避免2.4GHz ISM頻段各種類型無線設備干擾的技術
文章出處：http://www.sgrivertours.com 作者：電子工程專輯 人氣： 發(fā)表時間：2011年10月26日
隨著越來越多的公司生產使用2.4GHz ISM頻段的產品，設計人員必須處理來自其他來源的更多信號。管理免許可頻段的規(guī)章表明，您的設備必須考慮干擾問題。 本文正是根據(jù)當前2.4GHz頻段的使用狀況，向讀者介紹了幾種提高設備抗干擾性的方法。
設計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？產品往往在受控的實驗室環(huán)境下工作得很好，但在現(xiàn)場卻會由于受到其它2.4GHz解決方案的影響而使性能顯著下降。以現(xiàn)有的標準，如Wi-Fi、藍牙及ZigBee等，絕大多數(shù)產品是以標準制定者所提供的方法來實現(xiàn)。但如果設計人員控制協(xié)議時，則存在一些可將外來干擾減至最小的方法和步驟。
2.4GHz聯(lián)網(wǎng)技術原理分析
1．Wi-Fi系統(tǒng)
跳頻擴頻(FHSS)與直接序列擴頻(DSSS)是兩種用于免許可2.4GHz ISM頻段中射頻調制的方法。藍牙采用FHSS，而無線USB 802.11b/g/a(常稱為Wi-Fi)及802.15.4(當與頂部聯(lián)網(wǎng)層結合時稱為ZigBee)則采用DSSS。所有這些技術都工作于全球通用的ISM頻段(即2.400-2.483 GHz)。
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圖1：工作于2.4GHz IFM頻段無線系統(tǒng)的信號比較。 |
Wi-Fi采用DSSS，其每信道帶寬為22MHz，故允許同時采用三個分布式信道而不會互相重疊。每個Wi-Fi接入點所使用的信道均需人工配置，Wi-Fi客戶會搜索可用接入點的所有信道。
802.11采用一種稱為巴克碼的11位偽隨機噪聲(PN)編碼來對每一原始數(shù)據(jù)速率為1及2Mbps的信息位進行編碼。為達到更高的數(shù)據(jù)速率，802.11b利用補碼鍵控(CCK)將6個信息位編碼為8碼片符號。
這種CCK算法可使用64個符號，要求每一個802.11b無線電均含有64個單獨的相關器(即用于將符號轉換為信息位的器件)，這雖然會增加無線電的成本與復雜性，但可將數(shù)據(jù)速率提高至11Mbps。
2．藍牙系統(tǒng)
藍牙技術則側重于蜂窩手機、無繩電話與PDA之間的互操作性。大多數(shù)藍牙設備均可定期充電。
藍牙采用FHSS并將2.4GHz ISM頻段劃分成79個1MHz的信道。藍牙設備以偽隨機碼方式在這79個信道間每秒鐘跳1,600次。所連接藍牙設備被分組到稱為微網(wǎng)的網(wǎng)絡中：每一個微網(wǎng)均包含一個主設備及七個從設備。每個微網(wǎng)的信道跳頻序列源于主設備的時鐘。所有從設備均必須保持與此時鐘同步。
通過將數(shù)據(jù)包頭中的每一位發(fā)送三次，可對所有數(shù)據(jù)包頭執(zhí)行前向糾錯(FEC)。亦可將漢明碼用于某類數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)載荷的前向糾錯。漢明碼雖會對每一個數(shù)據(jù)包帶來50%的開銷，但能糾正所有單個15位碼字(每個15位碼字包含10位信息)中所有一位錯誤并檢測兩位錯誤。
3．無線USB
無線USB被設計成計算機輸入設備(鼠標、鍵盤等)連接電纜的封殺者，且其目標還瞄準無線傳感器市場。無線USB設備無需定期充電，被設計成可使用堿性電池工作數(shù)月。
無線USB采用類似于藍牙的無線電信號，但是采用了DSSS而不是FHSS。每一個無線USB信道寬1MHz，故允許無線USB像藍牙那樣將2.4GHz ISM頻段分割成為79個1MHz信道。無線USB設備具有頻率捷變特性，換言之，它們雖采用“固定”信道，但如果最初信道的鏈路質量變得不理想，則會動態(tài)地改變信道。
無線USB采用偽隨機噪聲(PN)碼來編碼每一個信息位。大多數(shù)無線USB系統(tǒng)都使用32碼片PN編碼，以便在每一個32碼片符號中編碼兩位信息位。這種方案可糾正3個碼片錯誤(每符號)，并能檢測10個碼片錯誤(每符號)。盡管采用32碼片(有時甚至是64碼片)PN編碼會將無線USB的數(shù)據(jù)速率限制在62.5kbps上，但其數(shù)據(jù)完整性則要遠高于藍牙，尤其在噪聲環(huán)境下。
4．ZigBee系統(tǒng)
ZigBee被設計成為一種用于傳感器及控制網(wǎng)絡的標準化解決方案。大多數(shù)ZigBee設備都對功率非常敏感(溫度調節(jié)器、安全傳感器等)，其電池壽命可以年來計算。
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。在2.4GHz ISM頻段中定義了16個信道，每一信道寬3MHz，信道中心間隔為5MHz，使相鄰信道間留有2MHz的頻率間隔。
ZigBee采用32碼片PN碼，將4個信息位編碼到每一個符號中，使其具有250Kbps的最高數(shù)據(jù)速率。其物理及MAC層由IEEE 802.15.4工作組定義，并擁有許多與IEEE 802.11b標準一樣的設計特征。
5．2.4GHz無繩電話
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圖2：無線USB設計的頻率捷變示意圖。 |
避免沖突的技術
除了解每一項技術的工作原理外，了解上述技術在同構及異構環(huán)境下的相互作用也很重要。
Wi-Fi免沖突法在發(fā)射前偵聽“安靜”的信道，這使得多個Wi-Fi客戶能有效地與單個Wi-Fi接入點通信。如果Wi-Fi信道噪聲很大，則Wi-Fi設備在又一次傾聽信道前會進行隨機退避。如果信道仍有噪聲，則會重復此過程直至信道安靜為止。一旦信道變得安靜，Wi-Fi設備即會開始發(fā)射。如果信道永遠嘈雜，則Wi-Fi設備會搜索另條信道上的其他可用接入點。
由于有免沖突算法，故采用相同或重疊信道的Wi-Fi網(wǎng)絡可共處，但每一網(wǎng)絡的吞吐量會有所下降。如果在同一地域使用多個網(wǎng)絡，則最好能使用非重疊信號，如信道1、6及11等。這能提高每個網(wǎng)絡的吞吐量，因為無需與其他網(wǎng)絡共用帶寬。
由于藍牙發(fā)送的跳頻特性，故來自藍牙的干擾很小。如果藍牙設備在一個與Wi-Fi信道重疊的頻率上發(fā)送，而Wi-Fi設備此時正在進行“發(fā)送前偵聽”，則Wi-Fi設備會執(zhí)行隨機退避，在這期間，藍牙設備會跳轉到一個非重疊的信道，以允許Wi-Fi設備可開始發(fā)送。
即使無繩電話采用FHSS而不是DSSS，2.4GHz無繩電話發(fā)出的干擾也可完全中斷一個Wi-Fi網(wǎng)絡的工作。這部分是因為與藍牙(1MHz)相比它占用更寬的信道(5-10MHz)，以及無繩電話信號具有更高的功率。跳轉到Wi-Fi信道中間的FHSS無繩電話可能會破壞Wi-Fi發(fā)送，從而導致Wi-Fi設備需要重復發(fā)送。2.4GHz FHSS無繩電話很可能會干擾鄰近的所有Wi-Fi設備。故建議在Wi-Fi網(wǎng)絡以外使用這些電話。如果無繩電話采用DSSS，則可將無繩電話與Wi-Fi接入點所使用的信道配置成互不重疊，以消除干擾。
處理藍牙的干擾
在藍牙中，來自其他藍牙微網(wǎng)的干擾很小，因為每個微網(wǎng)都使用它自己的偽隨機跳頻方案。如果兩個共處微網(wǎng)被激活，則發(fā)生沖突的概率為1/79。沖突的概率隨共處有效微網(wǎng)的數(shù)量線性增加。
藍牙最初依賴其跳頻算法來處理干擾，但人們意識到單個有效Wi-Fi網(wǎng)可對25%的藍牙信道造成嚴重的干擾。由于信道重迭而引起的數(shù)據(jù)包丟失必須在安靜的信道上重傳，因此會大大降低藍牙設備的吞吐量。
1.2版藍牙規(guī)范通過定義一種自適應跳頻(AFH)算法來解決此問題。該算法允許藍牙設備將信道分別標記為好、壞及未知，然后再通過一個查找表來用好信道替換跳頻模式中的壞信道。藍牙主設備可通過定期偵聽壞信道來確定干擾是否消失。如果干擾消失，則將信道標記為好信道并將其從查找表中刪除。當藍牙主設備查詢從設備時，后者也可向主設備發(fā)送一個報告來向主設備通告其對信道質量的評價。例如，從設備可能可以偵聽到一個Wi-Fi網(wǎng)絡，而主設備卻不能。聯(lián)邦通信委員會(FCC)要求至少使用15個不同的信道。
AFH算法使藍牙設備能避免使用被Wi-Fi網(wǎng)絡及無線USB等DSSS系統(tǒng)所占用的信道。2.4GHz FHSS無繩電話仍可能干擾藍牙設備，因為這兩種系統(tǒng)均在整個2.4GHz ISM頻段上以跳頻方式工作。但由于藍牙信號只有1MHz寬，故FHSS無繩電話與藍牙信號之間的頻率沖突遠小于Wi-Fi與FHSS無繩電話之間的頻率沖突。
藍牙還具有三種不同的數(shù)據(jù)包長度，在給定信道上表現(xiàn)為具有不同的駐留時間。藍牙還具有一個通過減小數(shù)據(jù)包長度以提高數(shù)據(jù)吞吐量可靠性的選項。在這種情況下，最好是使較小數(shù)據(jù)包以較低的速率通過，這比以正常速率會丟失較大的數(shù)據(jù)包更為可取。
解決無線USB、ZigBee的干擾
在無線USB中，每個網(wǎng)絡在選擇信道前均檢查其他無線USB網(wǎng)絡，故可減少來自其他無線USB網(wǎng)絡的干擾。無線USB至少每50毫秒檢查一次信道的噪聲水平。Wi-Fi設備的干擾會引起連續(xù)的高噪聲數(shù)據(jù)讀取，從而迫使無線USB主設備選擇一個新信道。無線USB可與多個Wi-Fi網(wǎng)絡和平共處，因為無線USB能找到Wi-Fi網(wǎng)絡中的安靜信道(見圖2)。
藍牙的干擾可能會引起無線USB數(shù)據(jù)包的重傳。由于藍牙的跳頻天性，無線USB數(shù)據(jù)包的重傳不會與下一次藍牙傳輸發(fā)生沖突，因為藍牙設備會跳到另一個信道上。藍牙網(wǎng)絡不會造成足夠連續(xù)高的噪聲電平來迫使無線USB主設備改變信道。
ZigBee規(guī)定了一種類似802.11b的免沖突算法；每個設備在發(fā)送數(shù)據(jù)之前偵聽信道，以減小ZigBee設備之間的頻率沖突。在嚴重干擾期間，ZigBee不改變信道；相反，它依靠其低占空比及免沖突算法來減小由于傳輸沖突所造成的數(shù)據(jù)丟失。如果ZigBee使用的信道與一個頻繁使用的Wi-Fi信道相重疊，則現(xiàn)場實驗表明，有多達20%的ZigBee數(shù)據(jù)包會由于包沖突而重傳。
補充措施
在開發(fā)藍牙、Wi-Fi或ZigBee時，設計者可使用規(guī)范中所提供的方法。而當開發(fā)一種基于802.15.4、無線USB和其他2.4GHz無線電的專用系統(tǒng)時，設計者無需使用高級工具即可獲得頻率捷變性。
由于存在與其他DSSS系統(tǒng)相重疊的風險，故DSSS系統(tǒng)最可能發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。但DSSS系統(tǒng)可采用一些補救措施來獲得FHSS系統(tǒng)的頻率捷變，其中一種方法便是網(wǎng)絡監(jiān)視。如果DSSS系統(tǒng)使用輪詢協(xié)議(其中所期望數(shù)據(jù)包以規(guī)定間隔出現(xiàn))，則在一定數(shù)量的發(fā)送嘗試失敗或接收到錯誤數(shù)據(jù)包以后，主設備可切換信道。
另一種方法是讀取空中傳輸信號的功率電平(如果無線電設備具有這種能力)?？墒褂媒邮招诺缽姸戎笜?RSSI)來預先測量空中傳輸信道的功率，如果功率電平在一段時間內過高，則會切換到另一個更潔凈的信道上。之所以考慮這一段時間是為了在FHSS系統(tǒng)通過的情況下不改變信道。
網(wǎng)絡監(jiān)視與RSSI讀數(shù)方法假設了無線電均為可發(fā)送及接收數(shù)據(jù)包的收發(fā)器。在一個一端是收發(fā)器而另一端是接收器的DSSS系統(tǒng)中，可采用多發(fā)送的方法來獲得頻率捷變性。發(fā)送器使用多個頻率來發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包，接收器則以非常低的速率在接收信道間循環(huán)接收。當接收器連接到電源上以及當電池供電發(fā)送器使用不頻繁時，這種系統(tǒng)是可行的。無線遙控可采用此種方法。
作者：Ryan Winfield Wooding
系統(tǒng)工程師
Email: rww@cypress.com
Mark Gerrior
首席軟件工程師
Email: mgt@cypress.com
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