替代電纜的解決方案

在設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信是許多消費(fèi)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員由來(lái)已久的夢(mèng)想。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，無(wú)線電頻譜資源一直是各國(guó)政府的管制對(duì)象，對(duì)其使用有著種種限制，目的是防止來(lái)自不同信號(hào)源的RF信號(hào)相互干擾。在大多數(shù)國(guó)家里，大部分無(wú)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(lái)，各國(guó)政府都把少量的RF頻譜留待無(wú)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一管理機(jī)構(gòu)申請(qǐng)?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(kāi)始利用這些管制條例的可用性了。

在這些頻率的分配或者發(fā)射功率的極限值、占空因數(shù)或可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型等方面，各國(guó)政府之間幾乎沒(méi)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?lái)使用該頻譜的不同頻段。本文將首先對(duì)433MHz ISM頻段、Bluetooth 2.4GHz協(xié)議和新型非聯(lián)網(wǎng)2.4GHz協(xié)議做一番仔細(xì)的分析，然后以WirelessUSB LS為例來(lái)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)政府指派用于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(guó)家中，433MHz和435MHz之間的RF頻譜的不同部分被分配給了無(wú)需申請(qǐng)頻譜使用許可的應(yīng)用。有些國(guó)家將最大發(fā)射功率限制為1mW，另一些國(guó)家則將其限制為10mW。有些場(chǎng)合對(duì)發(fā)射機(jī)的最大占空因數(shù)有所限制，而另外一些場(chǎng)合則沒(méi)有。在許多情況下，某些類型的數(shù)據(jù)是不允許傳輸?shù)摹＠纾瑲W洲的某些地區(qū)就限制或禁止采用這些頻率來(lái)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)存在著一定的差異，但是消費(fèi)電子產(chǎn)品制造商還是找到了利用該頻譜來(lái)為其客戶提供超值功能的方法。433MHz頻段最為常見(jiàn)的應(yīng)用是車庫(kù)門(mén)開(kāi)啟裝置和車用無(wú)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)，從而使其為低吞吐量應(yīng)用所青睞，尤其是當(dāng)某個(gè)產(chǎn)品專為某一地理區(qū)位市場(chǎng)而開(kāi)發(fā)時(shí)更是如此。

低成本雖然發(fā)射器和接收器一般都必須采用專用元件來(lái)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(wú)源元件來(lái)制作。

合理的傳輸距離能夠進(jìn)行10米或者更長(zhǎng)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(zhǎng)。

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(lái)：

一個(gè)信道的可用帶寬是有限的。在大多數(shù)場(chǎng)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(wú)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(lái)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(duì)世界范圍內(nèi)的不同市場(chǎng)進(jìn)行專門(mén)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(méi)有針對(duì)工作于該頻段的設(shè)備的系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)人員因而往往不得不進(jìn)行自己的無(wú)線電設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，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)元件來(lái)設(shè)計(jì)其無(wú)線電發(fā)送器和接收器，而不能購(gòu)置一個(gè)集成化的無(wú)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(kāi)發(fā)過(guò)程既費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢(qián)、又充滿風(fēng)險(xiǎn)。

通常各主要世界市場(chǎng)都要求由一個(gè)不同的管理機(jī)構(gòu)來(lái)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)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)牙技術(shù)專業(yè)組SIG制定的用于無(wú)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(duì)多達(dá)8個(gè)連接成皮可網(wǎng)的設(shè)備以及多個(gè)連接成散射網(wǎng)的皮可網(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)牙技術(shù)專業(yè)組SIG定義了針對(duì)每一種使用模型的Bluetooth功能標(biāo)準(zhǔn)，從而使得來(lái)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(kāi)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(lái)自其他售主的設(shè)備進(jìn)行互操作的設(shè)備中逐漸普及，但對(duì)于許多消費(fèi)電子設(shè)備，而言利用它來(lái)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(lái)取代電纜連接的部分主要缺點(diǎn)如下：

巨大的協(xié)議開(kāi)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(jiǎn)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(duì)于大多數(shù)消費(fèi)電子設(shè)備而言，用它們來(lái)作為電纜替代方案要么局限性過(guò)大，要么成本過(guò)高而且復(fù)雜。正在開(kāi)發(fā)中的新型無(wú)線技術(shù)基于這樣的前提：即諸如鼠標(biāo)鍵盤(pán)和消費(fèi)電子設(shè)備等簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用并不需要采用復(fù)雜的聯(lián)網(wǎng)協(xié)議比如那些因處理開(kāi)銷和附加成本而使藍(lán)牙技術(shù)的優(yōu)勢(shì)有所喪失的協(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(guó)家的無(wú)線電頻率管理機(jī)構(gòu)進(jìn)行了合作以謀求消除國(guó)家之間在有關(guān)管制條例方面的差異，目前大多數(shù)國(guó)家都對(duì)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(wú)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)2.4GHz非聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用集成無(wú)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(kāi)發(fā)時(shí)間。

帶寬2.4GHz ISM頻段的寬度超過(guò)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(méi)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(wú)需采用重型協(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(wú)線電傳送時(shí)間，這直接影響到功耗并使設(shè)備具有較長(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)線功能時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間和成本。

WirelessUSB無(wú)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷的2.4GHz技術(shù)

由賽普拉斯半導(dǎo)體公司開(kāi)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(méi)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(guò)在載頻之間的不斷跳躍來(lái)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(guò)。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(duì)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)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(lái)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(lái)對(duì)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。 圖1給出了一個(gè)WirelessUSB 64片PN代碼實(shí)例

圖1DSSS數(shù)據(jù)糾錯(cuò)通過(guò)對(duì)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(lái)傳輸，WirelessUSB系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)誤差接收即使在高干擾級(jí)的頻率上亦不例外。

如果相關(guān)器的誤差閾值被超過(guò)，則接收數(shù)據(jù)位不被損壞；它被刪除數(shù)據(jù)損壞超過(guò)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(guò)對(duì)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(lái)傳輸，即可采用該校驗(yàn)和來(lái)對(duì)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(wú)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(zhǎng)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(wú)法對(duì)眾多的不合格分組進(jìn)行校正。在這種場(chǎng)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(wú)干擾信道以避免干擾。

PN代碼系統(tǒng)簡(jiǎn)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(guò)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(mén)針對(duì)低功耗器件進(jìn)行了優(yōu)化。只需少量的14字節(jié)分組即可建立一個(gè)連接。一旦連接完成，即沒(méi)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(pán)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(wú)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(kāi)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(kāi)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(wú)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)。

如圖2所示

圖2 WirelessUSB雙層PCB布局包括天線實(shí)例

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(wú)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，從而造就了采用輕型協(xié)議的集成無(wú)線電IC。這些非聯(lián)網(wǎng)2.4GHz技術(shù)是鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、游戲控制器、無(wú)線玩具和許多其他消費(fèi)電子設(shè)備的理想之選。

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