2.4 GHz 无线系统中的各种干扰控制技术及频率稳定性实现介绍

赛普拉斯半导体 

        随着越来越多的公司生产使用 2.4GHz 频段的产品，设计人员必须处理来自其他信源的更多信号。管理免许可频段的规定表明，您的设备必须考虑干扰问题。 

        设计人员如何使处于这种苛刻条件下的 2.4 GHz 解决方案获得最大性能呢？产品往往在受控的实验室环境下工作得很好，但在现场却会由于受到其它2.4GHz解决方案的影响而使性能显著下降。目前，2.4 GHz 频段下存在 Wi-Fi、蓝牙和 ZigBee 等不同标准，绝大多数产品是以标准制定者所提供的方法来实现，不过，通过控制协议，设计人员能通过一定的措施将其他信号源的干扰问题降至最低。 

        在本文中，我们将探讨 2.4 GHz 无线系统中的各种干扰控制技术，并介绍如何运用低级工具实现 2.4 GHz 设计方案中的频率稳定性。 

  Wi-Fi 

        跳频扩频(FHSS)和直接序列扩频(DSSS)是两种免许可 2.4 GHz ISM 频段中射频调制的方法。蓝牙使用FHSS，而 WirelessUSB、802.11b/g/a(也就是常说的 Wi-Fi)和802.15.4(与上层网络层相结合时称作ZigBee)则使用 DSSS。所有这些技术都工作于全球通用的 ISM 频段(即 2.400"2.483 GHz)(见图 1)。
 

                                                                                                       图 1：工作在 2.4 GHz 频段中无线系统的信号比较。 

        采用 Wi-Fi 的主要推动因素是数据吞吐量。Wi-Fi 通常用于计算机和本地局域网(LAN)的连接(并通过 LAN 间接连接到因特网上)。目前大多数Wi-Fi设备为可每天充电的笔记本电脑或用市电供电的接入点，因此对供电问题并不敏感。 

        Wi-Fi 使用 DSSS 技术，每个通道的带宽为 22 MHz，故允许同时采用三个均匀分布的通道而不会互相重叠。每个 Wi-Fi 接入点使用的通道均需手动配置；Wi-Fi客户会搜索所有通道中的可用接入点。 

        802.11 采用一种称为巴克(Barker)码的11位伪随机噪声(PN)码来对每一原始数据速率为1及2Mbps的信息位进行编码。为实现更高的数据速率，802.11b通过补码键控技术(CCK)将 6 个信息位编码为一个 8 码片符号。 

        CCK 算法中有 64 个可以使用的符号，要求每个 802.11b 无线电设备均包括 64 个单独的相关器(即用于将符号转化为信息位的器件)，这虽然会增加无线电设备的复杂性与成本，但能将数据速率提高至 11 Mbps。 

 蓝牙 

        蓝牙技术则侧重于蜂窝手机、耳机与PDA之间自适应组网的互操作性。大多数蓝牙设备都需要定期充电。 

        蓝牙采用 FHSS 并将 2.4GHz ISM 频段划分成 79 个 1MHz 的通道。蓝牙设备以伪随机码方式在这 79 个通道间每秒钟跳 1,600 次。所连接蓝牙设备被分组到称为微网(piconet)的网络中；每个微网均包括一个主设备和多达 7 个有效从设备。每个微网的通道跳频顺序源于主设备的时钟，所有从设备都必须保持与此时钟同步。 

        通过将数据包报头中的每个位发送三次，可对所有数据包报头执行前向纠错(FEC)。亦可将汉明(Hamming)码用于某类数据包数据有效载荷的前向纠错。汉明码虽会对每一个数据包带来 50% 的额外开销，但能纠正每个 15 位码字(每个 15 位码字包含 10 个信息位)中所有一位错误并检测两位错误。

表1 

  WirelessUSB 

        WirelessUSB设计旨在取代计算机输入设备(鼠标、键盘等)的有线连接，且其目标还瞄准无线传感器市场。WirelessUSB设备无需定期充电，用碱性电池能工作数月。 

        WirelessUSB采用无线电信号技术，类似于蓝牙标准，，但其采用 DSSS 而不是 FHSS 技术进行调制。每个 WirelessUSB 通道宽度1 MHz，允许 WirelessUSB 像蓝牙那样将 2.4 GHz ISM频段分为 79 个 1 MHz 通道。 

        WirelessUSB 设备具有频率捷变性，换言之，它们虽然采用“固定”通道，但在最初通道的链接质量不佳时又能动态改变通道。 

        WirelessUSB使用伪随机噪声(PN)码对每个信息位进行编码。大多数 WirelessUSB 系统均使用两个32码片PN码，以便在每个 32 码片符号中可编码两个信息位。这种方案可纠正多达 3 个码片错误(每符号)，并能检测到多达 10 个码片错误(每符号)。尽管使用 32 码片(有时甚至是 64 码片)PN码会将 WirelessUSB 的数据速率限制在 62.5 kbps 上，但其数据完整性则远高于蓝牙，尤其在噪声环境下更是如此。 

         ZigBee 

        ZigBee设计旨在作为传感和控制网络的标准化解决方案，大多数 ZigBee 设备都对用电非常敏感(如自动调温器、安全感应器等)，其电池寿命可以年来计算。 

        ZigBee可采用 868MHz 频段(欧洲)、915MHz 频段(北美)及 2.4GHz ISM 频段(全球)中的 DSSS 无线电信号。在 2.4GHz ISM 频段中定义了 16 个通道，每通道宽 3MHz，通道中心间隔为 5MHz，使相邻信道间留有 2MHz 的频率间隔。 

        ZigBee 使用 11 码片 PN 码，每 4个信号位编码为一个符号，最大数据速率为 128 Kbps。物理层和 MAC 层由 IEEE 802.15.4 工作组定义，与IEEE 802.11b 标准共享相同的设计特点。