2.4GHz頻段上的新一代點對點無線技術

2019-11-05 02:15:41

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供稿：網友

替代電纜的解決方案

在設備之間實現無線通信是許多消費產品開發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。在大多數國家里，大部分無線電頻譜是為廣播、電視、軍事、應急服務以及近期迅速普及的移動電話之用而保留的。

正是因為熟悉到了短距離、低帶寬數據通信在許多工業、科學和醫學（ISM）應用中所具有的價值，一直以來，各國政府都把少量的RF頻譜留待無需申領許可的應用之用。在這些頻譜內，產品的最終用戶不必向其政府或某個治理機構申請非凡的許可便能使用各種設備。隨著20世紀末消費類電子產品的飛速發展，消費型應用也開始利用這些頻譜資源了。

在這些頻率的分配或者發射功率的極限值、占空比以及可以傳輸的數據類型等方面，各國政府之間幾乎沒有相互協調的傳統。這就造成了世界范圍內相關管制條例的混亂，不同的管轄范圍答應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協議和新型非聯網2.4GHz協議做一個分析，然后以WirelessUSB LS為例來闡明將非聯網2.4GHz協議用于取代消費電子設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政府指定用于ISM和消費型應用，其中，27MHz和433MHz四周的頻段最為常用。這些頻段雖然可在某些應用中使用，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用。有些國家將最大發射功率限制為1mW，另一些國家則將其限制為10mW。有些場合對發射機的最大占空比有所限制，而另外一些場合則沒有。在許多情況下，某些類型的數據是不答應傳輸的。例如，歐洲的某些地區就限制或禁止采用這些頻率來傳輸音頻數據。

盡管相關的管制條例在世界范圍內存在一定的差異，但是消費電子產品制造商還是找到了利用該頻譜來為其客戶提供新功能的方法。433MHz頻段最為常見的應用是車庫門開啟裝置和車用無鑰匙型進入系統，但它也在為數眾多的其他應用中得到了廣泛的使用。

433MHz頻段具有許多特點，從而得到低吞吐量應用的青睞，尤其是專為某一地理區位市場而開發的產品。

低成本-雖然發射器和接收器一般都必須采用專用元器件來設計，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IC，而且發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據傳輸，而且，假如把帶寬/吞吐量降低，則傳輸距離還可以延長。

然而，當電子產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量，即使是在每個信道均采用遠遠小于最大答應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域內同時工作的設備的數量。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品的不同變型往往不得不針對世界范圍內的不同市場進行專門的制造。這些變型產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備的"系統級"標準，開發人員因而往往不得不進行自己的無線電設計。一般來說，他們必須首先選擇調制方案和協議等-隨后采用通用的標準元器件來設計其無線電發送器和接收器，而不能購置一個集成化的無線電IC并采用一個標準協議。這使得新產品的開發過程既費時、費錢，又布滿風險。

●通常各主要世界市場都要求由一個不同的治理機構來對產品進行測試或認證。這也會耗費大量的時間，而且代價高昂。

Bluetooth（藍牙）技術

Bluetooth是一項由藍牙專業組（SIG）制定的用于無線個人區域網絡（WPAN）的新標準。Bluetooth是一種采用2.4GHz ISM頻段的跳頻協議。Bluetooth可對多達8個連接成微微網(Piconet)的設備以及多個連接成分散網絡的微微網提供支持。許多PDA和蜂窩電話制造商由于以下原因而在其設備中采用了藍牙技術：

●系統標準-藍牙專業組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備能夠具有互操作性。

●帶寬-藍牙技術的最大數據速率為723kbps--遠遠高于433MHz ISM頻段中所能提供的數據速率。

●成本昂貴-由于所需的微處理器和協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-藍牙技術具有內置授權和鑒權算法以及一種基本的加密算法。雖然藍牙技術已經在那些必須與來自其他供給商的設備進行互操作的設備中逐漸普及，但對于許多消費電子設備而言，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足。采用藍牙技術來取代電纜連接的部分主要缺點如下：

●巨大的協議開銷-每種藍牙設備都包含多個協議層。即便是一個簡單的藍牙鼠標也至少包含4個協議層。

●功耗-由于藍牙技術以及連續的網絡流量需要使用較大的微處理器，因此藍牙設備的電池使用壽命經常只有3個月（或更短）。

2.4GHz非聯網解決方案

雖然433MHz系統和藍牙技術能夠滿足諸多應用的需要，但是，對于大多數消費電子設備而言，用它們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。正在開發中的新型無線技術基于這樣的前提：即諸如鼠標、鍵盤和消費電子設備等簡單的點對點應用并不需要采用復雜的聯網協議。

與采用433MHz ISM頻段的技術相比，采用2.4GHz ISM頻段的技術具有以下優點：

●標準的管制條例-由于802.11和藍牙技術支持者的努力（他們與許多國家的無線電頻率治理機構進行了合作，以謀求消除國家之間在有關管制條例方面的差異），目前大多數國家都對2.4GHz ISM頻段有著相似的管制條例。這使得采用2.4GHz技術的產品無需改變頻率或發射功率便可在世界范圍內銷售。

●系統級標準-2.4GHz非聯網技術采用集成無線電IC和標準協議，從而大幅度地縮短了將這些技術集成到器件設計中所需的開發時間。

●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備共享這一頻段且彼此之間沒有干擾。

與藍牙等重型聯網協議相比，非聯網技術還具有一些至關重要的優點。首先便是成本。非聯網技術無需采用大量的協議棧，這使得它們能夠采用更小、更廉價的微處理器。另一個優點是功耗。較輕的協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備具有較長的電池使用壽命。

這些優點表明：2.4GHz非聯網技術將433MHz解決方案的低成本與藍牙技術的優點結合在了一起，旨在實現健壯、輕型技術，以顯著地減少在給消費電子設備增添無線功能時所花費的時間和成本。

WirelessUSB：無網絡開銷的2.4GHz技術

由賽普拉斯半導體公司開發的WirelessUSB是非聯網2.4GHz技術的一個范例。與藍牙技術相似，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那樣采用跳頻擴頻（FHSS）。FHSS系統希望通過在載頻之間的不斷跳躍來確保傳輸數據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據仍將正常通過。而WirelessUSB只采用了一個信道和直接序列擴頻（DSSS）調制方案以避免干擾。

在使用一個信道之前，WirelessUSB設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。假如有另一個WirelessUSB或2.4GHz設備正在使用該信道，則該設備將轉移至另一個信道以實現與這些設備的共存。

DSSS系統增加了工作范圍并降低了誤碼率。此類系統將每個數據位作為一個偽噪聲（PN）代碼來傳輸；PN代碼的每個碼元被稱為"片"（ch
假如相關器的誤差閾值被超過，則接收數據位不被損壞；它?quot;刪除"。數據損壞超過數據刪除的概率可以忽略不計。糾正"刪除"要比糾正"誤差"輕易得多。通過對每個數據字節進行"異或"操作，并將合成校驗和作為每個分組的最終字節來傳輸，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10%以上的"片"誤差率的干擾的頻率上，WirelessUSB系統也能夠成功地接收無誤差數據。這使得WirelessUSB通常具有抗干擾能力并有望實現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用，因此很有可能碰到干擾非凡嚴重的情況，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協議能夠使發送器和接收器自動切換至一個無干擾信道以避免干擾。

PN代碼系統簡化了多用戶的并置。在該情形下，多個WirelessUSB系統可使用同一個信道，前提是它們采用不同的PN代碼且相鄰系統距接收器的距離至少為其距本地系統中的設備的三倍。通過將2.4GHz ISM頻段劃分成80個獨立的信道并答應相鄰系統進行信道重用，可以把許多WirelessUSB系統布設在同一區域內，從而使該技術能夠在教室或辦公室環境中得到推廣應用。

最后，WirelessUSB協議專門針對低功耗器件進行了優化。只需少量的1～4字節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。每個應用數據分組包含一個一字節信頭和用于糾錯的一字節校驗和。該協議健全且足夠輕，使得一個WirelessUSB鍵盤能夠在采用三節AA電池的情況下連續工作達一年之久。采用該技術的芯片訂價在2美元以下。一個用于該設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電路布局和天線設計的需要。當采用PCB印制線天線時，開發人員不需要具備2.4GHz天線設計方面的知識。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絡和一個廉價的13MHz、50ppm晶體。該設計方法使得能夠將整個RF PCB（包括天線和IC）放入一個面積僅1平方英寸左右的區域內。

結論

433MHz和藍牙技術雖然適合于某些應用，但并非低成本無線設備的理想選擇。新型非聯網2.4GHz技術集433MHz與藍牙技術兩者的優點于一身，從而造就了采用少量協議的集成無線電IC。這些非聯網2.4GHz技術是鼠標、鍵盤、游戲控制器、無線玩具和許多其他消費電子設備的理想之選。

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