【摘　要】　探討了影響智能無線抄表中通信可靠的因素并介紹了應(yīng)用nRF401單片無線收發(fā)芯片的通信協(xié)議的設(shè)計。
??? 關(guān)鍵詞：單片無線收發(fā)芯片nRF401，無線通信協(xié)議，無線抄表

　　nRF401單片無線收發(fā)芯片外圍元件少并可直接接單片機(jī)串口，為設(shè)計智能無線抄表等短距離無線數(shù)傳應(yīng)用產(chǎn)品提供了較好的解決辦法，在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，由于無線通信的特殊性，一些外部的因素會對數(shù)據(jù)的無線傳輸產(chǎn)生影響，因此需要采用有效的辦法來確保通信。為了有效地應(yīng)用無線通信，這里建立了一個無線數(shù)據(jù)傳送的通信信道模型，了解并討論外部因素對無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀治鲥e誤產(chǎn)生的原因與環(huán)節(jié)以及如何有效地傳輸數(shù)據(jù)，最后提供了一個可實際使用的無線通信協(xié)議。

1　通信信道模型及其分析
　　為了分析影響無線通信的因素，我們建立了一個無線通信信道模型。通信信道是指數(shù)據(jù)從發(fā)射到接收的一個完整通道。它包括產(chǎn)生數(shù)據(jù)源、編碼、發(fā)射、接收、解碼等，如圖1所示。

1．1　數(shù)據(jù)源
　　數(shù)據(jù)源是指數(shù)據(jù)產(chǎn)生的來源，在不同的應(yīng)用中數(shù)據(jù)的來源是不同的，它可能是一個溫度傳感器的A／D數(shù)據(jù)值，計算機(jī)里的一個文件，或者用戶輸入鍵盤里的一個按鍵。數(shù)據(jù)在這里發(fā)生錯誤的可能性較小，而且較易通過硬件或軟件的方式來發(fā)現(xiàn)。
1．2　數(shù)據(jù)編碼
　　數(shù)據(jù)編碼主要包括并行轉(zhuǎn)串行以及為了傳輸可靠而增加的編碼信息。nRF401需要的是串行數(shù)據(jù)格式，這通常是由單片機(jī)UART（通用異步傳輸）來完成的，有時也可通過軟件I／O模擬來完成。數(shù)據(jù)在此發(fā)生錯誤的可能性也不大，而且可跟蹤和發(fā)現(xiàn)。
1．3　數(shù)據(jù)發(fā)射
　　數(shù)據(jù)發(fā)射是通過單片無線收發(fā)芯片nRF401的發(fā)射功能來完成的。nRF401采用PLL頻率合成和FSK調(diào)制技術(shù)，本身的設(shè)計是可靠的，然而外部因素如不恰當(dāng)?shù)?a target="_blank">供電、PCB設(shè)計與布局不良、噪聲、不適當(dāng)?shù)恼{(diào)制電壓電平、不適當(dāng)?shù)?a target="_blank">天線負(fù)載，都能引起數(shù)據(jù)流的錯誤。解決的要點需要根據(jù)良好的射頻PCB設(shè)計、選用滿足要求的外圍元件，并注意供電（良好的電源濾波，盡量不用開關(guān)電源），通過綜合采用以上措施，可以減少數(shù)據(jù)流產(chǎn)生錯誤的因素，獲得較為理想的效果。
1．4　傳播路徑
　　傳播路徑是無線電波從發(fā)射到接收的路徑，傳播損耗將會直接影響通信的效果，數(shù)據(jù)錯誤最有可能在這個階段發(fā)生。因為頻帶內(nèi)的干擾或傳播路徑中RF信號的損耗降低了靈敏度，而且多徑和衰減也可能引起接收機(jī)接收錯誤的數(shù)據(jù)。傳播損耗包括自由空間損耗和其他損耗，其他主要的損耗包括：大氣、降雨、云、霧損耗；樹木遮擋損耗；建筑物等遮擋物的損耗；另外，突發(fā)性的干擾也會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的錯誤。下面以自由空間損耗為例對傳播進(jìn)行預(yù)測。
　　所謂自由空間傳播系指天線周圍為無限大真空時的電波傳播，它是理想傳播條件，自由空間傳播損耗與距離和工作頻率有關(guān)。下面的公式說明在自由空間下電波傳播的損耗：
　　〔Los〕（dB）＝32．44＋20lgd＋20lgf
式中，Los是傳播損耗，單位為dB；d是距離，單位是km；f是工作頻率，單位是MHz。
　　由上式可見，自由空間中電波傳播損耗（亦稱衰減）只與工作頻率f和傳播距離d有關(guān)，當(dāng)f或d增大一倍時，Los將分別增加6dB。
　　下面舉例說明工作頻率為433．92MHz，發(fā)射功率為＋10dBm（10mW），接收靈敏度為－105dBm的無線系統(tǒng)（基于nRF401）在自由空間的傳播距離：
　 （1）由發(fā)射功率＋10dBm，接收靈敏度為－105dBm，則Los＝115dB；
?? （2）由Los、f計算得出d＝9．7公里。
　　這是理想狀況下的傳輸距離，實際應(yīng)用中會低于該值，這是因為無線通信要受到各種外界因素的影響，如大氣、阻擋物、多徑等造成的損耗，將上述損耗的參考值計入上式中，即可計算出近似通信距離。假定大氣、遮擋等造成的損耗為25dB，可以計算得出通信距離為：d＝1．7公里。由此也可看出傳播損耗對數(shù)據(jù)傳輸可靠的影響是很大的。
1．5　數(shù)據(jù)接收
　　接收過程通過單片無線收發(fā)芯片nRF401的接收功能來完成。在沒有接收到信號時，nRF401會有隨機(jī)數(shù)據(jù)輸出，這是因為其靈敏度比較高。當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)射時，接收機(jī)的隨機(jī)數(shù)據(jù)輸出被抑制，這時輸出的是真正的數(shù)據(jù)。帶內(nèi)干擾和頻率下降可能引起接收機(jī)接收到錯誤數(shù)據(jù)。與數(shù)據(jù)發(fā)射情況一樣，合理的PCB設(shè)計與布局，良好的供電等將產(chǎn)生較好的效果。
1．6　數(shù)據(jù)解碼
　　從nRF401輸出的數(shù)據(jù)是串行數(shù)據(jù)，通常可由微控制器的UART來處理，或者用軟件方法來實現(xiàn)接收。數(shù)據(jù)在此過程出現(xiàn)錯誤的可能性很小的，且易被跟蹤。如果錯誤發(fā)生在這之前，能根據(jù)幀錯誤通過軟件發(fā)現(xiàn)。
1．7　數(shù)據(jù)解釋
　　數(shù)據(jù)解釋通常在軟件里實現(xiàn)，錯誤檢測和糾正也在這階段實現(xiàn)，數(shù)據(jù)錯誤在這階段發(fā)生的可能性不大，且易于跟蹤。
2　無線通信協(xié)議基本要求及設(shè)計
　　在對無線通信信道模型進(jìn)行分析，了解并討論外部因素對無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懞螅覀兛梢該?jù)此設(shè)計實用的無線通信協(xié)議。
2．1　起始碼和噪聲的識別
　　這是因為nRF401靈敏度比較高，由于nRF401的特性，在沒有接收到信號時，nRF401會有隨機(jī)數(shù)據(jù)輸出，所以協(xié)議的第一件事就是能夠識別噪聲和有效數(shù)據(jù)。噪聲是以隨機(jī)字節(jié)出現(xiàn)的，沒有明顯的方式。一個理想的噪聲源應(yīng)該能夠產(chǎn)生每一種可能字節(jié)信息的結(jié)合，噪聲的這種特性使得去找一種字節(jié)組合來作為有效包的開始相當(dāng)困難，但實際上，噪聲并不是理想的。經(jīng)測試和試驗，我們發(fā)現(xiàn)0xFF后跟0x00在噪聲中不容易發(fā)生，傳輸協(xié)議應(yīng)該在數(shù)據(jù)包前加開始字節(jié)0xFF后跟0。
　　發(fā)送協(xié)議的開始應(yīng)該是一個任意內(nèi)容的字節(jié)如0xAA（這是因為第一個字節(jié)的數(shù)據(jù)在發(fā)送時容易丟失），然后是0xFF后跟一0x00；接收協(xié)議規(guī)定只接收以0xFF后跟一00x00開始的包。
2．2　錯誤檢測
　　為了發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸可能發(fā)生的錯誤，需要對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行錯誤檢測。錯誤檢測可以這樣來實現(xiàn)：在發(fā)射之前先對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后將這種分析結(jié)果加到數(shù)據(jù)包中，稱為監(jiān)督位；在接收端比較附加在信息位后的監(jiān)督位，如果兩者不同，則包是錯誤的。錯誤檢測的方法有多種，奇偶校驗、和校驗以及CRC校驗等。
　　奇偶校驗、和校驗是較為常用及易于實現(xiàn)的方法，下面舉例說明奇偶校驗法。
　　例1：發(fā)射數(shù)據(jù)1 0 1 0 1 0 1 0，在其后加奇偶標(biāo)志位，此為偶標(biāo)志（1），則發(fā)送為1 0 1 0 1 0 1 0 1接收到0 0 1 0 1 0 1 0 1。將前8位奇偶校驗與1比較，不對，故接收錯誤。奇偶校驗容易實現(xiàn)，但卻是最不可靠的，因其只能發(fā)現(xiàn)奇數(shù)個錯誤。
　　另外一種形式的錯誤檢查是和校驗。和校驗是先將所有的數(shù)據(jù)字節(jié)相加，然后將結(jié)果截短到所需的位長并作為校驗子傳輸。下面以例2說明之。
??? 例2：
??? 4　　? 字節(jié)1
??? 109　　字節(jié)2
??? 65　　 字節(jié)3
??? 204　　字節(jié)4
??? 126　　8 bit校驗和
　　校驗和能夠檢測到比奇偶校驗更多的錯誤，但當(dāng)字節(jié)順序顛倒時，校驗和不能發(fā)現(xiàn)，因其不能發(fā)現(xiàn)次序錯誤。如果要求更高的可靠性，可采用CRC編碼，采用CCITT16檢錯編碼，理論上可對16位以下的突發(fā)或隨機(jī)錯誤完全檢出，具體原理和實現(xiàn)方式可以參考相關(guān)資料。
2．3　錯誤糾正
　　錯誤糾正的目的是在發(fā)送數(shù)據(jù)編碼時增加一些額外的信息，以檢測并糾正數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生的錯誤。前向糾錯的方法包括漢明碼、循環(huán)碼和卷積碼等。
　　一些復(fù)雜的算法雖然有很好的糾檢錯效果，但是對于許多初次接觸無線通信協(xié)議設(shè)計的人來說，可能需要很大的精力來了解相關(guān)的數(shù)學(xué)知識，因此，這里介紹一個采用重復(fù)碼來糾檢錯的算法，它適用于簡單實用的通信協(xié)議，編程也很容易實現(xiàn)，在采用nRF401設(shè)計的無線數(shù)傳系統(tǒng)中得到應(yīng)用。下面就是一種適合于許多無線數(shù)傳的前向錯誤糾正方法。數(shù)據(jù)在包中復(fù)制兩次（總共3份），在接收端，第一個拷貝進(jìn)行檢錯，如果有錯，剩下的兩個備份用來改正錯誤。
　　錯誤的糾正是通過比較三個備份數(shù)據(jù)中的每位，如果兩位或更多位是0，則正確的應(yīng)為0。如：
??? 0 0 0 0 1 0 1 1　　　copy 1（錯誤字節(jié)）
??? 1 0 1 0 1 0 1 0　　　copy 2
??? 1 0 1 1 1 0 1 0　　　copy 3
??? 1 0 1 0 1 0 1 0　　　已經(jīng)被糾正的字節(jié)
　　在實際應(yīng)用中可以根據(jù)需要選用三重判決或者五重判決。
3　無線通信協(xié)議設(shè)計的基本要求
　　根據(jù)對無線信道模型的分析，我們可以了解到無線通信協(xié)議有以下幾個基本要求：
　　·最小的開銷：無線傳輸過程中受到噪聲或干擾等的影響，會出現(xiàn)誤碼，為此，在傳送時要對數(shù)據(jù)進(jìn)行各種糾檢錯編碼。不同的編碼方式具有不同的糾檢錯能力，有的編碼只能檢錯不能糾錯，一般來說，監(jiān)督位碼元所占的比例越大，糾檢錯能力越強(qiáng)。糾錯編碼是以降低信息傳輸速率為代價來提高傳輸?shù)目煽啃缘模虼耍黾有畔⒌臄?shù)量必須是所需信息中最少的，以保證編碼的效率。
　　·可靠性：一個無線通信協(xié)議應(yīng)該能夠有效檢出并糾正數(shù)據(jù)的錯誤。
　　·優(yōu)化的無線功能：一個無線通信協(xié)議應(yīng)該使設(shè)備以一種能充分利用發(fā)射和接收機(jī)特性的優(yōu)化方式工作。

1　王幕坤，劉文貴．通信原理．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1995
2　劉富全．糾錯編碼及應(yīng)用．哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1993