li Ye, Qiao Dengyu Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen, 518055 Abstract: Since the energy consumption of RF and analog front-end is more than that of digital sections, we must minimize it to design energy-quality wireless systems. In this paper, we refer our former work on RF front-end energy model. By this model, the energy consumption of RF front-end can be minimized by adjusting the base-band parameters, such as modulation level, data rate and signal peak-to-average ratio (PAR) etc. We consider the effects of thermal noise, 1/f noise, the third-order harmonic distortion and the flat fading, on the communication quality and updated the RF front-end energy model under fading channel, then we propose the most energy efficient system parameters under certain bit error rate (BER). Key words: energy model; modulation level; RF front-end; harmonic distortion; 1/f noise 1 引言 无线通信在日常生活中得到广泛应用，功能越来越丰富，但是随之引起的功率上升引起 人们的关注，一些用于降低无线通信功耗的技术得到了长足发展。最近几年，人们对通信中 各方面的低功耗技术进行了广泛研究，主要包括：低功耗路由[1][2] ，低功耗自适应调制 [3][4]，时延控制传输方案[5]，自适应纠错编码[6][7]等等。在前期的工作中，人们常常只考 虑通信信号的能量而忽略射频和模拟单元的电路能耗，或者简单地用常数表示。由于射频前 端在很高的频率处理模拟信号，与其他部分相比会消耗更多的能量，所以忽略或用常数表示 射频和模拟单元的功耗可能会导致不准确的低功耗系统设计。如[8] 中所述，基于 IEEE 802.11-b 的Intersil’s PRISM II 无线网卡，媒体接入控制（MAC ）处理器的能量损耗大约为 110mW，数字基带处理是 170mW，除功放外的模拟电路功耗是 240mW ，功率放大器是 600mW 。由此可见，近 75%功率是在模拟和射频部分消耗的，所以设计低功耗的无线通信 系统首先需要降低射频前端电路的功耗。