2.4GHz頻段上的新一代點對點無線技術(shù)

替代電纜的解決方案

　　在設(shè)備之間實現(xiàn)無線通信是許多消費產(chǎn)品開發(fā)人員由來已久的夢想然而長期以來無線電頻譜資源一直是各國政府的管制對象對其使用有著種種限制目的是防止來自不同信號源的RF信號相互干擾在大多數(shù)國家里大部分無線電頻譜是為廣播電視軍事應(yīng)急服務(wù)以及近期迅速普及的移動電話之用而保留的

　　正是因為認識到了短距離低帶寬數(shù)據(jù)通信在許多工業(yè)科學和醫(yī)學ISM應(yīng)用中所具有的價值一直以來各國政府都把少量的RF頻譜留待無需申領(lǐng)許可的應(yīng)用之用在這些頻譜內(nèi)產(chǎn)品的最終用戶不必向其政府或某一管理機構(gòu)申請?zhí)厥獾脑S可便能使用各種設(shè)備隨著20世紀末消費類電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展消費型應(yīng)用也開始利用這些管制條例的可用性了

　　在這些頻率的分配或者發(fā)射功率的極限值占空因數(shù)或可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型等方面各國政府之間幾乎沒有相互協(xié)調(diào)的傳統(tǒng)這就造成了世界范圍內(nèi)相關(guān)管制條例的混亂不同的管轄范圍允許以不同的方式或為了不同的目的來使用該頻譜的不同頻段本文將首先對433MHz ISM頻段Bluetooth 2.4GHz協(xié)議和新型非聯(lián)網(wǎng)2.4GHz協(xié)議做一番仔細的分析然后以WirelessUSB LS為例來闡明將非聯(lián)網(wǎng)2.4GHz協(xié)議用于取代消費電子設(shè)備的連接電纜所具備的好處

433MHz解決方案

　　有一些頻段被大多數(shù)政府指派用于ISM和消費型應(yīng)用其中27MHz和433MHz附近的頻段最為常用這些頻段雖然可在某些應(yīng)用中使用但也有不少缺點在不同的國家中433MHz和435MHz之間的RF頻譜的不同部分被分配給了無需申請頻譜使用許可的應(yīng)用有些國家將最大發(fā)射功率限制為1mW另一些國家則將其限制為10mW有些場合對發(fā)射機的最大占空因數(shù)有所限制而另外一些場合則沒有在許多情況下某些類型的數(shù)據(jù)是不允許傳輸?shù)睦鐨W洲的某些地區(qū)就限制或禁止采用這些頻率來傳輸音頻數(shù)據(jù)

　　盡管相關(guān)的管制條例在世界范圍內(nèi)存在著一定的差異但是消費電子產(chǎn)品制造商還是找到了利用該頻譜來為其客戶提供超值功能的方法433MHz頻段最為常見的應(yīng)用是車庫門開啟裝置和車用無鑰匙型進入系統(tǒng)但它也在為數(shù)眾多的其他應(yīng)用中得到了廣泛的使用

　　433MHz頻段具有許多特點從而使其為低吞吐量應(yīng)用所青睞尤其是當某個產(chǎn)品專為某一地理區(qū)位市場而開發(fā)時更是如此

　　低成本雖然發(fā)射器和接收器一般都必須采用專用元件來設(shè)計但總成本仍然適中許多制造商可提供合適的接收器IF子系統(tǒng)IC而且發(fā)送器往往可以采用分立晶體管和無源元件來制作

　　合理的傳輸距離能夠進行10米或者更長距離的可靠數(shù)據(jù)傳輸而且如果把帶寬/吞吐量降低則傳輸距離還可以延長

　　然而當電子產(chǎn)品的復雜性隨著用戶期望值的升高而增加時433MHz頻段的一些不足之處便逐漸凸顯出來

　　一個信道的可用帶寬是有限的在大多數(shù)場合中成本效益型的解決方案都將帶寬限制在10kbps或更低

　　可用頻譜較窄嚴重制約了可用信道的數(shù)量即使是在每個信道均采用遠遠小于最大允許值的頻譜寬度時也無濟于事這就限制了能夠在相同的一般區(qū)域內(nèi)同時工作的設(shè)備的數(shù)量

從制造商的角度來看其缺陷還不止這些

　　缺乏全球性標準意味著同一產(chǎn)品的不同變型往往不得不針對世界范圍內(nèi)的不同市場進行專門的制造這些變型產(chǎn)品可能采用了稍有不同的頻率或者具有一個不同的RF輸出功率

　　由于幾乎沒有針對工作于該頻段的設(shè)備的系統(tǒng)級標準開發(fā)人員因而往往不得不進行自己的無線電設(shè)計一般來說他們必須首先選擇調(diào)制方案和協(xié)議等隨后采用通用的標準元件來設(shè)計其無線電發(fā)送器和接收器而不能購置一個集成化的無線電IC并采用一個標準協(xié)議這使得新產(chǎn)品的開發(fā)過程既費時費錢又充滿風險

　　通常各主要世界市場都要求由一個不同的管理機構(gòu)來對產(chǎn)品進行測試和/或認證這也會耗費大量的時間而且代價高昂

Bluetooth藍牙技術(shù)

　　Bluetooth是一項由藍牙技術(shù)專業(yè)組SIG制定的用于無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)WPAN的新標準Bluetooth是一種采用2.4GHz ISM頻段的跳頻協(xié)議Bluetooth可對多達8個連接成皮可網(wǎng)的設(shè)備以及多個連接成散射網(wǎng)的皮可網(wǎng)提供支持許多PDA和蜂窩電話制造商由于以下原因而在其設(shè)備中采用了藍牙技術(shù)

　　系統(tǒng)標準藍牙技術(shù)專業(yè)組SIG定義了針對每一種使用模型的Bluetooth功能標準從而使得來自不同制造商的藍牙設(shè)備能夠具有互操作性

　　帶寬藍牙技術(shù)的最大數(shù)據(jù)速率為723kbps遠遠高于433MHz ISM頻段中所能提供的數(shù)據(jù)速率

　　成本昂貴由于所需的微處理器和協(xié)議使用許可方面的開支藍牙解決方案的定價通常在5美元以上

　　保密性藍牙技術(shù)具有內(nèi)置授權(quán)和鑒權(quán)算法以及一種基本的加密算法

　　雖然藍牙技術(shù)已經(jīng)在那些必須與來自其他售主的設(shè)備進行互操作的設(shè)備中逐漸普及但對于許多消費電子設(shè)備而言利用它來作為電纜的替代方案在成本和功耗指標方面還很難令人滿意采用藍牙技術(shù)來取代電纜連接的部分主要缺點如下

　　巨大的協(xié)議開銷每種藍牙設(shè)備都包含多個協(xié)議層即便是一個簡單的藍牙鼠標也至少包含4個協(xié)議層

　　功耗由于藍牙技術(shù)以及連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)流量需要使用較大的微處理器因此藍牙設(shè)備的電池使用壽命常常只有3個月或更短

2.4GHz非聯(lián)網(wǎng)解決方案

　　雖然433MHz系統(tǒng)和藍牙技術(shù)能夠滿足諸多應(yīng)用的需要但是對于大多數(shù)消費電子設(shè)備而言用它們來作為電纜替代方案要么局限性過大要么成本過高而且復雜正在開發(fā)中的新型無線技術(shù)基于這樣的前提即諸如鼠標鍵盤和消費電子設(shè)備等簡單的點對點應(yīng)用并不需要采用復雜的聯(lián)網(wǎng)協(xié)議比如那些因處理開銷和附加成本而使藍牙技術(shù)的優(yōu)勢有所喪失的協(xié)議

　　與采用433MHz ISM頻段的技術(shù)相比采用2.4GHz ISM頻段的技術(shù)具有以下優(yōu)點

　　標準的管制條例由于802.11和藍牙技術(shù)支持者的努力他們與許多國家的無線電頻率管理機構(gòu)進行了合作以謀求消除國家之間在有關(guān)管制條例方面的差異目前大多數(shù)國家都對2.4GHz ISM頻段有著相似的管制條例這使得采用2.4GHz技術(shù)的產(chǎn)品無需改變頻率或發(fā)射功率便可在世界范圍內(nèi)銷售

　　系統(tǒng)級標準2.4GHz非聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用集成無線電IC和標準協(xié)議從而大幅度地縮短了將這些技術(shù)集成到器件設(shè)計中所需的開發(fā)時間

　　帶寬2.4GHz ISM頻段的寬度超過83MHz遠遠寬于433MHz ISM頻段這使得可以有更多的設(shè)備共享這一頻段且彼此之間沒有干擾

　　與藍牙等重型聯(lián)網(wǎng)協(xié)議相比非聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還具有一些至關(guān)重要的優(yōu)點首先便是成本非聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無需采用重型協(xié)議棧這使得它們能夠采用更小更廉價的微處理器另一個優(yōu)點是功耗較輕的協(xié)議加上強健的糾錯能力有助于減少無線電傳送時間這直接影響到功耗并使設(shè)備具有較長的電池使用壽命

　　這些優(yōu)點表明2.4GHz非聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將433MHz解決方案的低成本與藍牙技術(shù)的長處結(jié)合在了一起旨在實現(xiàn)健壯輕型技術(shù)以顯著地減少在給消費電子設(shè)備增添無線功能時所花費的時間和成本

WirelessUSB無網(wǎng)絡(luò)開銷的2.4GHz技術(shù)

　　由賽普拉斯半導體公司開發(fā)的WirelessUSB是非聯(lián)網(wǎng)2.4GHz技術(shù)的一個范例與藍牙技術(shù)相似WirelessUSB將2.4GHz ISM頻段劃分為78個1MHz信道但它并沒有像藍牙技術(shù)那樣采用跳頻擴頻FHSSFHSS系統(tǒng)希望通過在載頻之間的不斷跳躍來確保傳輸數(shù)據(jù)的某些部分能夠被正確地接收即使有些信道完全阻塞在其他信道上傳送的數(shù)據(jù)仍將正常通過而WirelessUSB只采用了一個信道和直接序列擴頻DSSS調(diào)制方案以避免干擾

　　在使用一個信道之前WirelessUSB設(shè)備檢查該信道上的其他流量另外還對信號強度進行測量以確定噪聲層如果有另一個WirelessUSB或2.4GHz設(shè)備正在使用該信道則該設(shè)備將轉(zhuǎn)移至另一個信道以實現(xiàn)與這些設(shè)備的共存

　　DSSS系統(tǒng)增加了工作范圍并降低了誤碼率此類系統(tǒng)將每個數(shù)據(jù)位作為一個偽噪聲PN代碼來傳輸PN代碼的每個碼元被稱為片chip當存在干擾或靠近工作范圍的極限值處時接收到的傳輸PN代碼往往會有一些片被損壞DSSS接收器采用數(shù)據(jù)相關(guān)器來對輸入數(shù)據(jù)流進行解碼如果片誤差的數(shù)量低于相關(guān)器的誤差閾值則數(shù)據(jù)將被正確接收圖1給出了一個WirelessUSB 64片PN代碼實例

    圖1DSSS數(shù)據(jù)糾錯通過對每個數(shù)據(jù)字節(jié)進行異或操作并將合成校驗和作為每個分組的最終字節(jié)來傳輸WirelessUSB系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無誤差接收即使在高干擾級的頻率上亦不例外

　　如果相關(guān)器的誤差閾值被超過則接收數(shù)據(jù)位不被損壞它被刪除數(shù)據(jù)損壞超過數(shù)據(jù)刪除的概率可以忽略不計糾正刪除要比糾正誤差容易得多通過對每個數(shù)據(jù)字節(jié)進行異或操作并將合成校驗和作為每個分組的最終字節(jié)來傳輸即可采用該校驗和來對一個接收分組的每個碼位位置中的一個誤差進行校正

　　因此即使是在那些遭受了會引發(fā)10%以上的片誤差率的干擾的頻率上WirelessUSB系統(tǒng)也能夠成功地接收無誤差數(shù)據(jù)這使得WirelessUSB通常具有抗干擾能力并有望實現(xiàn)50米或更長的工作距離

　　由于2.4GHz ISM頻段得到了如此廣泛的應(yīng)用因此很有可能遇到干擾特別嚴重的情況即便采用了上述的強大糾錯功能也無法對眾多的不合格分組進行校正在這種場合WirelessUSB協(xié)議能夠使發(fā)送器和接收器自動切換至一個無干擾信道以避免干擾

　　PN代碼系統(tǒng)簡化了多用戶的并置在該情形下多個WirelessUSB系統(tǒng)可使用同一個信道前提是它們采用不同的PN代碼且相鄰系統(tǒng)距接收器的距離至少為其距本地系統(tǒng)中的設(shè)備的三倍通過將2.4GHz ISM頻段劃分成80個獨立的信道并允許相鄰系統(tǒng)進行信道重用可以把許多WirelessUSB系統(tǒng)布設(shè)在同一區(qū)域內(nèi)從而使該技術(shù)能夠在教室或辦公室環(huán)境中得到推廣應(yīng)用

　　最后WirelessUSB協(xié)議專門針對低功耗器件進行了優(yōu)化只需少量的14字節(jié)分組即可建立一個連接一旦連接完成即沒有信標分組或其他不必要的流量每個應(yīng)用數(shù)據(jù)分組包含一個一字節(jié)信頭和用于糾錯的一字節(jié)校驗和該協(xié)議健全且足夠輕使得一個WirelessUSB鍵盤能夠在采用三節(jié)AA電池的情況下連續(xù)工作達一年之久采用該技術(shù)的芯片訂價在2美元以下批量購買時

　　一個用于該設(shè)計的無線電部分的雙層PCB布局實例包括PCB印制線天線被作為WirelessUSB開發(fā)套件的一部分提供給用戶它免除了進行復雜的RF電路布局和天線設(shè)計的需要當采用PCB印制線天線時開發(fā)人員不需要具備2.4GHz天線設(shè)計方面的知識WirelessUSB IC僅需的外部元件是若干去耦電容器一個四元件無源天線匹配網(wǎng)絡(luò)和一個廉價的13MHz50ppm晶體該設(shè)計方法使得能夠?qū)⒄麄€RF PCB包括天線和IC放入一個面積僅1平方英寸左右的區(qū)域內(nèi)如圖2所示

圖2WirelessUSB雙層PCB布局包括天線實例

結(jié)論

　　433MHz和藍牙技術(shù)雖然適合于某些應(yīng)用但并非低成本無線設(shè)備的理想選擇新型非聯(lián)網(wǎng)2.4GHz技術(shù)集433MHz與藍牙技術(shù)兩者的優(yōu)點于一身從而造就了采用輕型協(xié)議的集成無線電IC這些非聯(lián)網(wǎng)2.4GHz技術(shù)是鼠標鍵盤游戲控制器無線玩具和許多其他消費電子設(shè)備的理想之選