如何避免2.4GHz ISM頻段下各種無線設(shè)備的干擾

隨著越來越多的公司生產(chǎn)使用 2.4GHz 頻段的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)人員必須處理來自其他信源的更多信號(hào)。管理免許可頻段的規(guī)定表明，您的設(shè)備必須考慮干擾問題。

設(shè)計(jì)人員如何使處于這種苛刻條件下的 2.4 GHz 解決方案獲得最大性能呢？產(chǎn)品往往在受控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下工作得很好，但在現(xiàn)場(chǎng)卻會(huì)由于受到其它2.4GHz解決方案的影響而使性能顯著下降。目前，2.4 GHz 頻段下存在 Wi-Fi、藍(lán)牙和 ZigBee 等不同標(biāo)準(zhǔn)，絕大多數(shù)產(chǎn)品是以標(biāo)準(zhǔn)制定者所提供的方法來實(shí)現(xiàn)，不過，通過控制協(xié)議，設(shè)計(jì)人員能通過一定的措施將其他信號(hào)源的干擾問題降至最低。

在本文中，我們將探討 2.4 GHz 無線系統(tǒng)中的各種干擾控制技術(shù)，并介紹如何運(yùn)用低級(jí)工具實(shí)現(xiàn) 2.4 GHz 設(shè)計(jì)方案中的頻率穩(wěn)定性。

Wi-Fi

跳頻擴(kuò)頻(FHSS)和直接序列擴(kuò)頻(DSSS)是兩種免許可 2.4 GHz ISM 頻段中射頻調(diào)制的方法。藍(lán)牙使用FHSS，而 WirelessUSB、802.11b/g/a(也就是常說的 Wi-Fi)和802.15.4(與上層網(wǎng)絡(luò)層相結(jié)合時(shí)稱作ZigBee)則使用 DSSS。所有這些技術(shù)都工作于全球通用的 ISM 頻段(即 2.400"2.483 GHz)(見圖 1)。

圖 1：工作在 2.4 GHz 頻段中無線系統(tǒng)的信號(hào)比較。

采用 Wi-Fi 的主要推動(dòng)因素是數(shù)據(jù)吞吐量。Wi-Fi 通常用于計(jì)算機(jī)和本地局域網(wǎng)(LAN)的連接(并通過 LAN 間接連接到因特網(wǎng)上)。目前大多數(shù)Wi-Fi設(shè)備為可每天充電的筆記本電腦或用市電供電的接入點(diǎn)，因此對(duì)供電問題并不敏感。

Wi-Fi 使用 DSSS 技術(shù)，每個(gè)通道的帶寬為 22 MHz，故允許同時(shí)采用三個(gè)均勻分布的通道而不會(huì)互相重疊。每個(gè) Wi-Fi 接入點(diǎn)使用的通道均需手動(dòng)配置；Wi-Fi客戶會(huì)搜索所有通道中的可用接入點(diǎn)。

802.11 采用一種稱為巴克(Barker)碼的11位偽隨機(jī)噪聲(PN)碼來對(duì)每一原始數(shù)據(jù)速率為1及2Mbps的信息位進(jìn)行編碼。為實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，802.11b通過補(bǔ)碼鍵控技術(shù)(CCK)將 6 個(gè)信息位編碼為一個(gè) 8 碼片符號(hào)。

CCK 算法中有 64 個(gè)可以使用的符號(hào)，要求每個(gè) 802.11b 無線電設(shè)備均包括 64 個(gè)單獨(dú)的相關(guān)器(即用于將符號(hào)轉(zhuǎn)化為信息位的器件)，這雖然會(huì)增加無線電設(shè)備的復(fù)雜性與成本，但能將數(shù)據(jù)速率提高至 11 Mbps。

藍(lán)牙

藍(lán)牙技術(shù)則側(cè)重于蜂窩手機(jī)、耳機(jī)與PDA之間自適應(yīng)組網(wǎng)的互操作性。大多數(shù)藍(lán)牙設(shè)備都需要定期充電。

藍(lán)牙采用 FHSS 并將 2.4GHz ISM 頻段劃分成 79 個(gè) 1MHz 的通道。藍(lán)牙設(shè)備以偽隨機(jī)碼方式在這 79 個(gè)通道間每秒鐘跳 1,600 次。所連接藍(lán)牙設(shè)備被分組到稱為微網(wǎng)(piconet)的網(wǎng)絡(luò)中；每個(gè)微網(wǎng)均包括一個(gè)主設(shè)備和多達(dá) 7 個(gè)有效從設(shè)備。每個(gè)微網(wǎng)的通道跳頻順序源于主設(shè)備的時(shí)鐘，所有從設(shè)備都必須保持與此時(shí)鐘同步。

通過將數(shù)據(jù)包報(bào)頭中的每個(gè)位發(fā)送三次，可對(duì)所有數(shù)據(jù)包報(bào)頭執(zhí)行前向糾錯(cuò)(FEC)。亦可將漢明(Hamming)碼用于某類數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)有效載荷的前向糾錯(cuò)。漢明碼雖會(huì)對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)包帶來 50% 的額外開銷，但能糾正每個(gè) 15 位碼字(每個(gè) 15 位碼字包含 10 個(gè)信息位)中所有一位錯(cuò)誤并檢測(cè)兩位錯(cuò)誤。

表1

WirelessUSB

WirelessUSB設(shè)計(jì)旨在取代計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備(鼠標(biāo)、鍵盤等)的有線連接，且其目標(biāo)還瞄準(zhǔn)無線傳感器市場(chǎng)。WirelessUSB設(shè)備無需定期充電，用堿性電池能工作數(shù)月。

WirelessUSB采用無線電信號(hào)技術(shù)，類似于藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，，但其采用 DSSS 而不是 FHSS 技術(shù)進(jìn)行調(diào)制。每個(gè) WirelessUSB 通道寬度1 MHz，允許 WirelessUSB 像藍(lán)牙那樣將 2.4 GHz ISM頻段分為 79 個(gè) 1 MHz 通道。

WirelessUSB 設(shè)備具有頻率捷變性，換言之，它們雖然采用“固定”通道，但在最初通道的鏈接質(zhì)量不佳時(shí)又能動(dòng)態(tài)改變通道。

WirelessUSB使用偽隨機(jī)噪聲(PN)碼對(duì)每個(gè)信息位進(jìn)行編碼。大多數(shù) WirelessUSB 系統(tǒng)均使用兩個(gè)32碼片PN碼，以便在每個(gè) 32 碼片符號(hào)中可編碼兩個(gè)信息位。這種方案可糾正多達(dá) 3 個(gè)碼片錯(cuò)誤(每符號(hào))，并能檢測(cè)到多達(dá) 10 個(gè)碼片錯(cuò)誤(每符號(hào))。盡管使用 32 碼片(有時(shí)甚至是 64 碼片)PN碼會(huì)將 WirelessUSB 的數(shù)據(jù)速率限制在 62.5 kbps 上，但其數(shù)據(jù)完整性則遠(yuǎn)高于藍(lán)牙，尤其在噪聲環(huán)境下更是如此。

ZigBee

ZigBee設(shè)計(jì)旨在作為傳感和控制網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案，大多數(shù) ZigBee 設(shè)備都對(duì)用電非常敏感(如自動(dòng)調(diào)溫器、安全感應(yīng)器等)，其電池壽命可以年來計(jì)算。

ZigBee可采用 868MHz 頻段(歐洲)、915MHz 頻段(北美)及 2.4GHz ISM 頻段(全球)中的 DSSS 無線電信號(hào)。在 2.4GHz ISM 頻段中定義了 16 個(gè)通道，每通道寬 3MHz，通道中心間隔為 5MHz，使相鄰信道間留有 2MHz 的頻率間隔。

ZigBee 使用 11 碼片 PN 碼，每 4個(gè)信號(hào)位編碼為一個(gè)符號(hào)，最大數(shù)據(jù)速率為 128 Kbps。物理層和 MAC 層由 IEEE 802.15.4 工作組定義，與IEEE 802.11b 標(biāo)準(zhǔn)共享相同的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

2.4 GHz 無繩電話

2.4 GHz 無繩電話在北美日益流行，其不使用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。有的無繩電話使用DSSS，但大多數(shù)使用 FHSS。使用 DSSS 和其他固定通道算法的無繩電話通常在電話上有一個(gè)“通道”按鈕，使用戶能手動(dòng)改變通道。而使用 FHSS 的電話則沒有“通道”按鈕，因?yàn)檫@種電話經(jīng)常會(huì)改變通道。大多數(shù) 2.4 GHz 無繩電話都使用帶寬為5～10 MHz的通道。