目前使用的短距離無線通信技術及標準主要有Bluetooth、WIFI、ZigBee、UWB、NRF24XX系列產品等。Nordic公司生產的單片集成射頻無線收發器NRF24XX系列芯片具有低功耗、支持多點通信、傳輸速率高、通信協議簡單、通信質量穩定可靠、軟件配置工作參數、需要的外圍元件少、易于開發等優點，應用該系列芯片實現短距離無線通信是一種具備較高性價比的解決方案。但是，由于這些產品都是工作在ISM頻段內，難免造成頻段的擁擠。為此，大多產品的通信協議都設計了擴頻技術以抗同頻段干擾。例如，藍牙采用了FHSS(快速跳頻擴頻技術)，W-LAN采用了DSSS(直接序列擴頻技術)等。NRF24XX系列收發芯片的射頻協議采用簡單、透明的窄帶信號直接發送，沒有進行擴頻處理，在實際應用中會遇到同頻干擾降低通信系統的通信質量。但NRF24XX系列芯片的工作頻段對用戶開放125個頻道，可以通過軟件算法實現跳頻，這也是一種簡單經濟的擴頻方法。本文提出了一種軟件自適應跳頻擴頻協議的設計方案，該方案充分利用nRF2401射頻芯片多頻點特性，使用軟件設計將125個間隔為1 MHz的頻道分成低、中、高三個頻段，在無線信道受阻或同頻干擾時，依據“低頻-中頻-高頻”的循環順序實現自適應跳頻。該軟件擴頻協議在工程機械儀表無線顯示系統樣機上進行了抗干擾實驗。結果表明，在通信雙方遇到同頻干擾時，射頻收發機可以自適應跳變到未受干擾的頻道，使得系統能夠繼續保持良好通信和可靠的數據傳輸。

1 nRF2401軟件擴頻協議的基本原理
    射頻收發芯片nRF2401工作于2.4 GHz的ISM頻段，內置頻率合成器等功能模塊，工作頻率等參數均通過軟件進行配置，不需要復雜的通信協議支持，能夠實現透明數據包無線傳輸。
    由于該芯片采用窄帶信號直接調制發送技術，未作任何頻譜上的擴展，使得該芯片在定頻通信時易受到同頻信號干擾。本文提出的軟件自適應跳頻擴頻協議是基于射頻收發芯片nRF2401，其自身具有多頻點特性和全軟件配置參數的優點，利用全軟件的設計方法達到了頻譜擴展目的。軟件跳頻協議的設計原理是，將nRF2401自身間隔為1 MHz的125個順序頻道劃分為低頻段(2 400 MHz～2 441 MHz)、中頻段(2 442 MHz～2 482 MHz)、高頻段(2 483 MHz～2 524 MHz)三個相同帶寬的子頻段，并從三個子頻段內各自選取某一頻道作為當前工作頻率，及上一跳頻率和下一跳頻率，且嚴格按照同一周期內不重復選頻和相鄰被選頻率不在同一子頻段內的原則，有效避免了頻率跳變時的誤跳，最終實現了無線通信系統抗同頻干擾的設計目標。
    系統進行無線通信時，該軟件協議先使得射頻收發機雙方用較少的時間尋找到一個有效的通信頻道，建立起握手信道，并保持在定頻通信模式中，在遇到同頻干擾的情況下，自適應地快速跳變到沒有干擾的頻道工作。
2 軟件擴頻協議的算法實現
2.1 跳頻頻點的選擇方法
    射頻收發芯片nRF2401的工作頻率范圍為2 400 MHz～2 524 MHz，具有125個頻道，間隔為1 MHz。將頻道劃分為低、中、高三個子頻段，頻道與子頻段頻率對應關系如表1所示。

    表2中，序號表示信道頻點跳頻表中的上一跳與下一跳頻道的編號，頻道表示該編號的頻點在射頻芯片自身125個頻道中的位置，頻率就是該位置頻道的工作頻率值。
2.2 信道建立的握手流程
    無線系統通信時，最重要的準備工作就是建立握手信道。系統信道建立的握手流程如圖1所示。其中，Fm表示以表2中跳頻序號為下標的頻點，即m∈01→35。為了排除信道握手時可能遇到的同頻干擾，射頻收發機在建立握手信道時按照表2的跳頻序列基進行循環跳變，以尋找到合適的通信頻道。握手協議設定，m的初值為01，在時鐘信號CLK有效的情況下，m達到35后自動復位為01。
    射頻發射機初始化后，以初始頻率Fm（m=01）進行廣播，發送一個Hello請求信號。在等待延時t1內，如果收到了接收機應答信號ACK，則標志寄存器DR1置高，認為收發機之間的握手成功；如果沒有收到ACK信號，則跳至下一頻點Fm+1繼續廣播。其中，設計發射機頻率跳變的等待延時t1滿足式（4）的約束條件：
    t1=T(T>3 ms且T<10 ms)          (4)
式中，T為發射機相鄰兩頻點間自適應跳頻的時間間隔。系統在每一次頻率跳變之后都要判斷建立握手信號的累加時延是否超時，如果系統設定的跳頻計時器時鐘有效（CLK=1），則發射機繼續跳頻廣播，直至收發機雙方握手成功；如果跳頻計時器時鐘無效（CLK=0），則發射機停止廣播，即收發機雙方的握手失敗。
    射頻接收機初始化后，以初始頻率Fm(m=01)進行監聽，在等待延時t2內，如果收到發射機的請求信號Hello，則向其發送一個ACK應答信號；如果沒有收到Hello請求信號，則跳至下一頻點Fm++繼續監聽。其中，設計接收機頻率跳變的等待延時t2滿足公式（5）的約束條件：
  
2.3 同頻干擾下的自適應跳變
    為了提高通信系統有效數據的傳輸效率，當系統握手成功后，收發雙方即默認此時的信道良好，此后，就保持定頻通信方式。然而，同頻干擾具有隨機性，因此，軟件設計既要保證系統有足夠的時間傳輸有效數據，又要及時識別出同頻干擾信道并實現自適應跳頻。
    自適應跳頻算法的設計思想是：系統將相關跳頻信息寫入握手信號幀Hello和ACK的協議中，如表3和表4所示。

    軟件協議在握手信號幀的結構中設置身份識別碼，身份識別碼的長度為5 B（40 bit），每個合法用戶均有一個唯一的身份識別碼。通過身份識別碼來區分有用信號和干擾信號，以決定收發雙方是繼續保持定頻通信，還是自適應跳變到凈頻點。在同頻干擾環境中，接收機通過身份識別功能區分出干擾信號的存在，然后發送一個請求重新握手信號給發射機，并屏蔽該干擾頻點，在凈頻點上重新建立一個新的握手信道。通信系統在同頻干擾情況下自適應跳變流程如圖2所示。
3 實驗結果分析與總結
    本文研究設計的基于nRF2401軟件的自適應跳頻協議在工程機械儀表無線顯示系統樣機平臺上進行了跳頻通信與跳頻抗干擾實驗，其中，射頻機收發雙方均按照表2中的跳頻序列基建立握手信道，m取值隨機。得到系統進行無線數據通信前射頻收發機采用跳頻方式成功建立握手信道的時間如表5所示。

    通過表5中數據可知，接收機接收到Hello數據幀的時間平均為3.88 s，而發射機接收到ACK應答信號幀的時間平均為30 s左右。
    射頻收發機握手成功后，進入正常定頻通信流程，在遇到同頻干擾后，迅速退出定頻模式，進入跳頻模式并屏蔽該干擾點，在凈頻點上重新建立一個握手信道，并再次進入正常定頻通信流程。無線數據通信中遇到同頻干擾時射頻收發機重新握手成功的時間如表6所示。

    表6中記錄數據表明，系統兩次定頻模式間隔時間大約在16 s以內，最短用時為2 s左右。
    本文設計的基于射頻收發芯片nRF2401的自適應跳頻軟件擴頻協議，在無線通信系統遇到同頻干擾時，能夠自適應快速跳變到沒有干擾的頻道，提高了系統的抗干擾能力和可靠性，也彌補了ISM頻段頻率資源緊張的缺陷，達到頻譜擴展的目的。該協議嚴格按照合理算法選頻，有效避免了頻率跳變時的誤跳，最終實現了無線通信系統抗同頻干擾的設計目標。隨著nRF2401芯片在短距離無線通信應用的普及頻譜資源日益緊張，采用軟件擴頻技術實現抗干擾通信將具有重要的實際意義。
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