嵌入式無(wú)線(xiàn)應用的可靠性和功率效率優(yōu)化設計

由于 2.4GHz 技術(shù)在全球范圍內均可免授權使用、數據傳輸速率更快，且相對于不足 1GHz 的技術(shù)而言還有許多其他內在的優(yōu)勢，目前得到了上述諸多無(wú)線(xiàn)系統的普遍青睞。但這種技術(shù)的缺點(diǎn)在于，這些系統不僅要相互之間、而且也要和 Wi-Fi、無(wú)繩電話(huà)和藍牙等各種正在流行的2.4GHz系統爭搶頻道，各種 2.4GHz 無(wú)線(xiàn)系統之間不可避免地會(huì )發(fā)生相互干擾，增加通信故障的幾率。因此，射頻工程師只構建可以無(wú)線(xiàn)收發(fā)數據的無(wú)線(xiàn)電設備和協(xié)議棧而不考慮抗干擾機制顯然已遠遠不夠。設計人員必須采用智能技術(shù)，確保嵌入式無(wú)線(xiàn)系統在日益擁擠的 2.4GHz 射頻頻譜中能夠切實(shí)可靠地工作。

　　功耗是射頻工程師面臨的另一大關(guān)鍵問(wèn)題。許多嵌入式無(wú)線(xiàn)應用都要求電池供電的產(chǎn)品能夠持續工作達數年之久，而不是僅持續幾個(gè)星期或幾個(gè)月。工程師不能僅采用超低電流消耗的射頻組件來(lái)優(yōu)化系統效率。大多數低功耗收發(fā)器在睡眠模式中的耗電量都比其在收發(fā)模式中的低 1000 倍，因此工程師必須設法減少過(guò)多的重復發(fā)送循環(huán)并盡可能延長(cháng)系統的睡眠時(shí)間。工程師可通過(guò)動(dòng)態(tài)數據速率和動(dòng)態(tài)輸出功率技術(shù)解決可靠性和功率效率問(wèn)題。

　　可靠性

　　您只需觀(guān)察設備間成功傳輸的數據包占所有數據包的比例就能判斷出無(wú)線(xiàn)鏈接的可靠性。在許多情況下，提高成功傳輸率可能只會(huì )增強用戶(hù)的使用體驗。但是，在安全和醫療設備等特定應用中，成功傳輸率是一個(gè)不容忽視的關(guān)鍵要求。

　　在典型的低功耗射頻系統中，信道以一定的數據速率發(fā)送和接收數據包。工程師常常采用頻率捷變技術(shù)來(lái)增強可靠性，讓系統在面臨當前信道噪聲過(guò)大、導致數據包丟失的情況下主動(dòng)選擇噪聲較低的信道。具有頻率捷變的系統要求收發(fā)器能夠快速切換信道，而且需要協(xié)議棧能夠告訴收發(fā)器選擇哪個(gè)信道。大多數低功耗 2.4GHz 收發(fā)器都能迅速切換信道，但并非所有的協(xié)議棧都具有內置的頻率捷變。最新型ZigBee 2007 Pro 規范和賽普拉斯專(zhuān)有的CyFi Star網(wǎng)絡(luò )協(xié)議都具有可防御干擾的頻率捷變。

　　不過(guò)，頻率捷變自身還遠不足以確保 2.4GHz 頻帶內的無(wú)憂(yōu)安全連接。在一些采用頻率捷變的實(shí)施方案中，系統僅在數據包大量丟失而引發(fā)網(wǎng)絡(luò )連接故障時(shí)才切換信道。因為只能在網(wǎng)絡(luò )連接發(fā)生故障后才會(huì )啟用新的低噪聲信道，這種性能并不理想。鑒于此，頻率捷變尚不足以預防系統故障，而僅能從故障中恢復而已?；謴凸δ軐梢匀菰S隨機數據包丟失的體育休閑類(lèi)應用可能已經(jīng)足夠了，但有些應用（如醫療設備和工業(yè)過(guò)程控制）則不能容許數據包有過(guò)多的丟失。

　　頻率捷變的另一不足之處在于其假定相關(guān)射頻頻譜中總是存在一條無(wú)噪聲的信道。在 2.4GHz 頻帶中，802.11g 路由器等設備要占用 22 MHz 的帶寬，而 802.11n 路由器則會(huì )占用多達 40 MHz 的帶寬。僅兩臺 Wi-Fi 路由器就足以占用整個(gè) 2.4GHz 頻帶了，而其他系統很難再找到未占用的低噪聲信道，因而降低了頻率捷變的有效性。

　　優(yōu)化可靠性

　　盡管頻率捷變自身還不足以提供全面的可靠性，不過(guò)我們可通過(guò)實(shí)施動(dòng)態(tài)數據速率來(lái)增強穩健性，從而確保 2.4GHz 頻帶內的無(wú)憂(yōu)安全連接。“動(dòng)態(tài)數據速率”是指系統實(shí)時(shí)自動(dòng)變換數據傳輸速率的能力。顯而易見(jiàn)，人們似乎總是傾向使用最大傳輸速率。例如，就手機而言，Apple iPhone可以在移動(dòng)環(huán)境增強型數據速率全局系統 (EDGE)、第三代 (3G) 和 Wi-Fi 協(xié)議之間無(wú)縫切換，從而為用戶(hù)提供盡可能高的數據速率。

圖1，32片順序。