如何避免2.4GHz ISM頻段下各種無線設備的干擾

隨著越來越多的公司生產(chǎn)使用 2.4GHz 頻段的產(chǎn)品，設計人員必須處理來自其他信源的更多信號。管理免許可頻段的規(guī)定表明，您的設備必須考慮干擾問題。

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(chǎn)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。目前，2.4 GHz 頻段下存在 Wi-Fi、藍牙和 ZigBee 等不同標準，絕大多數(shù)產(chǎn)品是以標準制定者所提供的方法來實現(xiàn)，不過，通過控制協(xié)議，設計人員能通過一定的措施將其他信號源的干擾問題降至最低。

在本文中，我們將探討 2.4 GHz 無線系統(tǒng)中的各種干擾控制技術，并介紹如何運用低級工具實現(xiàn) 2.4 GHz 設計方案中的頻率穩(wěn)定性。

Wi-Fi

跳頻擴頻(FHSS)和直接序列擴頻(DSSS)是兩種免許可 2.4 GHz ISM 頻段中射頻調(diào)制的方法。藍牙使用FHSS，而 WirelessUSB、802.11b/g/a(也就是常說的 Wi-Fi)和802.15.4(與上層網(wǎng)絡層相結(jié)合時稱作ZigBee)則使用 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)(見圖 1)。

圖 1：工作在 2.4 GHz 頻段中無線系統(tǒng)的信號比較。

采用 Wi-Fi 的主要推動因素是數(shù)據(jù)吞吐量。Wi-Fi 通常用于計算機和本地局域網(wǎng)(LAN)的連接(并通過 LAN 間接連接到因特網(wǎng)上)。目前大多數(shù)Wi-Fi設備為可每天充電的筆記本電腦或用市電供電的接入點，因此對供電問題并不敏感。

Wi-Fi 使用 DSSS 技術，每個通道的帶寬為 22 MHz，故允許同時采用三個均勻分布的通道而不會互相重疊。每個 Wi-Fi 接入點使用的通道均需手動配置；Wi-Fi客戶會搜索所有通道中的可用接入點。

802.11 采用一種稱為巴克(Barker)碼的11位偽隨機噪聲(PN)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。為實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，802.11b通過補碼鍵控技術(CCK)將 6 個信息位編碼為一個 8 碼片符號。

CCK 算法中有 64 個可以使用的符號，要求每個 802.11b 無線電設備均包括 64 個單獨的相關器(即用于將符號轉(zhuǎn)化為信息位的器件)，這雖然會增加無線電設備的復雜性與成本，但能將數(shù)據(jù)速率提高至 11 Mbps。

藍牙

藍牙技術則側(cè)重于蜂窩手機、耳機與PDA之間自適應組網(wǎng)的互操作性。大多數(shù)藍牙設備都需要定期充電。

藍牙采用 FHSS 并將 2.4GHz ISM 頻段劃分成 79 個 1MHz 的通道。藍牙設備以偽隨機碼方式在這 79 個通道間每秒鐘跳 1,600 次。所連接藍牙設備被分組到稱為微網(wǎng)(piconet)的網(wǎng)絡中；每個微網(wǎng)均包括一個主設備和多達 7 個有效從設備。每個微網(wǎng)的通道跳頻順序源于主設備的時鐘，所有從設備都必須保持與此時鐘同步。

通過將數(shù)據(jù)包報頭中的每個位發(fā)送三次，可對所有數(shù)據(jù)包報頭執(zhí)行前向糾錯(FEC)。亦可將漢明(Hamming)碼用于某類數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)有效載荷的前向糾錯。漢明碼雖會對每一個數(shù)據(jù)包帶來 50% 的額外開銷，但能糾正每個 15 位碼字(每個 15 位碼字包含 10 個信息位)中所有一位錯誤并檢測兩位錯誤。

表1

WirelessUSB

WirelessUSB設計旨在取代計算機輸入設備(鼠標、鍵盤等)的有線連接，且其目標還瞄準無線傳感器市場。WirelessUSB設備無需定期充電，用堿性電池能工作數(shù)月。

WirelessUSB采用無線電信號技術，類似于藍牙標準，，但其采用 DSSS 而不是 FHSS 技術進行調(diào)制。每個 WirelessUSB 通道寬度1 MHz，允許 WirelessUSB 像藍牙那樣將 2.4 GHz ISM頻段分為 79 個 1 MHz 通道。

WirelessUSB 設備具有頻率捷變性，換言之，它們雖然采用“固定”通道，但在最初通道的鏈接質(zhì)量不佳時又能動態(tài)改變通道。

WirelessUSB使用偽隨機噪聲(PN)碼對每個信息位進行編碼。大多數(shù) WirelessUSB 系統(tǒng)均使用兩個32碼片PN碼，以便在每個 32 碼片符號中可編碼兩個信息位。這種方案可糾正多達 3 個碼片錯誤(每符號)，并能檢測到多達 10 個碼片錯誤(每符號)。盡管使用 32 碼片(有時甚至是 64 碼片)PN碼會將 WirelessUSB 的數(shù)據(jù)速率限制在 62.5 kbps 上，但其數(shù)據(jù)完整性則遠高于藍牙，尤其在噪聲環(huán)境下更是如此。

ZigBee

ZigBee設計旨在作為傳感和控制網(wǎng)絡的標準化解決方案，大多數(shù) ZigBee 設備都對用電非常敏感(如自動調(diào)溫器、安全感應器等)，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 個通道，每通道寬 3MHz，通道中心間隔為 5MHz，使相鄰信道間留有 2MHz 的頻率間隔。

ZigBee 使用 11 碼片 PN 碼，每 4個信號位編碼為一個符號，最大數(shù)據(jù)速率為 128 Kbps。物理層和 MAC 層由 IEEE 802.15.4 工作組定義，與IEEE 802.11b 標準共享相同的設計特點。

2.4 GHz 無繩電話

2.4 GHz 無繩電話在北美日益流行，其不使用標準網(wǎng)絡技術。有的無繩電話使用DSSS，但大多數(shù)使用 FHSS。使用 DSSS 和其他固定通道算法的無繩電話通常在電話上有一個“通道”按鈕，使用戶能手動改變通道。而使用 FHSS 的電話則沒有“通道”按鈕，因為這種電話經(jīng)常會改變通道。大多數(shù) 2.4 GHz 無繩電話都使用帶寬為5～10 MHz的通道。