近距無線設備協(xié)議設計的綜合考慮
來源：與非網(wǎng)
摘要： 隨著短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術的成熟,，功能簡單,、攜帶方便的嵌入式無線產(chǎn)品得到廣泛應用，對于（中國）設計工程師來說,，怎樣設計無線傳輸協(xié)議已經(jīng)成為設計過程面臨的一個挑戰(zhàn),。本文從擴頻技術,、頻譜管理、協(xié)議層設計,、差錯處理,、鏈接范圍等方面探討了設計協(xié)議過程中需要綜合考慮的問題,。
Abstract：
Key words :
隨著短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術的成熟，功能簡單,、攜帶方便的嵌入式無線產(chǎn)品得到廣泛應用,，對于（中國）設計工程師來說，怎樣設計無線傳輸協(xié)議已經(jīng)成為設計過程面臨的一個挑戰(zhàn),。本文從擴頻技術,、頻譜管理、協(xié)議層設計,、差錯處理,、鏈接范圍等方面探討了設計協(xié)議過程中需要綜合考慮的問題。
短程無線設備（SRD）在較小的物理區(qū)域內(nèi)通信,，數(shù)據(jù)率和工作電流均低于大型產(chǎn)品,，并且功能也相對簡單，它被廣泛應用于車門遙控開關系統(tǒng),、簡單家用自動化設備和無線游戲控制器,。
與SRD系統(tǒng)相比，高端系統(tǒng)可采用先進和復雜的協(xié)議棧實現(xiàn),。這些軟件協(xié)議?？蓮牡谌焦藤徺I或嵌入硬件。而設計SRD時,，嵌入式開發(fā)人員通?？稍O計小型定制協(xié)議并直接對硬件進行訪問，SRD的協(xié)議棧通常比較簡單,，本文介紹適用于短程無線設備的協(xié)議設計策略。
一般來說,，射頻鏈路與有線連接在諸多重要環(huán)節(jié)上完全不同：1. 射頻鏈路是通過相同的傳輸媒介空氣來傳播無線電信號,；2.
誤碼率比常規(guī)有線系統(tǒng)高幾個數(shù)量級。由于存在上述差異,，RF鏈路的可靠性比有線鏈路低,。為了建立可靠的無線通信鏈路，可以采用TDMA和FDMA技術,。
誤碼率比常規(guī)有線系統(tǒng)高幾個數(shù)量級。由于存在上述差異,，RF鏈路的可靠性比有線鏈路低,。為了建立可靠的無線通信鏈路，可以采用TDMA和FDMA技術,。
時分多址（TDMA）技術可使不同的設備在不同的時刻“同時”占用同一段頻譜,，這通常可以通過為不同的發(fā)送器分配特定的時隙和編碼加以實現(xiàn),。圖1顯示了可被兩個設備在一段時間內(nèi)共享的帶寬,。
基本時間分片的機制之一是載波偵聽多址（CSMA）技術。CSMA不分配固定的時隙,，而其基本原理同人與人之間的禮貌交談并無二致：在試圖插嘴之前,，必須等待同伴停止說話,。正常的CSMA設備可實現(xiàn)某種形式的發(fā)送前偵聽（listen-before-transmit）功能，這樣當另一設備正使用信道時,，CSMA設備必須等待,。當然，如果兩個或更多發(fā)送器同時捕獲了公共信道,，將有可能產(chǎn)生沖突,。
頻分多址（FDMA）技術將可用的頻率帶寬拆分為具有較窄帶寬的子信道，如圖2所示,。這樣每個子信道均獨立于其它子信道,，從而可被分配給單個發(fā)送器。其缺陷是子信道之間必須間隔一定距離以防止干擾,，頻帶利用率不高,。
FDMA的最大問題在于較窄的信道限制了數(shù)據(jù)傳送的速率。窄信道還需要更好的無線濾波,，這進一步增加了系統(tǒng)成本,。同樣，信道間還可能存在潛在的噪聲,，因為較強的帶外（out-of-band）噪聲可能干擾我們希望接收的微弱信號,。
一、擴頻技術
在跳頻技術中,，發(fā)送器從一個子信道“快步”跳躍至另一子信道,。該技術最早被美國軍方采用，后來的事實表明擴頻技術也同樣適用于民用系統(tǒng),。擴頻技術具有兩大優(yōu)勢：
1.擴頻系統(tǒng)比其它傳統(tǒng)系統(tǒng)更抗干擾,；
2.擴頻技術可用來提供多種接入功能。
2.擴頻技術可用來提供多種接入功能。
目前主要的兩種擴頻技術是跳頻（FHSS）和直接序列擴頻（DSSS）技術,。這兩種技術均以自己的方式支持多種接入方式,。對于FHSS，每個發(fā)送器均可使用不同的跳頻序列,，這樣即可同其它的發(fā)送器共享相同的帶寬（如圖3所示）,。FHSS的優(yōu)點是頻率順序可以自適應，從而防止較強的干擾,。
DSSS系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)信號與擴頻碼的異或（XOR）運算獲得信號能量擴展,。系統(tǒng)可采用幾種不同的擴頻碼支持多路接入，這就是碼分多址（CDMA）技術,。為使直接序列多路接入機制正常工作,，所有發(fā)送器的功率電平均應保持一致，否則弱信號將被強信號阻塞。圖4顯示了這一機制,。兩路DSSS信號在相同的頻帶上發(fā)送,，接收器通過信號處理即可利用已知的擴頻碼析取發(fā)送器傳來的數(shù)據(jù)。
應用中采用何種無線技術取決于多種因素,。當然,，TDMA和FDMA比擴頻更容易實現(xiàn)，因此如果可能,，您將會很樂意采用其中一種方法,。
如果設備不需要頻繁傳送信號，那么TDMA自然就是最佳選擇,，因為傳送越少意味著沖突越少,。此外，無線電管理當局可以通過限制允許傳送的占空比來要求TDMA工作于特定波段,。
另一方面,，如果希望每個發(fā)送器都具有連續(xù)的通信信道，那么FDMA就是最佳選擇,。
當許多設備必須以特殊方式進行通信或當接口電平較高時,，擴頻技術就顯得尤為有效。DSSS必須以硬件方式實現(xiàn)才最為有效,，而FHSS則可用軟件實現(xiàn),，具體取決于采用的跳頻率。如果采用直接序列,，那么對于軟件開發(fā)人員則完全透明,。需要注意的是，擴頻技術依賴于可供充分利用的帶寬,，因此并不適用于所有無線頻帶,。
添加發(fā)送前偵聽功能并非難事或需要大量工作，而且可以避免干擾工作于相同頻率范圍內(nèi)的其它RF系統(tǒng),。此外,，當產(chǎn)品與其它RF設備協(xié)同工作時，用戶還能避免大量干擾問題,。
二、無線電頻率管理
無線電管理機構可管理RF帶寬的使用,，最基本的規(guī)則是無線發(fā)送器的使用需要獲得許可,。然而，管理部門也規(guī)定某些頻帶不需許可,，以滿足不同的需要,。這些頻帶通常包括工業(yè)、科研和醫(yī)用（ISM）頻帶。
各個國家的無線電管理不盡相同,。在美國,，F(xiàn)CC （www.fcc.gov）管理無線電頻譜的分配?？捎玫墓差l帶包括：27MHz,、260MHz至470MHz、902MHz至928MHz和最常用的2.4GHz頻帶,。260MHz至470MHz頻帶對數(shù)據(jù)傳送的類型有所限制,，而其它頻帶則沒有這樣的限制。
在歐洲,，大多數(shù)國家簽署了協(xié)調(diào)無線電頻譜管理的協(xié)議,。歐洲電信標準協(xié)會（www.etsi.org）提供無線標準信息，而歐州郵電和遠程通信會議（CEPT）則為頻率使用提供推薦（www.ero.dk）,。然而,，各個國家之間還是存在一些差異?？捎玫墓差l帶包括：27MHz,,、433MHz、868MHz和2.4GHz,。433MHz和868MHz頻帶則拆分為具有不同RF功率和占空比限制的子頻帶,。
韓國和日本的法規(guī)比較相似，都對無線協(xié)議提出了更多的需求,。在大多數(shù)可用帶寬中,，都必須使用發(fā)送前偵聽功能。兩個國家還規(guī)定了最大傳送次數(shù)和最小靜默時間,?？捎玫念l帶位于400MHz、1.1GHz和2.4GHz附近,。
其余國家則無硬性規(guī)定和規(guī)則,。在開展業(yè)務之前，必須首先聯(lián)系當?shù)毓芾聿块T,，以便清晰地了解當?shù)氐臒o線電頻譜管理規(guī)則,。FCC在以下網(wǎng)址中給出了管理部門的詳細列表：www.fcc.gov/mb/audio/bickel/world-govt-telecom.html。
許多不同的生產(chǎn)商可為每種不同的頻帶提供收發(fā)器IC,。大多數(shù)芯片均只支持一種頻帶,，但也有一些產(chǎn)品支持所有的頻帶，如在一塊芯片中支持300MHz和1GHz,。
無線電管理主要影響硬件開發(fā)人員,，但軟件開發(fā)人員也必須牢記占空比和使用限制,。
頻帶選擇取決于以下幾個因素。使用限制規(guī)定了哪些頻帶可用于特定應用,；最大通信范圍也取決于頻率,，一般而言，通信范圍將隨頻率的增高而減小,。更高的頻率也需要比較低頻率更高的數(shù)據(jù)率（因為可用帶寬也更大）,。當然，還必須考慮功能滿足應用需要的收發(fā)器的可用性,。
三,、協(xié)議層的設計
討論通信協(xié)議時，不可避免地要討論協(xié)議層問題,，協(xié)議層構成了協(xié)議棧,。像采用多少層協(xié)議棧以及協(xié)議層如何命名這樣的問題取決于被討論的對象。本文采用開放式系統(tǒng)互連（OSI）模型,，其最上層或多或少獨立于傳輸媒介,，本文只關注最底層及其在無線系統(tǒng)中的實現(xiàn)方法。
?。ㄒ唬┪锢韺?/div>
四,、差錯處理
協(xié)議棧的最底層稱為物理層,，該層負責對傳輸媒介進行物理存取。在SRD中,，物理層負責同RF收發(fā)器進行通信,。芯片與芯片之間的數(shù)字接口差異很大，但我們?nèi)匀豢梢詺w納出一些共性,?？捎玫男酒灿腥悾喊l(fā)送器、接收器和收發(fā)器（既作為發(fā)送器也作為接收器）,。為了便于下述討論,，這里將這三類芯片統(tǒng)稱為收發(fā)器。
所有的收發(fā)器通常都帶有串行數(shù)據(jù)接口,。簡單的設備不提供時鐘,，因此微控制器必須處理時序問題。更復雜的設備則可提供時鐘再生功能,，因此數(shù)據(jù)接口類似于微控制器的任何其它同步串行接口,。數(shù)據(jù)形式也各有不同；某些收發(fā)器需要支持曼徹斯特（Manchester）編碼（具有恒定直流電平且總保持每位至少一次轉換的自同步代碼）的數(shù)據(jù),，而其余一些收發(fā)器則接收標準不歸零（NRZ）格式的數(shù)據(jù),。
所有的收發(fā)器通常都帶有串行數(shù)據(jù)接口,。簡單的設備不提供時鐘,，因此微控制器必須處理時序問題。更復雜的設備則可提供時鐘再生功能,，因此數(shù)據(jù)接口類似于微控制器的任何其它同步串行接口,。數(shù)據(jù)形式也各有不同；某些收發(fā)器需要支持曼徹斯特（Manchester）編碼（具有恒定直流電平且總保持每位至少一次轉換的自同步代碼）的數(shù)據(jù),，而其余一些收發(fā)器則接收標準不歸零（NRZ）格式的數(shù)據(jù),。
接收數(shù)據(jù)時，RF數(shù)據(jù)解調(diào)后傳送給微控制器,。某些收發(fā)器只提供來自解調(diào)器的原始數(shù)據(jù)，為了進行可靠的操作，該數(shù)據(jù)必須經(jīng)過多次采樣,，因為位流中可能存在毛刺和噪聲,。由于過采樣將檢測信號轉換，因此可提供位級同步,。對其它采用硬件實現(xiàn)的收發(fā)器過采樣,，則不需要在信號的位中間進行采樣。
如果采用較高的位速率,，軟件編程的最大挑戰(zhàn)在于確保微控制器與輸入數(shù)據(jù)之間的同步,。大多數(shù)支持較高位速率的收發(fā)器可連接到標準的同步串行接口。
多信道收發(fā)器通常具有可編程功能,，可通過串行接口選擇頻率和其它參數(shù),。簡易設備則可提供能在接收端和發(fā)送端之間選擇引腳的并行接口并使設備進入省電模式。
芯片與芯片之間的輔助特性相差很大,。接收器的一項實用功能就是接收信號強度指示器（RSSI）,，可用來實現(xiàn)發(fā)送前偵聽功能并確定RF鏈路質量。
?。ǘ?shù)據(jù)鏈路層
數(shù)據(jù)鏈路層在協(xié)議棧中位于物理層之上,，負責差錯處理和鏈路控制。RF鏈路通常工作于半雙工模式,，但通過在接收和發(fā)送之間迅速切換,，即可模擬全雙工鏈路。本文隨后還將詳細討論差錯處理,。
?。ㄈ┚W(wǎng)絡層
協(xié)議設計最重要的因素是系統(tǒng)拓撲結構。點到點鏈路的協(xié)議實現(xiàn)完全不同于那些相互之間需要通信的聯(lián)網(wǎng)設備,。
元器件數(shù)目對采用的協(xié)議至關重要,。采用具有中央主機的網(wǎng)絡還是對等網(wǎng)？這些問題可利用協(xié)議棧的網(wǎng)絡層加以解決,，多址策略也在這一層起作用,。
幸而，大多數(shù)問題與有線鏈路并無二致,。例如,，以太網(wǎng)也采用了共享媒介，而一般的網(wǎng)絡文獻中也詳細描述了有效的網(wǎng)絡層協(xié)議和技術,。
有線網(wǎng)絡（遠程光纖連接除外）中通常無須考慮采用中繼器,。轉發(fā)器可確保RF設備在無線網(wǎng)絡中的正常通信，而且設備本身通常也可作為中繼器,。添加中繼器能在復雜室內(nèi)環(huán)境中確?？煽總鬏?，以消除受多徑干擾嚴重影響的區(qū)域。
四,、差錯處理
如前所述,，RF鏈路環(huán)境下的誤碼率通常遠高于有線鏈路，因此無線協(xié)議必須能進行差錯處理,。此外,，還必須采用差錯檢測和糾錯技術實現(xiàn)容許的誤碼率。
更為重要的是,，軟件必須具有防止誤碼的能力或糾錯的功能,。沒有收到數(shù)據(jù)時，無線接收器將輸出噪聲,。通?？衫密浖⒂行?shù)據(jù)從噪聲中分離。在RF領域,，這稱為靜噪功能,。
數(shù)據(jù)包起始部分是一串被稱為前同步碼的1、0交替序列,，前同步碼是無線接收器與輸入數(shù)據(jù)同步所必需的,，收到前同步碼就表明有人希望同設備進行通信。
為了檢測前同步碼的結束和數(shù)據(jù)的起始,，可采用同步字,。同步字由與前同步碼形成對比的固定位圖組成，而且還可以過濾掉誤碼的數(shù)據(jù)包,。如果沒有正確地接收同步字,，軟件將重新搜索有效的前同步碼。
收到同步字后,，典型的數(shù)據(jù)包將包含報頭信息,，如源地址、目的地址,、數(shù)據(jù)長度等,，之后才是有效的數(shù)據(jù)載荷。
許多應用系統(tǒng)不允許RF鏈路中存在原始誤碼率,，降低差錯數(shù)目的第一步是采用誤碼檢測技術,。誤碼檢測的方法很多，但最常用的方法是以循環(huán)冗余校驗（CRC）的形式添加數(shù)據(jù)校驗和,。CRC可提供遠比原始方法（如奇偶校驗）卓越的誤碼檢測功能,。根據(jù)應用的不同，檢測到的差錯可通過忽略誤碼數(shù)據(jù)或請求重傳進行處理,。
當采用RF鏈路時,，必須意識到數(shù)據(jù)包可能丟失,。干擾可混淆有效數(shù)據(jù)包，而處理該問題的簡單方法則是采用數(shù)據(jù)包計數(shù)器,。數(shù)據(jù)包可包含隨發(fā)送消息數(shù)目增加而不斷增加的計數(shù)器域,，這樣當數(shù)據(jù)包丟失時，接收器就能檢測到并采取適當?shù)拇胧?/div>
五,、鏈接范圍
六,、結論
更復雜的差錯處理方法是采用前向糾錯（FEC）技術,，這就必須在數(shù)據(jù)包中添加冗余數(shù)據(jù)。在此基礎上,，接收器可析取無誤碼數(shù)據(jù),，即便數(shù)據(jù)包中存在誤碼。當然,，所能承受的誤碼率也有限制,。誤碼通常以脈沖信號的形式存在，因此幾個連續(xù)位可能出現(xiàn)錯位,。這樣,，在編碼之后糾錯將需要對數(shù)據(jù)進行交織處理，以消除脈沖誤碼,。當同F(xiàn)HSS一起使用時,，該技術尤為有效。只要數(shù)據(jù)交織和糾錯充分,，接收器就能接收數(shù)據(jù),，即便干擾阻塞了某些頻率。復雜的系統(tǒng)甚至可利用自適應跳頻技術完全避免頻率阻塞,。
在非相干FSK解調(diào)器中,，誤碼隨信噪比變化的規(guī)律。信噪比由接收器密度和接收信號的強度決定,。圖5還顯示了誤碼率隨信號強度變化的規(guī)律,。例如，10-2與10-3之間的差異對應于2dB,。在實際中,，如果能將糾錯能力從10<sub/>-2提升至10< sub/>-3（假定應用中所需的誤碼率為10< sub/>-3），這意味著必須具有30％的裕量,。
五,、鏈接范圍
實際鏈路范圍是RF鏈路中最重要的參數(shù)。雖然硬件決定了管理鏈路范圍的大多數(shù)參數(shù),，但軟件也同樣重要,。只需簡單地編寫對輸入數(shù)據(jù)進行過濾的軟件即可將無線系統(tǒng)的范圍擴大4倍并改進時序精確度。如果硬件不對輸入數(shù)據(jù)進行過采樣和濾波,，就需要采用軟件實現(xiàn),。良好的誤碼處理也可以改進系統(tǒng)的實際應用范圍,。
誤碼率是無線接收器所接收信號強度的函數(shù)，而信號強度則部分由接收器和發(fā)送器之間的距離決定,。RF設計人員可采用鏈路預算方法來計算損耗及接收器剩下的信號強度,。與其它傳輸媒介相比，RF系統(tǒng)的損耗較高,。對于短程鏈路,，發(fā)送器和接收器之間的總損耗通常介于50dB至120dB之間。
干擾通常會降低鏈路的范圍,，只有非常強的干擾才會導致RF鏈路完全失效,。盡快對無線產(chǎn)品進行一些現(xiàn)場測試無疑非常必要，因為通過測試產(chǎn)品在不同環(huán)境下的行為即可考察實際干擾下的鏈路性能,。
六,、結論
無線系統(tǒng)設計完全不同于有線系統(tǒng)設計，不要期望原始的RF鏈路對任何應用都完全可靠,，協(xié)議需要采取措施以將誤碼率降至可接受的程度,。很多不太了解RF設計的人都對原始RF的誤碼性能具有一些不切實際的幻想，請記住即便是有線通信系統(tǒng)通常也需要采用差錯控制和處理措施,。
有了良好的軟件和硬件設施,，系統(tǒng)將比較可靠，而用戶自然也樂在其中,。在編寫采用RF鏈路的嵌入式系統(tǒng)軟件中,，大部分工作將用于保障系統(tǒng)的可靠性。即便系統(tǒng)在實驗室能可靠工作,，但現(xiàn)場仍然可能失效,，例如系統(tǒng)遭受其它采用相同頻譜的RF設備的干擾。避免這類問題的最佳途徑是增強系統(tǒng)的容錯和干擾處理能力并在實際環(huán)境中進行現(xiàn)場測試,。一般而言,，盡量預測出可能出現(xiàn)的誤碼，就能使代碼具有較強的魯棒性,。
此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),，未經(jīng)授權禁止轉載。