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1、目 录摘要 IAbstract II第1章 绪 论 11.1 课题背景及意义 11.1.1 课题背景 11.1.2 课题意义 21.2 国内外研究现状 21.3 开发平台SystemVue 简介 41.3.1 SystemVue 的特点 41.3.1 SystemVue 概述 41.4 论文的主要工作及内容安排 5第2章 WSN 数字基带传输系统概述 72.1 无线传感器网络 72.1.1 无线传感器网络的基本结构 72.1.2 无线传感器网络的特点 82.1.3 无线传感器网络的协议 82.2 IEEE 802.15.4 协议特色及简介 92.2.1 IEEE 802.15.4 低成本和低功

2、耗的特色 92.2.2 IEEE 802.15.4 其他重要的特性 92.2.3 IEEE 802.15.4 简介 102.3 IEEE 802.15.4 的MAC 112.3.1 MAC 子层服务 112.3.2 MAC 数据帧格式 112.4 IEEE 802.15.4 的PHY 122.5 2.4 GHz的PHY规范 142.6 本章小结 16第3章 WSN 的数字基带传输系统功能设计 173.1 WSN 数字基带传输系统结构和设计 173.1.1 数字基带传输系统的结构的设计 173.1.2 WSN 数字基带传输系统的整体设计 183.2 发送端模型的建立 193.2.1 数据映射和扩

3、频的设计 193.2.2 OQPSK 调制模块的设计 203.2.2.1 OQPSK 调制解调技术的选择 203.2.2.2 OQPSK 调制模块的设计 223.2.3 发送端脉冲整形模块的设计 233.3 信道模块的建立 243.4 接收端模型的建立 243.4.1 接收端脉冲整形模块的设计 243.4.2 OQPSK 的解调模块的设计 253.4.3 解扩和数据映射的设计 283.4.4 OQPSK 的调制解调模块总体设计图 293.5 本章小结 30第4章 系统基带信号处理的SystemVue 实现 314.1 发送端模块在SystemVue 上的实现 314.1.1 数据映射和扩频设计

4、的SystemVue 实现 314.1.2 OQPSK 调制模块设计的实现 324.1.3 发送端脉冲整形模块设计的实现 344.2 信道模块在SystemVue 上的实现 344.3 接收端模块在SystemVue 上的实现 354.3.1 接收端脉冲整形模块设计的实现 354.3.2 OQPSK 解调模块设计的实现 364.3.3 解扩和数据映射设计的实现 384.4 本章小结 39第5章 基带信号处理系统的仿真波形 405.1 OQPSK 调制模块的SystemVue 仿真波形 405.2 OQPSK 解调模块的SystemVue 仿真波形 425.3 基带传输系统性能分析 445.4

5、本章小结 46结论 47参考文献 48附录 50致谢 52第1章 绪 论早在1999 年，美国商业周刊就将“网络化的微型传感器技术”评为21 世纪最重要的21 项技术之一。无线传感器网络在国家安全、国民经济、环境保护、科学研究等诸多方面均有着极为广泛的应用和广阔的应用前景，已经对人类的生活方式产生了深远的影响，吸引了世界上许多国家的广泛关注。而无线传感器网络中的数字基带处理与传输部分，影响着整个网络的通信质量，因此对无线传感器网络中的数字基带处理部分具有着十分重要的意义1。1.1 课题背景及意义伴随着计算机技术、微电子技术、传感器技术、无线通信技术的飞速发展，我们完成了从追求性能强大、功能稳定

6、可靠的通用微型计算机，到追求具有有限计算能力并能执行特定任务的专用微型计算机的完美过渡。当今时代已由以往的PC 网络时代成功跨入后PC 网络时代。无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）的出现标志着后PC 网络时代的到来。而所谓的“普适计算”的计算模式就是通过为专用微型计算机配备微型传感器感知周围的物理世界，完成一些传统计算机不可能完成的任务。而“普适计算”的一个典型代表就是无线传感器网络。如果说Internet 构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变了人类与自然界的交互方

7、式。正是由于通过无线传感器网络作为人们感官的延伸，直接感知客观物理世界，从而极大的扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力2。1.1.1 课题背景无线传感器网络可以利用传感器节点获取大量的信息，延伸了人们的感官，扩展了人们的信息获取能力，使客观世界的物理信息同现代通信网络相互融合在一起。通过无线传感器网络人们在下一代PC 网络中获取最直接的、最有效、最真实的信息。“网络化的微型传感器技术”曾被MTI 技术评论列改变世界的10 大技术之一。事实证明无线传感器网络正在现代社会中成为越来越重要的技术和支撑，得到多方面越来越广泛的关注和应用。无线传感器网络有着广泛的应用领域，不得不提的是现在正在热门研究

8、的物联网便是无线传感器网络的一个典型的应用，如果真正实现了物联网，我们将正在的实现人类与自然界的顺畅沟通。当然还有其他一些重要的应用领域，如无线传感器网络应用于环境科学，可以使科学家在一些难以探测的区域，很方便的获得许多准确可靠的数据；无线传感器网络应用于医疗监护，可以使医生随时随地的监测病人的病情进展情况，以便使病人的病情及时得到控制；无线传感器网络应用于智能家居，可以为人们提供更加舒适、方便、人性化的家居环境3。正是由于无线传感器网络在军事应用、环境科学、医疗监护、智能家居、城市交通和空间探索等领域的巨大应用价值，得到各国军方、政府、跨国公司和科研机构的广泛关注和高度重视，成为了当今世界研

9、究热点。无线传感网络是基于IEEE 802.15.4 协议的无线短距离传输网络，不同于传统网络的是无线传感器网络是以数据为中心的网络。在现有各种无线通信技术中，ZigBee 技术是最低功耗和最低成本的技术，是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它依据IEEE 802.15.4 协议，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，具有较高的通信效率。1.1.2 课题意义无线传感器网络具有广阔的开发前景、重要的应用以及与传统网络所不同的特点，所以对其和其标准的研究具有重要的意义。研

10、究其标准是因为只有根据其标准我们才能很好的实现其网络的构建和互联。无线传感器网络的IEEE 802.15.4 协议是具有很大潜力和广泛应用价值的协议，IEEE 802.15.4 中的物理层中的数字基带传输又是比较基础和重要的，它用来实现对数据的传输，影响着整个通信系统甚至整个网络的通信质量。同时，在通信工程专业中通信原理是一门比较重要的专业基础课程，而无线传感器网络中的数字基带传输又是建立在通信原理的基础之上，是对通信原理的实际应用，所以仿真和研究无线传感器网络的数字基带传输不仅可以让我们更加清楚和明白的了解其数字基带部分的工作原理，而且可以提高对所学的知识的灵活应用，有利于把所学知识转化为实

11、践的能力，达到学以致用的目的，同时增加对本专业的热爱。另外，像基于无线传感器网络的如WSN 221、CC 1101、CC 2430这些芯片已经得到大家的认可并广泛的应用于许多领域。基于SOPC 的设计已经成为一种趋势，而其代码是不开放的，所以，其内部的工作原理我们并不了解，对其内部结构的数字通信系统模块的原理的研究就显得极为重要了。只有对其内部的重要原理进行了深入的研究，我们才能更好的利用其工作，更重要的是可以在这些原理的基础上进行技术的创新开发，进一步提高技术。所以对WSN 的数字通信系统的研究有着重要的意义。1.2 国内外研究现状由于无线传感器网络具有十分广阔的应用前景和巨大的应用价值，国

12、外很早就开始了对其的研究应用，尤其是美国是无线传感器网络研究的先驱。无线传感器网络已经深入到人们生活的各个层面，像互联网一样改变人们的生活方式。现在我国的一些重点院校已经开设了物联网这一专业，并致力于对其深入的研究开发和应用。早在20 世纪90 年代美国就开始了对无线传感器网络的研究，最初是在军事方面进行推广和应用。美国的加州大学伯克利分校（University of California，Berkeley）、加州大学洛杉矶分校（University of California，LosAngeles）和康奈尔大学（Cornell University）等几所大学最先开始对无线传感器网络进行研究

13、，并得出了很丰富的研究结果。对无线传感器网络的研究中，2002年，大西洋学院和因特尔实验室联合进行的大鸭岛环境监测项目是比较系统的应用实例。由于大鸭岛上的生物对外来监控设备十分敏感，因特尔实验室和大西洋学院在岛上部署了大量的传感器节点，并利用这些传感器进行了半年左右的监控，最终得到了丰富而可贵的数据。实验表明无线传感器网络在这样特殊的应用环境中相比其它网络具有非常明显的优势。环境监测只是无线传感器网络在应用上的一个方面，无线传感器网络为环境监测提供了更加准确、丰富的宝贵数据，对环境影响更小的全新的手段。目前，已有很多学者对无线传感器网络的构建在理论上进行了研究，如文献3，研究了无线传感器网络的

14、体系结构、网络特点及其广泛的应用，最后研究了其网络协议层次。对于这样的研究十分的丰富，而且是在宏观上的理论研究。也有一些是对其整个网络进行仿真分析，如文献4和硕士论文5，在介绍了无线传感器网络后，利用网络仿真软件NS 2 对无线传感器网络进行简单的设计和性能分析，偏重于网络的设计和协议的实现。在书6中，详细的研究并利用SystemView 平台仿真设计的直接序列扩频和基于IEEE802.11 无线局域网直接扩频系统在SystemView 上的仿真。而利用SystemVue 这一专业的通信仿真软件对基于IEEE 802.15.4 无线传感器网络进行仿真设计的资料几乎没有找到。大多数是研究生以上学

15、历的人着重于对其整个无线传感器网络利用FPGA 或NS 2 进行构架。而且在数字基带处理这块都是采用某一完成此功能的芯片来实现，并没有对基带处理内部设计。比较具有参考价值的便是书6，该论文虽然是基于IEEE 802.11无线传感器网络进行仿真设计，但是对IEEE 802.15.4 有很大的参考价值，尤其是其对发送端接收端的SystemVue 仿真设计还有一些参数的设置。虽然很少资料是专门研究基于IEEE 802.15.4 协议的无线传感器网络的数字基带传输系统的SystemVue 仿真分析，但是却有很多资料是对利用不同的软件平台无线传感器网络中数字基带传输内不同模块的研究。无线传感器网络的基带

16、传输中的OQPSK 调制解调模块的实现有以下文献，如，文献7中便利用FPGA 来实现OQPSK 调制器的设计。在硕士论文8中，不仅有详细的OQPSK 调制解调的说明介绍，而且还有详细的FPGA 仿真分析，具有一定的参考价值。对利用文献9详细的介绍了OQPSK 调制解调的原理，并简要的给出了仿真设计图和仿真波形，对本论文的具有很大的参考价值。我们知道对基于IEEE 802.15.4 协议的无线传感器网络的数字基带传输系统的SystemVue 仿真的研究比较少，如果是对整个无线网络的研究我们可以用NS 2 来仿真比较简单，而只是对网络中的数字基带部分进行仿真，那么用FPGA 就比较复杂了，需要编写

17、复杂而冗长的代码。在教学中学生要想掌握基于IEEE 802.15.4 协议的无线传感器网络的数字基带传输系统，就必须要求有一定的编程语言基础，而且不易于理解其工作的原理。而利用SystemVue 这一专业的通信仿真软件就比较易懂和简单了，只要把其工作原理，设计思路弄清，无须编写复杂的代码，只需要选择并拖动SystemVue 库中丰富的图符后设置合适的参数即可。所以学生无需深厚的基础，便可快速理解和掌握其原理，具有很好的教学科研价值。如果还可以实现硬件设计向软件设计的过渡，即利用SystemVue 中的C+ 代码生成器便可直接生成代码。1.3 开发平台SystemVue 简介对基于IEEE 80

18、2.15.4 协议的无线传感器网络的数字基带传输系统的仿真设计和分析我们选择SystemVue 这一通信的专业仿真软件，它本身具有很多的特点，因而在选择通信仿真设计时具有一定的优势。1.3.1 SystemVue 的特点选择SystemVue 这一软件有以下优点：第一，对WSN 数字基带传输系统的仿真我们可以使用很多仿真软件，比如FPGA，Matlab 等等。但是我们选择SystemVue 这一专业的通信软件，是因为，该软件无需进行复杂而又大量的编程实现，只需要正确选择器件并进行适当的参数设置即可。第二，由于该软件能够简单的实现对所研究内容的仿真，它具有很重要的实用价值。通过SystemVue

19、 软件我们能够比较明了直观的对其实现原理进行说明，把一复杂问题简单化，便于我们在教学中使用，使同学们对这一原理易于理解并有比较清晰的认识。第三，当利用该软件仿真完此系统并调试通过之后，可以用SystemVue 的模块快速高效的进行SOPC 的设计，因为SystemVue 软件可以直接将相应的模块生成程序。SystemVue 基于Windows 环境下运行，以模块化和交互式的界面，用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块（Token）去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，即可完成各种系统的设计与仿真。使用SystemVue 你只需要关心项目的设计思想和过程，而不必花费大量的时间去编程建

20、立系统仿真模型。1.3.1 SystemVue 概述现代通信技术的高速发展使通信系统和通信技术日趋复杂，为寻求一种在一定条件下具有最佳性能的通信系统，对通信进行软件仿真已成为必不可少的一部分。目前，电子设计自动化（EDA）技术已经成为电子设计的潮流。美国Elanix 公司推出一种相当优秀的EDA 仿真软件，SystemVue 仿真软件。SystemVue 是一个动态的系统仿真软件，能够提供丰富的图符库资源，强大的分析功能和可规化开放的体系结构，主要用于电路与通信系统的设计、仿真，能满足复杂通信系统不同层次的设计与仿真的要求。SystemVue 提供了十分丰富库资源，包括基本库（Main Lib

21、rary）和专业库（Optional Library）两大类，基本库中包括多种信号源、接收器、加法器、乘法器、各种函数运算器等；专业库有通讯（Communication）、逻辑（Logic）、数字信号处理（DSP）、射频/模拟（RF/Analog）等，它们特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证。由此可见，正是由于SystemVue 具有如此强大的优势，将其作为通信原理的模拟仿真软件是非常合适的。SystemVue 带有DVB 专业库，包括一整套在进行DVB 系统设计和仿真时可能用到的辅助工具。利用它，可以很方便的完成对基于欧洲电信标准下的各种DVB 系统的仿真。它提供了一整套完整的模块，

22、可以分别对系统中各个层次上信号的产生及解调进行仿真。另外也提供了可以代表整个调制器或解调器的单个模块。通过对调制方式、调制模式参数、帧结构类型等各项参数迸行灵活合理的设置，就可以对各种模式的DVB 系统进行仿真和分析10。利用SystemVue 可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种速率的系统，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从SystemVue 配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标之间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。在进行结果分析时，SystemVue 还提供了一个真实而灵活的

23、窗口用以检查、分析系统波形。在窗口内，可以通过鼠标方便地控制内部数据的图形放大、缩小、滚动等。另外，分析窗中还带有一个功能强大的“接收计算器”，可以完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析和滤波。在运行SystemVue 仿真系统前，必须首先设置一系列重要参数，尤其是采样点数和采样速率的设置。采样速率过高会增加仿真的时间，过低又可能得不到正确仿真结果。一般为了获得较好的仿真波形，系统的采样率应设置为系统信号最高频率的5至7倍。当采样率为系统信号最高频率的10倍以上时，仿真波形就几乎没有失真了。一般起始时间为0，单位是秒，而终止时间要大于起始时间11。1.4 论文的主要工作及内容安排该论文的主要工作

24、包括：（1）课题研究的背景调研；（2）阐述WSN 的基本概念及参数，以及WSN 的数字基带传输系统的工作原理，重点是调制解调的工作原理；（3）根据要求提出以SystemVue 为开发平台，基于WSN 的数字基带传输系统的方案，利用SystemVue 中丰富的库文件来对系统进行模拟仿真；（4）在SystemVue 这一专业性软件中对仿真的WSN 的数字基带传输系统的性能进行简要的分析；本文的主要内容安排如下：第1章：绪论。主要讲述WSN 的应用背景，研究意义及其国内外的研究现状，以及本文的主要内容和设计目标，最后简要介绍SystemVue 这一开发平台的特点。第2章：简要介绍WSN 的基本概念，

25、理论。重点介绍了IEEE 802.15.4 协议及以IEEE 802.15.4 为基础的WSN 的数字基带传输系统的基本参数要求。第3章：阐述WSN 的数字基带传输系统的工作原理，重点介绍OQPSK 调制解调原理。以及对数字基带传输系统主要部分的设计方案。第4章：以SystemVue 为开发平台，对基于WSN 的数字基带传输系统进行模拟仿真实验。第5章：对仿真系统性能进行简要的分析。第6章：对全文进行总结。第2章 WSN 数字基带传输系统概述本章简要介绍无线传感器网络的基本概念和理论，主要介绍无线传感器网络中的IEEE 802.15.4 这一协议中的物理层，及其相关的重要参数等基本要求。由第一

26、章我们了解到对WSN 中的数字基带传输系统部分的研究具有重要的意义，那么首先我们了解无线传感器网络的一些内容。2.1 无线传感器网络当今时代是信息大爆炸的时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信起着支撑作用。由于现代人们对快捷通信的需求越来越高，世界各国都在致力于现代通信技术的开发以及现代综合通信网的建设。无线通信是现代通信技术中不可缺少的部分，它以应用灵活、建网成本低、建设周期短等特点逐渐成为未来社会的主要通信手段。未来无线通信的目标是，能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务12。2.1.1 无线传感器网络的基本结构无线传感器网络是计算，通信和传感器三项技术相结合的产物。无线传感器网络系统通常包括传感器节点（sensor node）、汇聚节点（sink node）和管理节点如图2-1。参考文献1 刘洋，贾魏，王晓曼无线传感器网络J石家庄铁路职业技术学院学报，2009，8 （4）：50-532 余向阳无线传感器网络研究综述J单片机与嵌入式系统应用，2008，（8）：9-113 马祖长，孙怡宁，梅涛无线传感器网络综述J通信学报，2004，25 （4）：114-1224 金东方，李绍文，王昆IEEE 802.15.4 无线传感器网络仿真与性能评估J计算机与现代化，2010，（4）：118-121