嵌入式無線系統(tǒng)應(yīng)用中可靠性和功耗的關(guān)系及優(yōu)化方法

嵌入式無線技術(shù)是嵌入式進(jìn)程或系統(tǒng)與無線通信接口的組合。方興未艾的嵌入式無線系統(tǒng)，正催生出各種新型工業(yè)、商業(yè)和住宅建筑自動(dòng)化應(yīng)用，并且還為消費(fèi)、醫(yī)療和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)帶來了諸多具有新功能和特性豐富的產(chǎn)品。低功耗或者功率是所有這些低數(shù)據(jù)率應(yīng)用的一個(gè)非常重要的需求，甚至是大多數(shù)情況下的一個(gè)主要需求。但是，衡量嵌入式無線應(yīng)用的功耗并非如將各部分功耗簡單相加即可，盡管通常情況下，這是對(duì)給定應(yīng)用選擇組件的典型方法。這種以可量化的標(biāo)準(zhǔn)來比較的基本方法，無法充分反映各組件在系統(tǒng)中的真實(shí)關(guān)系和工作狀態(tài)。因此，必須專注于無線系統(tǒng)的功耗，了解給定無線解決方案在節(jié)能方面的表現(xiàn)。

　　提高可靠性有助于降低無線系統(tǒng)的功耗，但這個(gè)系統(tǒng)屬性通常會(huì)被忽視。在這里，可靠性指得是系統(tǒng)在兩點(diǎn)間一次性進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的能力。本文將介紹嵌入式無線應(yīng)用中可靠性和功耗的關(guān)系，以及優(yōu)化可靠性和功率效率的方法。

　　可靠性與功耗的關(guān)系

　　在大多數(shù)嵌入式無線應(yīng)用中，功耗最大的器件是收發(fā)器的發(fā)射電路。目前市場(chǎng)上可選的收發(fā)器有很多樣，單純從數(shù)據(jù)表的介紹來看，它們的額定功耗似乎都差不多，都在20～30mA的范圍內(nèi)。但是，如果單純選擇額定功耗最低的器件，更為重要的系統(tǒng)可靠性屬性則有可能被忽視。可靠性為什么重要呢?對(duì)于將每1uA或每1mA電流都要考慮在內(nèi)的低功耗應(yīng)用來說，可靠性是決定該應(yīng)用在高功耗的動(dòng)態(tài)狀態(tài)(相對(duì)于極低功耗的睡眠狀態(tài))能保持多久的最重要因素，因?yàn)榭煽啃栽礁撸木驮降?。完美、理想的無線系統(tǒng)應(yīng)盡可能快地在兩點(diǎn)間一次性傳輸一組數(shù)據(jù)。當(dāng)然，系統(tǒng)不可能始終完美地實(shí)現(xiàn)這種工作模式，因此有可能會(huì)由于干擾或信號(hào)強(qiáng)度不足，無法達(dá)到遠(yuǎn)程末端，而必須重新傳輸數(shù)據(jù)。在此情況下，必須盡可能提高無線系統(tǒng)的可靠性。

　　無線系統(tǒng)有具體的特征描述(參數(shù))，這有助于決定在給定系統(tǒng)中如何可靠地工作。例如，“RF頻譜應(yīng)用”是指無線通信采用什么RF頻譜進(jìn)行通信;“接收靈敏度”是指收發(fā)器識(shí)別出通信內(nèi)容的最低程度，以功率分貝比來計(jì)算，單位為1mW(dBm);“輸出功率”指技術(shù)通信需要多大的功率，它必須大于潛在干擾的功率，單位為dBm;“RF捷變性”指能否支持在RF頻譜中移動(dòng)以避免干擾，它由RF通道大小和可用通道數(shù)量決定的;最后一個(gè)是“抗干擾性”，即RF技術(shù)能否在存在面臨干擾的情況下確保給定通道的通信，它體現(xiàn)為接收敏感度的增加，也稱作編碼增益(dBm)。

　　RF頻譜應(yīng)用是可靠性方程中的一個(gè)變量，依賴于RF波物理特性決定的環(huán)境。頻率越低，波長越長，RF波也就越難被液體和混凝土等常見制造材料吸收。不過，RF頻譜及其應(yīng)用是一個(gè)受政府高度管理的無線通信領(lǐng)域，原因是避免干擾其他無線通信技術(shù)。只有少部分頻段預(yù)留給在本地和國際上這些通信應(yīng)用非限制地使用，也就是所謂的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段。在此頻段內(nèi)，常用的最主要頻率是ISM頻段的2.4GHz部分。在此頻段中，工業(yè)領(lǐng)域中惡劣的RF環(huán)境會(huì)很快吸收波長較短的波，因此必須更加關(guān)注其它波長的波，以測(cè)量可靠性。

　　可以將接收靈敏度、輸出功率和抗干擾性全部量化，以形成定義可靠性的變量，即鏈路預(yù)算。鏈路預(yù)算可定義為接收靈敏度加上輸出功率和抗干擾性的絕對(duì)值。接收靈敏度越高，輸出功率就越大，抗干擾性就越強(qiáng)，解決方案的鏈路預(yù)算就越高。而鏈路預(yù)算越高，無線解決方案受RF吸收和干擾影響的幾率就越低，從而有助于提高可靠性。收發(fā)器的接收靈敏度和輸出功率往往決定了鏈路預(yù)算的器件級(jí)鑒別器，我們可以方便地對(duì)其加以評(píng)估和比較。但是，抗干擾性很大程度上取決于無線收發(fā)器采用何種技術(shù)來提高其信號(hào)有效性。當(dāng)前采用的可以直接改善這一功能的最佳技術(shù)之一就是直接序列擴(kuò)頻(DSSS)調(diào)制技術(shù)。

　　DSSS調(diào)制技術(shù)是一種對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行前向糾錯(cuò)的方法，用于減小信號(hào)干擾造成數(shù)據(jù)丟失的影響。具體而言，DSSS根據(jù)發(fā)射器和接收器共享的偽隨機(jī)噪聲碼，將一組數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，輸出成較大的比特流。例如，在圖1中，8位數(shù)據(jù)編碼為32個(gè)碼片，在此情況下，4個(gè)碼片相當(dāng)于1位。隨后，碼片在RF信號(hào)上調(diào)制發(fā)送。接收器將接收信號(hào)的碼片解調(diào)，并反向執(zhí)行DSSS編碼方案。即便由于信號(hào)噪聲或干擾會(huì)出現(xiàn)解調(diào)錯(cuò)誤，原始數(shù)據(jù)仍然可以被恢復(fù)出來。

　　圖1：直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。

　　最后，RF捷變性可通過避免干擾技術(shù)提高可靠性，也就是通過RF頻譜跳頻或者移動(dòng)來避免干擾。解決方案的自由度越高，就越有利于找到RF干擾較小的環(huán)境，降低干擾。目前使用的RF捷變性技術(shù)主要分為兩大類，一類是偽隨機(jī)或算法型跳頻方案，可在頻譜內(nèi)持續(xù)跳頻，以盡量減少干擾，另一類是僅在需要時(shí)才移動(dòng)的智能方案(見圖2)。從可靠性角度看，第一類捷變性方案存在的一個(gè)問題是，如果RF頻譜內(nèi)比較繁忙，那么可能會(huì)無意中跳頻到干擾較高的頻譜部分中去;而智能型技術(shù)則會(huì)找到干擾較低的位置并隨即停止移動(dòng)。不管采用何種捷變性方案，RF捷變性都取決于RF頻譜的使用和通道的大小。

　　圖2：RF頻譜跳頻技術(shù)的示意圖。