避免2.4GHz ISM頻段各種類型無線設備干擾的技術
文章出處：http://hz-huyue.com 作者：電子工程專輯 人氣： 發表時間：2011年10月26日
隨著越來越多的公司生產使用2.4GHz ISM頻段的產品，設計人員必須處理來自其他來源的更多信號。管理免許可頻段的規章表明，您的設備必須考慮干擾問題。 本文正是根據當前2.4GHz頻段的使用狀況，向讀者介紹了幾種提高設備抗干擾性的方法。
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？產品往往在受控的實驗室環境下工作得很好，但在現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。以現有的標準，如Wi-Fi、藍牙及ZigBee等，絕大多數產品是以標準制定者所提供的方法來實現。但如果設計人員控制協議時，則存在一些可將外來干擾減至最小的方法和步驟。
2.4GHz聯網技術原理分析
1．Wi-Fi系統
跳頻擴頻(FHSS)與直接序列擴頻(DSSS)是兩種用于免許可2.4GHz ISM頻段中射頻調制的方法。藍牙采用FHSS，而無線USB 802.11b/g/a(常稱為Wi-Fi)及802.15.4(當與頂部聯網層結合時稱為ZigBee)則采用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)。
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圖1：工作于2.4GHz IFM頻段無線系統的信號比較。 |
Wi-Fi采用DSSS，其每信道帶寬為22MHz，故允許同時采用三個分布式信道而不會互相重疊。每個Wi-Fi接入點所使用的信道均需人工配置，Wi-Fi客戶會搜索可用接入點的所有信道。
802.11采用一種稱為巴克碼的11位偽隨機噪聲(PN)編碼來對每一原始數據速率為1及2Mbps的信息位進行編碼。為達到更高的數據速率，802.11b利用補碼鍵控(CCK)將6個信息位編碼為8碼片符號。
這種CCK算法可使用64個符號，要求每一個802.11b無線電均含有64個單獨的相關器(即用于將符號轉換為信息位的器件)，這雖然會增加無線電的成本與復雜性，但可將數據速率提高至11Mbps。
2．藍牙系統
藍牙技術則側重于蜂窩手機、無繩電話與PDA之間的互操作性。大多數藍牙設備均可定期充電。
藍牙采用FHSS并將2.4GHz ISM頻段劃分成79個1MHz的信道。藍牙設備以偽隨機碼方式在這79個信道間每秒鐘跳1,600次。所連接藍牙設備被分組到稱為微網的網絡中：每一個微網均包含一個主設備及七個從設備。每個微網的信道跳頻序列源于主設備的時鐘。所有從設備均必須保持與此時鐘同步。
通過將數據包頭中的每一位發送三次，可對所有數據包頭執行前向糾錯(FEC)。亦可將漢明碼用于某類數據包數據載荷的前向糾錯。漢明碼雖會對每一個數據包帶來50%的開銷，但能糾正所有單個15位碼字(每個15位碼字包含10位信息)中所有一位錯誤并檢測兩位錯誤。
3．無線USB
無線USB被設計成計算機輸入設備(鼠標、鍵盤等)連接電纜的封殺者，且其目標還瞄準無線傳感器市場。無線USB設備無需定期充電，被設計成可使用堿性電池工作數月。
無線USB采用類似于藍牙的無線電信號，但是采用了DSSS而不是FHSS。每一個無線USB信道寬1MHz，故允許無線USB像藍牙那樣將2.4GHz ISM頻段分割成為79個1MHz信道。無線USB設備具有頻率捷變特性，換言之，它們雖采用“固定”信道，但如果最初信道的鏈路質量變得不理想，則會動態地改變信道。
無線USB采用偽隨機噪聲(PN)碼來編碼每一個信息位。大多數無線USB系統都使用32碼片PN編碼，以便在每一個32碼片符號中編碼兩位信息位。這種方案可糾正3個碼片錯誤(每符號)，并能檢測10個碼片錯誤(每符號)。盡管采用32碼片(有時甚至是64碼片)PN編碼會將無線USB的數據速率限制在62.5kbps上，但其數據完整性則要遠高于藍牙，尤其在噪聲環境下。
4．ZigBee系統
ZigBee被設計成為一種用于傳感器及控制網絡的標準化解決方案。大多數ZigBee設備都對功率非常敏感(溫度調節器、安全傳感器等)，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個信道，每一信道寬3MHz，信道中心間隔為5MHz，使相鄰信道間留有2MHz的頻率間隔。
ZigBee采用32碼片PN碼，將4個信息位編碼到每一個符號中，使其具有250Kbps的最高數據速率。其物理及MAC層由IEEE 802.15.4工作組定義，并擁有許多與IEEE 802.11b標準一樣的設計特征。
5．2.4GHz無繩電話
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圖2：無線USB設計的頻率捷變示意圖。 |
避免沖突的技術
除了解每一項技術的工作原理外，了解上述技術在同構及異構環境下的相互作用也很重要。
Wi-Fi免沖突法在發射前偵聽“安靜”的信道，這使得多個Wi-Fi客戶能有效地與單個Wi-Fi接入點通信。如果Wi-Fi信道噪聲很大，則Wi-Fi設備在又一次傾聽信道前會進行隨機退避。如果信道仍有噪聲，則會重復此過程直至信道安靜為止。一旦信道變得安靜，Wi-Fi設備即會開始發射。如果信道永遠嘈雜，則Wi-Fi設備會搜索另條信道上的其他可用接入點。
由于有免沖突算法，故采用相同或重疊信道的Wi-Fi網絡可共處，但每一網絡的吞吐量會有所下降。如果在同一地域使用多個網絡，則最好能使用非重疊信號，如信道1、6及11等。這能提高每個網絡的吞吐量，因為無需與其他網絡共用帶寬。
由于藍牙發送的跳頻特性，故來自藍牙的干擾很小。如果藍牙設備在一個與Wi-Fi信道重疊的頻率上發送，而Wi-Fi設備此時正在進行“發送前偵聽”，則Wi-Fi設備會執行隨機退避，在這期間，藍牙設備會跳轉到一個非重疊的信道，以允許Wi-Fi設備可開始發送。
即使無繩電話采用FHSS而不是DSSS，2.4GHz無繩電話發出的干擾也可完全中斷一個Wi-Fi網絡的工作。這部分是因為與藍牙(1MHz)相比它占用更寬的信道(5-10MHz)，以及無繩電話信號具有更高的功率。跳轉到Wi-Fi信道中間的FHSS無繩電話可能會破壞Wi-Fi發送，從而導致Wi-Fi設備需要重復發送。2.4GHz FHSS無繩電話很可能會干擾鄰近的所有Wi-Fi設備。故建議在Wi-Fi網絡以外使用這些電話。如果無繩電話采用DSSS，則可將無繩電話與Wi-Fi接入點所使用的信道配置成互不重疊，以消除干擾。
處理藍牙的干擾
在藍牙中，來自其他藍牙微網的干擾很小，因為每個微網都使用它自己的偽隨機跳頻方案。如果兩個共處微網被激活，則發生沖突的概率為1/79。沖突的概率隨共處有效微網的數量線性增加。
藍牙最初依賴其跳頻算法來處理干擾，但人們意識到單個有效Wi-Fi網可對25%的藍牙信道造成嚴重的干擾。由于信道重迭而引起的數據包丟失必須在安靜的信道上重傳，因此會大大降低藍牙設備的吞吐量。
1.2版藍牙規范通過定義一種自適應跳頻(AFH)算法來解決此問題。該算法允許藍牙設備將信道分別標記為好、壞及未知，然后再通過一個查找表來用好信道替換跳頻模式中的壞信道。藍牙主設備可通過定期偵聽壞信道來確定干擾是否消失。如果干擾消失，則將信道標記為好信道并將其從查找表中刪除。當藍牙主設備查詢從設備時，后者也可向主設備發送一個報告來向主設備通告其對信道質量的評價。例如，從設備可能可以偵聽到一個Wi-Fi網絡，而主設備卻不能。聯邦通信委員會(FCC)要求至少使用15個不同的信道。
AFH算法使藍牙設備能避免使用被Wi-Fi網絡及無線USB等DSSS系統所占用的信道。2.4GHz FHSS無繩電話仍可能干擾藍牙設備，因為這兩種系統均在整個2.4GHz ISM頻段上以跳頻方式工作。但由于藍牙信號只有1MHz寬，故FHSS無繩電話與藍牙信號之間的頻率沖突遠小于Wi-Fi與FHSS無繩電話之間的頻率沖突。
藍牙還具有三種不同的數據包長度，在給定信道上表現為具有不同的駐留時間。藍牙還具有一個通過減小數據包長度以提高數據吞吐量可靠性的選項。在這種情況下，最好是使較小數據包以較低的速率通過，這比以正常速率會丟失較大的數據包更為可取。
解決無線USB、ZigBee的干擾
在無線USB中，每個網絡在選擇信道前均檢查其他無線USB網絡，故可減少來自其他無線USB網絡的干擾。無線USB至少每50毫秒檢查一次信道的噪聲水平。Wi-Fi設備的干擾會引起連續的高噪聲數據讀取，從而迫使無線USB主設備選擇一個新信道。無線USB可與多個Wi-Fi網絡和平共處，因為無線USB能找到Wi-Fi網絡中的安靜信道(見圖2)。
藍牙的干擾可能會引起無線USB數據包的重傳。由于藍牙的跳頻天性，無線USB數據包的重傳不會與下一次藍牙傳輸發生沖突，因為藍牙設備會跳到另一個信道上。藍牙網絡不會造成足夠連續高的噪聲電平來迫使無線USB主設備改變信道。
ZigBee規定了一種類似802.11b的免沖突算法；每個設備在發送數據之前偵聽信道，以減小ZigBee設備之間的頻率沖突。在嚴重干擾期間，ZigBee不改變信道；相反，它依靠其低占空比及免沖突算法來減小由于傳輸沖突所造成的數據丟失。如果ZigBee使用的信道與一個頻繁使用的Wi-Fi信道相重疊，則現場實驗表明，有多達20%的ZigBee數據包會由于包沖突而重傳。
補充措施
在開發藍牙、Wi-Fi或ZigBee時，設計者可使用規范中所提供的方法。而當開發一種基于802.15.4、無線USB和其他2.4GHz無線電的專用系統時，設計者無需使用高級工具即可獲得頻率捷變性。
由于存在與其他DSSS系統相重疊的風險，故DSSS系統最可能發生數據丟失。但DSSS系統可采用一些補救措施來獲得FHSS系統的頻率捷變，其中一種方法便是網絡監視。如果DSSS系統使用輪詢協議(其中所期望數據包以規定間隔出現)，則在一定數量的發送嘗試失敗或接收到錯誤數據包以后，主設備可切換信道。
另一種方法是讀取空中傳輸信號的功率電平(如果無線電設備具有這種能力)。可使用接收信道強度指標(RSSI)來預先測量空中傳輸信道的功率，如果功率電平在一段時間內過高，則會切換到另一個更潔凈的信道上。之所以考慮這一段時間是為了在FHSS系統通過的情況下不改變信道。
網絡監視與RSSI讀數方法假設了無線電均為可發送及接收數據包的收發器。在一個一端是收發器而另一端是接收器的DSSS系統中，可采用多發送的方法來獲得頻率捷變性。發送器使用多個頻率來發送相同的數據包，接收器則以非常低的速率在接收信道間循環接收。當接收器連接到電源上以及當電池供電發送器使用不頻繁時，這種系統是可行的。無線遙控可采用此種方法。
作者：Ryan Winfield Wooding
系統工程師
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