2.4GHz頻段上的新一代點(diǎn)對點(diǎn)無(wú)線(xiàn)技術(shù)

替代電纜的解決方案

　　在設備之間實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信是許多消費產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員由來(lái)已久的夢(mèng)想然而長(cháng)期以來(lái)無(wú)線(xiàn)電頻譜資源一直是各國政府的管制對象對其使用有著(zhù)種種限制目的是防止來(lái)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(wú)線(xiàn)電頻譜是為廣播電視軍事應急服務(wù)以及近期迅速普及的移動(dòng)電話(huà)之用而保留的

　　正是因為認識到了短距離低帶寬數據通信在許多工業(yè)科學(xué)和醫學(xué)ISM應用中所具有的價(jià)值一直以來(lái)各國政府都把少量的RF頻譜留待無(wú)需申領(lǐng)許可的應用之用在這些頻譜內產(chǎn)品的最終用戶(hù)不必向其政府或某一管理機構申請特殊的許可便能使用各種設備隨著(zhù)20世紀末消費類(lèi)電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展消費型應用也開(kāi)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或可以傳輸的數據類(lèi)型等方面各國政府之間幾乎沒(méi)有相互協(xié)調的傳統這就造成了世界范圍內相關(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(lái)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(lái)闡明將非聯(lián)網(wǎng)2.4GHz協(xié)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派用于ISM和消費型應用其中27MHz和433MHz附近的頻段最為常用這些頻段雖然可在某些應用中使用但也有不少缺點(diǎn)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(wú)需申請頻譜使用許可的應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(chǎng)合對發(fā)射機的最大占空因數有所限制而另外一些場(chǎng)合則沒(méi)有在許多情況下某些類(lèi)型的數據是不允許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(lái)傳輸音頻數據

　　盡管相關(guān)的管制條例在世界范圍內存在著(zhù)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(lái)為其客戶(hù)提供超值功能的方法433MHz頻段最為常見(jiàn)的應用是車(chē)庫門(mén)開(kāi)啟裝置和車(chē)用無(wú)鑰匙型進(jìn)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(diǎn)從而使其為低吞吐量應用所青睞尤其是當某個(gè)產(chǎn)品專(zhuān)為某一地理區位市場(chǎng)而開(kāi)發(fā)時(shí)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(zhuān)用元件來(lái)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(fā)送器往往可以采用分立晶體管和無(wú)源元件來(lái)制作

　　合理的傳輸距離能夠進(jìn)行10米或者更長(cháng)距離的可靠數據傳輸而且如果把帶寬/吞吐量降低則傳輸距離還可以延長(cháng)

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

　　一個(gè)信道的可用帶寬是有限的在大多數場(chǎng)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(gè)信道均采用遠遠小于最大允許值的頻譜寬度時(shí)也無(wú)濟于事這就限制了能夠在相同的一般區域內同時(shí)工作的設備的數量

從制造商的角度來(lái)看其缺陷還不止這些

　　缺乏全球性標準意味著(zhù)同一產(chǎn)品的不同變型往往不得不針對世界范圍內的不同市場(chǎng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)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(gè)不同的RF輸出功率

　　由于幾乎沒(méi)有針對工作于該頻段的設備的系統級標準開(kāi)發(fā)人員因而往往不得不進(jìn)行自己的無(wú)線(xiàn)電設計一般來(lái)說(shuō)他們必須首先選擇調制方案和協(xié)議等隨后采用通用的標準元件來(lái)設計其無(wú)線(xiàn)電發(fā)送器和接收器而不能購置一個(gè)集成化的無(wú)線(xiàn)電IC并采用一個(gè)標準協(xié)議這使得新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程既費時(shí)費錢(qián)又充滿(mǎn)風(fēng)險

　　通常各主要世界市場(chǎng)都要求由一個(gè)不同的管理機構來(lái)對產(chǎn)品進(jìn)行測試和/或認證這也會(huì )耗費大量的時(shí)間而且代價(jià)高昂

Bluetooth藍牙技術(shù)

　　Bluetooth是一項由藍牙技術(shù)專(zhuān)業(yè)組SIG制定的用于無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(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(gè)連接成皮可網(wǎng)的設備以及多個(gè)連接成散射網(wǎng)的皮可網(wǎng)提供支持許多PDA和蜂窩電話(huà)制造商由于以下原因而在其設備中采用了藍牙技術(shù)

　　系統標準藍牙技術(shù)專(zhuān)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(lái)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(shù)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(xié)議使用許可方面的開(kāi)支藍牙解決方案的定價(jià)通常在5美元以上

　　保密性藍牙技術(shù)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(shù)已經(jīng)在那些必須與來(lái)自其他售主的設備進(jìn)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(lái)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(mǎn)意采用藍牙技術(shù)來(lái)取代電纜連接的部分主要缺點(diǎn)如下

　　巨大的協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)每種藍牙設備都包含多個(gè)協(xié)議層即便是一個(gè)簡(jiǎn)單的藍牙鼠標也至少包含4個(gè)協(xié)議層

　　功耗由于藍牙技術(shù)以及連續的網(wǎng)絡(luò )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常常只有3個(gè)月或更短

2.4GHz非聯(lián)網(wǎng)解決方案

　　雖然433MHz系統和藍牙技術(shù)能夠滿(mǎn)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來(lái)作為電纜替代方案要么局限性過(guò)大要么成本過(guò)高而且復雜正在開(kāi)發(fā)中的新型無(wú)線(xiàn)技術(shù)基于這樣的前提即諸如鼠標鍵盤(pán)和消費電子設備等簡(jiǎn)單的點(diǎn)對點(diǎn)應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(kāi)銷(xiāo)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(diǎn)

　　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(wú)線(xiàn)電頻率管理機構進(jìn)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國家都對2.4GHz ISM頻段有著(zhù)相似的管制條例這使得采用2.4GHz技術(shù)的產(chǎn)品無(wú)需改變頻率或發(fā)射功率便可在世界范圍內銷(xiāo)售

　　系統級標準2.4GHz非聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用集成無(wú)線(xiàn)電IC和標準協(xié)議從而大幅度地縮短了將這些技術(shù)集成到器件設計中所需的開(kāi)發(fā)時(shí)間

　　帶寬2.4GHz ISM頻段的寬度超過(guò)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(méi)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(diǎn)首先便是成本非聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無(wú)需采用重型協(xié)議棧這使得它們能夠采用更小更廉價(jià)的微處理器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是功耗較輕的協(xié)議加上強健的糾錯能力有助于減少無(wú)線(xiàn)電傳送時(shí)間這直接影響到功耗并使設備具有較長(cháng)的電池使用壽命

　　這些優(yōu)點(diǎn)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(cháng)處結合在了一起旨在實(shí)現健壯輕型技術(shù)以顯著(zhù)地減少在給消費電子設備增添無(wú)線(xiàn)功能時(shí)所花費的時(shí)間和成本

WirelessUSB無(wú)網(wǎng)絡(luò )開(kāi)銷(xiāo)的2.4GHz技術(shù)

　　由賽普拉斯半導體公司開(kāi)發(fā)的WirelessUSB是非聯(lián)網(wǎng)2.4GHz技術(shù)的一個(gè)范例與藍牙技術(shù)相似WirelessUSB將2.4GHz ISM頻段劃分為78個(gè)1MHz信道但它并沒(méi)有像藍牙技術(shù)那樣采用跳頻擴頻FHSSFHSS系統希望通過(guò)在載頻之間的不斷跳躍來(lái)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(guò)而WirelessUSB只采用了一個(gè)信道和直接序列擴頻DSSS調制方案以避免干擾

　　在使用一個(gè)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(jìn)行測量以確定噪聲層如果有另一個(gè)WirelessUSB或2.4GHz設備正在使用該信道則該設備將轉移至另一個(gè)信道以實(shí)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(lèi)系統將每個(gè)數據位作為一個(gè)偽噪聲PN代碼來(lái)傳輸PN代碼的每個(gè)碼元被稱(chēng)為片chip當存在干擾或靠近工作范圍的極限值處時(shí)接收到的傳輸PN代碼往往會(huì )有一些片被損壞DSSS接收器采用數據相關(guān)器來(lái)對輸入數據流進(jìn)行解碼如果片誤差的數量低于相關(guān)器的誤差閾值則數據將被正確接收圖1給出了一個(gè)WirelessUSB 64片PN代碼實(shí)例

    圖1DSSS數據糾錯通過(guò)對每個(gè)數據字節進(jìn)行異或操作并將合成校驗和作為每個(gè)分組的最終字節來(lái)傳輸WirelessUSB系統實(shí)現了數據的無(wú)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(guò)則接收數據位不被損壞它被刪除數據損壞超過(guò)數據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(guò)對每個(gè)數據字節進(jìn)行異或操作并將合成校驗和作為每個(gè)分組的最終字節來(lái)傳輸即可采用該校驗和來(lái)對一個(gè)接收分組的每個(gè)碼位位置中的一個(gè)誤差進(jìn)行校正

　　因此即使是在那些遭受了會(huì )引發(fā)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(wú)誤差數據這使得WirelessUSB通常具有抗干擾能力并有望實(shí)現50米或更長(cháng)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(wú)法對眾多的不合格分組進(jìn)行校正在這種場(chǎng)合WirelessUSB協(xié)議能夠使發(fā)送器和接收器自動(dòng)切換至一個(gè)無(wú)干擾信道以避免干擾

　　PN代碼系統簡(jiǎn)化了多用戶(hù)的并置在該情形下多個(gè)WirelessUSB系統可使用同一個(gè)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(guò)將2.4GHz ISM頻段劃分成80個(gè)獨立的信道并允許相鄰系統進(jìn)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(shù)能夠在教室或辦公室環(huán)境中得到推廣應用

　　最后WirelessUSB協(xié)議專(zhuān)門(mén)針對低功耗器件進(jìn)行了優(yōu)化只需少量的14字節分組即可建立一個(gè)連接一旦連接完成即沒(méi)有信標分組或其他不必要的流量每個(gè)應用數據分組包含一個(gè)一字節信頭和用于糾錯的一字節校驗和該協(xié)議健全且足夠輕使得一個(gè)WirelessUSB鍵盤(pán)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(shù)的芯片訂價(jià)在2美元以下批量購買(mǎi)時(shí)

　　一個(gè)用于該設計的無(wú)線(xiàn)電部分的雙層PCB布局實(shí)例包括PCB印制線(xiàn)天線(xiàn)被作為WirelessUSB開(kāi)發(fā)套件的一部分提供給用戶(hù)它免除了進(jìn)行復雜的RF電路布局和天線(xiàn)設計的需要當采用PCB印制線(xiàn)天線(xiàn)時(shí)開(kāi)發(fā)人員不需要具備2.4GHz天線(xiàn)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(gè)四元件無(wú)源天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò )和一個(gè)廉價(jià)的13MHz50ppm晶體該設計方法使得能夠將整個(gè)RF PCB包括天線(xiàn)和IC放入一個(gè)面積僅1平方英寸左右的區域內如圖2所示

圖2WirelessUSB雙層PCB布局包括天線(xiàn)實(shí)例

結論

　　433MHz和藍牙技術(shù)雖然適合于某些應用但并非低成本無(wú)線(xiàn)設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(diǎn)于一身從而造就了采用輕型協(xié)議的集成無(wú)線(xiàn)電IC這些非聯(lián)網(wǎng)2.4GHz技術(shù)是鼠標鍵盤(pán)游戲控制器無(wú)線(xiàn)玩具和許多其他消費電子設備的理想之選