2.4GHz頻段上的新一代點(diǎn)對點(diǎn)無線技術(shù)

2.4GHz頻段上的新一代點(diǎn)對點(diǎn)無線技術(shù)

替代電纜的解決方案

    在設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無線通信是許多消費(fèi)產(chǎn)品開發(fā)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(shù)國家里，大部分無線電頻譜是為廣播、電視、軍事、應(yīng)急服務(wù)以及近期迅速普及的移動(dòng)電話之用而保留的。

    正是因?yàn)檎J(rèn)識(shí)到了短距離、低帶寬數(shù)據(jù)通信在許多工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)（ISM）應(yīng)用中所具有的價(jià)值，一直以來，各國政府都把少量的RF頻譜留待無需申領(lǐng)許可的應(yīng)用之用。在這些頻譜內(nèi)，產(chǎn)品的最終用戶不必向其政府或某個(gè)管理機(jī)構(gòu)申請?zhí)厥獾脑S可便能使用各種設(shè)備。隨著20世紀(jì)末消費(fèi)類電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，消費(fèi)型應(yīng)用也開始利用這些頻譜資源了。

    在這些頻率的分配或者發(fā)射功率的極限值、占空比以及可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型等方面，各國政府之間幾乎沒有相互協(xié)調(diào)的傳統(tǒng)。這就造成了世界范圍內(nèi)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?yàn)榱瞬煌哪康膩硎褂迷擃l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)議做一個(gè)分析，然后以WirelessUSB LS為例來闡明將非聯(lián)網(wǎng)2.4GHz協(xié)議用于取代消費(fèi)電子設(shè)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(shù)政府指定用于ISM和消費(fèi)型應(yīng)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(yīng)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需申請頻譜使用許可的應(yīng)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。有些場合對發(fā)射機(jī)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(shù)據(jù)是不允許傳輸?shù)?。例如，歐洲的某些地區(qū)就限制或禁止采用這些頻率來傳輸音頻數(shù)據(jù)。

    盡管相關(guān)的管制條例在世界范圍內(nèi)存在一定的差異，但是消費(fèi)電子產(chǎn)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(yīng)用是車庫門開啟裝置和車用無鑰匙型進(jìn)入系統(tǒng)，但它也在為數(shù)眾多的其他應(yīng)用中得到了廣泛的使用。

    433MHz頻段具有許多特點(diǎn)，從而得到低吞吐量應(yīng)用的青睞，尤其是專為某一地理區(qū)位市場而開發(fā)的產(chǎn)品。

    低成本-雖然發(fā)射器和接收器一般都必須采用專用元器件來設(shè)計(jì)，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(tǒng)IC，而且發(fā)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(jìn)行10米或者更長距離的可靠數(shù)據(jù)傳輸，而且，如果把帶寬/吞吐量降低，則傳輸距離還可以延長。

然而，當(dāng)電子產(chǎn)品的復(fù)雜性隨著用戶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：

●一個(gè)信道的可用帶寬是有限的。在大多數(shù)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(yán)重制約了可用信道的數(shù)量，即使是在每個(gè)信道均采用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最大允許值的頻譜寬度時(shí)也無濟(jì)于事。這就限制了能夠在相同的一般區(qū)域內(nèi)同時(shí)工作的設(shè)備的數(shù)量。從制造商的角度來看，其缺陷還不止這些：

●缺乏全球性標(biāo)準(zhǔn)意味著同一產(chǎn)品的不同變型往往不得不針對世界范圍內(nèi)的不同市場進(jìn)行專門的制造。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。

●由于幾乎沒有針對工作于該頻段的設(shè)備的"系統(tǒng)級"標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)人員因而往往不得不進(jìn)行自己的無線電設(shè)計(jì)。一般來說，他們必須首先選擇調(diào)制方案和協(xié)議等-隨后采用通用的標(biāo)準(zhǔn)元器件來設(shè)計(jì)其無線電發(fā)送器和接收器，而不能購置一個(gè)集成化的無線電IC并采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。這使得新產(chǎn)品的開發(fā)過程既費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢，又充滿風(fēng)險(xiǎn)。

●通常各主要世界市場都要求由一個(gè)不同的管理機(jī)構(gòu)來對產(chǎn)品進(jìn)行測試或認(rèn)證。這也會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，而且代價(jià)高昂。

Bluetooth（藍(lán)牙）技術(shù)

    Bluetooth是一項(xiàng)由藍(lán)牙專業(yè)組（SIG）制定的用于無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（WPAN）的新標(biāo)準(zhǔn)。Bluetooth是一種采用2.4GHz ISM頻段的跳頻協(xié)議。Bluetooth可對多達(dá)8個(gè)連接成微微網(wǎng)(Piconet)的設(shè)備以及多個(gè)連接成分散網(wǎng)絡(luò)的微微網(wǎng)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(shè)備中采用了藍(lán)牙技術(shù)：

●系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)-藍(lán)牙專業(yè)組定義了針對每一種使用模型的Bluetooth功能標(biāo)準(zhǔn)，從而使得來自不同制造商的藍(lán)牙設(shè)備能夠具有互操作性。

●帶寬-藍(lán)牙技術(shù)的最大數(shù)據(jù)速率為723kbps--遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于433MHz ISM頻段中所能提供的數(shù)據(jù)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支，藍(lán)牙解決方案的定價(jià)通常在5美元以上。

●保密性-藍(lán)牙技術(shù)具有內(nèi)置授權(quán)和鑒權(quán)算法以及一種基本的加密算法。雖然藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)在那些必須與來自其他供應(yīng)商的設(shè)備進(jìn)行互操作的設(shè)備中逐漸普及，但對于許多消費(fèi)電子設(shè)備而言，利用它來作為電纜的替代方案在成本和功耗指標(biāo)方面還很難令人滿意。采用藍(lán)牙技術(shù)來取代電纜連接的部分主要缺點(diǎn)如下：

●巨大的協(xié)議開銷-每種藍(lán)牙設(shè)備都包含多個(gè)協(xié)議層。即便是一個(gè)簡單的藍(lán)牙鼠標(biāo)也至少包含4個(gè)協(xié)議層。

●功耗-由于藍(lán)牙技術(shù)以及連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)流量需要使用較大的微處理器，因此藍(lán)牙設(shè)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(tǒng)和藍(lán)牙技術(shù)能夠滿足諸多應(yīng)用的需要，但是，對于大多數(shù)消費(fèi)電子設(shè)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(fù)雜。正在開發(fā)中的新型無線技術(shù)基于這樣的前提：即諸如鼠標(biāo)、鍵盤和消費(fèi)電子設(shè)備等簡單的點(diǎn)對點(diǎn)應(yīng)用并不需要采用復(fù)雜的聯(lián)網(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)的管制條例-由于802.11和藍(lán)牙技術(shù)支持者的努力（他們與許多國家的無線電頻率管理機(jī)構(gòu)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(shù)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(shù)的產(chǎn)品無需改變頻率或發(fā)射功率便可在世界范圍內(nèi)銷售。

●系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)-2.4GHz非聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用集成無線電IC和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，從而大幅度地縮短了將這些技術(shù)集成到器件設(shè)計(jì)中所需的開發(fā)時(shí)間。

●帶寬-2.4GHz ISM頻段的寬度超過83MHz--遠(yuǎn)遠(yuǎn)寬于433MHz ISM頻段。這使得可以有更多的設(shè)備共享這一頻段且彼此之間沒有干擾。

    與藍(lán)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)無需采用大量的協(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(qiáng)健的糾錯(cuò)能力有助于減少無線電傳送時(shí)間，這直接影響到功耗并使設(shè)備具有較長的電池使用壽命。

    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(lán)牙技術(shù)的長處結(jié)合在了一起，旨在實(shí)現(xiàn)健壯、輕型技術(shù)，以顯著地減少在給消費(fèi)電子設(shè)備增添無線功能時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間和成本。

WirelessUSB：無網(wǎng)絡(luò)開銷的2.4GHz技術(shù)

    由賽普拉斯半導(dǎo)體公司開發(fā)的WirelessUSB是非聯(lián)網(wǎng)2.4GHz技術(shù)的一個(gè)范例。與藍(lán)牙技術(shù)相似，WirelessUSB將2.4GHz ISM頻段劃分為78個(gè)1MHz信道。但它并沒有像藍(lán)牙技術(shù)那樣采用跳頻擴(kuò)頻（FHSS）。FHSS系統(tǒng)希望通過在載頻之間的不斷跳躍來確保傳輸數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)仍將正常通過。而WirelessUSB只采用了一個(gè)信道和直接序列擴(kuò)頻（DSSS）調(diào)制方案以避免干擾。

    在使用一個(gè)信道之前，WirelessUSB設(shè)備檢查該信道上的其他流量。另外還對信號強(qiáng)度進(jìn)行測量以確定噪聲層。如果有另一個(gè)WirelessUSB或2.4GHz設(shè)備正在使用該信道，則該設(shè)備將轉(zhuǎn)移至另一個(gè)信道以實(shí)現(xiàn)與這些設(shè)備的共存。

    DSSS系統(tǒng)增加了工作范圍并降低了誤碼率。此類系統(tǒng)將每個(gè)數(shù)據(jù)位作為一個(gè)偽噪聲（PN）代碼來傳輸；PN代碼的每個(gè)碼元被稱為"片"（chip）。當(dāng)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(shù)據(jù)相關(guān)器來對輸入數(shù)據(jù)流進(jìn)行解碼。如果"片"誤差的數(shù)量低于相關(guān)器的誤差閾值，則數(shù)據(jù)將被正確接收。

    如果相關(guān)器的誤差閾值被超過，則接收數(shù)據(jù)位不被損壞；它?quot;刪除"。數(shù)據(jù)損壞超過數(shù)據(jù)刪除的概率可以忽略不計(jì)。糾正"刪除"要比糾正"誤差"容易得多。通過對每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行"異或"操作，并將合成校驗(yàn)和作為每個(gè)分組的最終字節(jié)來傳輸，即可采用該校驗(yàn)和來對一個(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(tǒng)也能夠成功地接收無誤差數(shù)據(jù)。這使得WirelessUSB通常具有抗干擾能力并有望實(shí)現(xiàn)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(yīng)用，因此很有可能遇到干擾特別嚴(yán)重的情況，即便采用了上述的強(qiáng)大糾錯(cuò)功能也無法對眾多的不合格分組進(jìn)行校正。在這種場合，WirelessUSB協(xié)議能夠使發(fā)送器和接收器自動(dòng)切換至一個(gè)無干擾信道以避免干擾。

    PN代碼系統(tǒng)簡化了多用戶的并置。在該情形下，多個(gè)WirelessUSB系統(tǒng)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(tǒng)距接收器的距離至少為其距本地系統(tǒng)中的設(shè)備的三倍。通過將2.4GHz ISM頻段劃分成80個(gè)獨(dú)立的信道并允許相鄰系統(tǒng)進(jìn)行信道重用，可以把許多WirelessUSB系統(tǒng)布設(shè)在同一區(qū)域內(nèi)，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(yīng)用。

    最后，WirelessUSB協(xié)議專門針對低功耗器件進(jìn)行了優(yōu)化。只需少量的1～4字節(jié)分組即可建立一個(gè)連接。一旦連接完成，即沒有信標(biāo)分組或其他不必要的流量。每個(gè)應(yīng)用數(shù)據(jù)分組包含一個(gè)一字節(jié)信頭和用于糾錯(cuò)的一字節(jié)校驗(yàn)和。該協(xié)議健全且足夠輕，使得一個(gè)WirelessUSB鍵盤能夠在采用三節(jié)AA電池的情況下連續(xù)工作達(dá)一年之久。采用該技術(shù)的芯片訂價(jià)在2美元以下。一個(gè)用于該設(shè)計(jì)的無線電部分的雙層PCB布局實(shí)例（包括PCB印制線天線）被作為WirelessUSB開發(fā)套件的一部分提供給用戶。它免除了進(jìn)行復(fù)雜的RF電路布局和天線設(shè)計(jì)的需要。當(dāng)采用PCB印制線天線時(shí)，開發(fā)人員不需要具備2.4GHz天線設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。WirelessUSB IC僅需的外部元件是若干去耦電容器、一個(gè)四元件無源天線匹配網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)廉價(jià)的13MHz、50ppm晶體。該設(shè)計(jì)方法使得能夠?qū)⒄麄€(gè)RF PCB（包括天線和IC）放入一個(gè)面積僅1平方英寸左右的區(qū)域內(nèi)。

結(jié)論

    433MHz和藍(lán)牙技術(shù)雖然適合于某些應(yīng)用，但并非低成本無線設(shè)備的理想選擇。新型非聯(lián)網(wǎng)2.4GHz技術(shù)集433MHz與藍(lán)牙技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)于一身，從而造就了采用少量協(xié)議的集成無線電IC。這些非聯(lián)網(wǎng)2.4GHz技術(shù)是鼠標(biāo)、鍵盤、游戲控制器、無線玩具和許多其他消費(fèi)電子設(shè)備的理想之選。