2.4GHz频段上的新一代点对点无线技术

替代电缆的解决方案

在设备之间实现无线通信是许多消费产品开发人员由来已久的梦想。然而，长期以来，无线电频谱资源一直是各国政府的管制对象，对其使用有着种种限制，目的是防止来自不同信号源的RF信号相互干扰。在大多数国家里，大部分无线电频谱是为广播、电视、军事、应急服务以及近期迅速普及的移动电话之用而保留的。  

正是因为认识到了短距离、低带宽数据通信在许多工业科学和医学ISM应用中所具有的价值，一直以来，各国政府都把少量的RF频谱留待无需申领许可的应用之用。在这些频谱内，产品的最终用户不必向其政府或某一管理机构申请特殊的许可便能使用各种设备。随着20世纪末消费类电子产品的飞速发展，消费型应用也开始利用这些管制条例的可用性了。

在这些频率的分配或者发射功率的极限值、占空因数或可以传输的数据类型等方面，各国政府之间几乎没有相互协调的传统。这就造成了世界范围内相关管制条例的混乱，不同的管辖范围允许以不同的方式或为了不同的目的来使用该频谱的不同频段。本文将首先对433MHz ISM频段、Bluetooth 2.4GHz协议和新型非联网2.4GHz协议做一番仔细的分析，然后以WirelessUSB LS为例来阐明将非联网2.4GHz协议用于取代消费电子设备的连接电缆所具备的好处。  

433MHz解决方案  

有一些频段被大多数政府指派用于ISM和消费型应用，其中，27MHz和433MHz附近的频段最为常用。这些频段虽然可在某些应用中使用，但也有不少缺点。在不同的国家中，433MHz和435MHz之间的RF频谱的不同部分被分配给了无需申请频谱使用许可的应用。有些国家将最大发射功率限制为1mW，另一些国家则将其限制为10mW。有些场合对发射机的最大占空因数有所限制，而另外一些场合则没有。在许多情况下，某些类型的数据是不允许传输的。例如，欧洲的某些地区就限制或禁止采用这些频率来传输音频数据。  

尽管相关的管制条例在世界范围内存在着一定的差异，但是消费电子产品制造商还是找到了利用该频谱来为其客户提供超值功能的方法。433MHz频段最为常见的应用是车库门开启装置和车用无钥匙型进入系统，但它也在为数众多的其他应用中得到了广泛的使用。  

433MHz频段具有许多特点，从而使其为低吞吐量应用所青睐，尤其是当某个产品专为某一地理区位市场而开发时更是如此。  

低成本虽然发射器和接收器一般都必须采用专用元件来设计，但总成本仍然适中。许多制造商可提供合适的接收器IF子系统IC，而且发送器往往可以采用分立晶体管和无源元件来制作。  

合理的传输距离能够进行10米或者更长距离的可靠数据传输，而且，如果把带宽/吞吐量降低，则传输距离还可以延长。  

然而，当电子产品的复杂性随着用户期望值的升高而增加时，433MHz频段的一些不足之处便逐渐凸显出来：  

一个信道的可用带宽是有限的。在大多数场合中，成本效益型的解决方案都将带宽限制在10kbps或更低。  

可用频谱较窄严重制约了可用信道的数量，即使是在每个信道均采用远远小于最大允许值的频谱宽度时也无济于事。这就限制了能够在相同的一般区域内同时工作的设备的数量。从制造商的角度来看，其缺陷还不止这些：  

缺乏全球性标准意味着同一产品的不同变型往往不得不针对世界范围内的不同市场进行专门的制造。这些变型产品可能采用了稍有不同的频率，或者具有一个不同的RF输出功率。  

由于几乎没有针对工作于该频段的设备的系统级标准，开发人员因而往往不得不进行自己的无线电设计。一般来说，他们必须首先选择调制方案和协议等随后采用通用的标准元件来设计其无线电发送器和接收器，而不能购置一个集成化的无线电IC并采用一个标准协议。这使得新产品的开发过程既费时、费钱、又充满风险。  

通常各主要世界市场都要求由一个不同的管理机构来对产品进行测试或认证。这也会耗费大量的时间，而且代价高昂。  

Bluetooth蓝牙技术  

Bluetooth是一项由蓝牙技术专业组SIG制定的用于无线个人区域网络WPAN的新标准。Bluetooth是一种采用2.4GHz ISM频段的跳频协议。Bluetooth可对多达8个连接成皮可网的设备以及多个连接成散射网的皮可网提供支持。许多PDA和蜂窝电话制造商由于以下原因而在其设备中采用了蓝牙技术：  

系统标准蓝牙技术专业组SIG定义了针对每一种使用模型的Bluetooth功能标准，从而使得来自不同制造商的蓝牙设备能够具有互操作性。  

带宽蓝牙技术的最大数据速率为723kbps远远高于433MHz ISM频段中所能提供的数据速率。  

成本昂贵由于所需的微处理器和协议使用许可方面的开支，蓝牙解决方案的定价通常在5美元以上。

保密性蓝牙技术具有内置授权和鉴权算法以及一种基本的加密算法。

虽然蓝牙技术已经在那些必须与来自其他售主的设备进行互操作的设备中逐渐普及，但对于许多消费电子设备，而言利用它来作为电缆的替代方案在成本和功耗指标方面还很难令人满意。采用蓝牙技术来取代电缆连接的部分主要缺点如下：  

巨大的协议开销每种蓝牙设备都包含多个协议层。即便是一个简单的蓝牙鼠标也至少包含4个协议层。  

功耗由于蓝牙技术以及连续的网络流量需要使用较大的微处理器，因此蓝牙设备的电池使用寿命常常只有3个月或更短。  

2.4GHz非联网解决方案  

虽然433MHz系统和蓝牙技术能够满足诸多应用的需要，但是，对于大多数消费电子设备而言，用它们来作为电缆替代方案要么局限性过大，要么成本过高而且复杂。正在开发中的新型无线技术基于这样的前提：即诸如鼠标键盘和消费电子设备等简单的点对点应用并不需要采用复杂的联网协议比如那些因处理开销和附加成本而使蓝牙技术的优势有所丧失的协议。  

与采用433MHz ISM频段的技术相比，采用2.4GHz ISM频段的技术具有以下优点：  

标准的管制条例由于802.11和蓝牙技术支持者的努力他们与许多国家的无线电频率管理机构进行了合作以谋求消除国家之间在有关管制条例方面的差异，目前大多数国家都对2.4GHz ISM频段有着相似的管制条例。这使得采用2.4GHz技术的产品无需改变频率或发射功率便可在世界范围内销售。  

系统级标准2.4GHz非联网技术采用集成无线电IC和标准协议，从而大幅度地缩短了将这些技术集成到器件设计中所需的开发时间。  

带宽2.4GHz ISM频段的宽度超过83MHz远远宽于433MHz ISM频段。这使得可以有更多的设备共享这一频段且彼此之间没有干扰。  

与蓝牙等重型联网协议相比，非联网技术还具有一些至关重要的优点。首先便是成本。非联网技术无需采用重型协议栈，这使得它们能够采用更小、更廉价的微处理器。另一个优点是功耗。较轻的协议加上强健的纠错能力有助于减少无线电传送时间，这直接影响到功耗并使设备具有较长的电池使用寿命。  

这些优点表明2.4GHz非联网技术将433MHz解决方案的低成本与蓝牙技术的长处结合在了一起，旨在实现健壮、轻型技术，以显著地减少在给消费电子设备增添无线功能时所花费的时间和成本。  

WirelessUSB无网络开销的2.4GHz技术  

由赛普拉斯半导体公司开发的WirelessUSB是非联网2.4GHz技术的一个范例。与蓝牙技术相似，WirelessUSB将2.4GHz ISM频段划分为78个1MHz信道。但它并没有像蓝牙技术那样采用跳频扩频FHSS。FHSS系统希望通过在载频之间的不断跳跃来确保传输数据的某些部分能够被正确地接收。即使有些信道完全阻塞，在其他信道上传送的数据仍将正常通过。而WirelessUSB只采用了一个信道和直接序列扩频DSSS调制方案以避免干扰。  

在使用一个信道之前，WirelessUSB设备检查该信道上的其他流量。另外还对信号强度进行测量以确定噪声层。如果有另一个WirelessUSB或2.4GHz设备正在使用该信道，则该设备将转移至另一个信道以实现与这些设备的共存。  

DSSS系统增加了工作范围并降低了误码率。此类系统将每个数据位作为一个伪噪声PN代码来传输；PN代码的每个码元被称为片chip。当存在干扰或靠近工作范围的极限值处时，接收到的传输PN代码往往会有一些片被损坏。DSSS接收器采用数据相关器来对输入数据流进行解码。如果片误差的数量低于相关器的误差阈值，则数据将被正确接收。  图1给出了一个WirelessUSB 64片PN代码实例

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图1DSSS数据纠错通过对每个数据字节进行异或操作并将合成校验和作为每个分组的最终字节来传输，WirelessUSB系统实现了数据的无误差接收即使在高干扰级的频率上亦不例外。  

如果相关器的误差阈值被超过，则接收数据位不被损坏；它被删除数据损坏超过数据删除的概率可以忽略不计。纠正删除要比纠正误差容易得多。通过对每个数据字节进行异或操作，并将合成校验和作为每个分组的最终字节来传输，即可采用该校验和来对一个接收分组的每个码位位置中的一个误差进行校正。  

因此，即使是在那些遭受了会引发10%以上的片误差率的干扰的频率上，WirelessUSB系统也能够成功地接收无误差数据。这使得WirelessUSB通常具有抗干扰能力并有望实现50米或更长的工作距离。

由于2.4GHz ISM频段得到了如此广泛的应用，因此很有可能遇到干扰特别严重的情况，即便采用了上述的强大纠错功能也无法对众多的不合格分组进行校正。在这种场合，WirelessUSB协议能够使发送器和接收器自动切换至一个无干扰信道以避免干扰。

PN代码系统简化了多用户的并置。在该情形下，多个WirelessUSB系统可使用同一个信道，前提是它们采用不同的PN代码且相邻系统距接收器的距离至少为其距本地系统中的设备的三倍。通过将2.4GHz ISM频段划分成80个独立的信道并允许相邻系统进行信道重用，可以把许多WirelessUSB系统布设在同一区域内，从而使该技术能够在教室或办公室环境中得到推广应用。  

最后，WirelessUSB协议专门针对低功耗器件进行了优化。只需少量的14字节分组即可建立一个连接。一旦连接完成，即没有信标分组或其他不必要的流量。每个应用数据分组包含一个一字节信头和用于纠错的一字节校验和。该协议健全且足够轻，使得一个WirelessUSB键盘能够在采用三节AA电池的情况下连续工作达一年之久。采用该技术的芯片订价在2美元以下。 一个用于该设计的无线电部分的双层PCB布局实例包括PCB印制线天线被作为WirelessUSB开发套件的一部分提供给用户。它免除了进行复杂的RF电路布局和天线设计的需要。当采用PCB印制线天线时，开发人员不需要具备2.4GHz天线设计方面的知识。  WirelessUSB IC仅需的外部元件是若干去耦电容器、一个四元件无源天线匹配网络和一个廉价的13MHz、50ppm晶体。该设计方法使得能够将整个RF PCB包括天线和IC放入一个面积仅1平方英寸左右的区域内。

如图2所示

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图2 WirelessUSB双层PCB布局包括天线实例  

结论  

433MHz和蓝牙技术虽然适合于某些应用，但并非低成本无线设备的理想选择。新型非联网2.4GHz技术集433MHz与蓝牙技术两者的优点于一身，从而造就了采用轻型协议的集成无线电IC。这些非联网2.4GHz技术是鼠标、键盘、游戏控制器、无线玩具和许多其他消费电子设备的理想之选。