替代電纜的解決方案
在設備之間實現無線通信是許多消費產品開發人員由來已久的夢想然而長期以來無線電頻譜資源一直是各國政府的管制對象對其使用有著種種限制目的是防止來自不同信號源的RF信號相互干擾在大多數國家里大部分無線電頻譜是為廣播電視軍事應急服務以及近期迅速普及的移動電話之用而保留的
正是因為認識到了短距離低帶寬數據通信在許多工業科學和醫學ISM應用中所具有的價值一直以來各國政府都把少量的RF頻譜留待無需申領許可的應用之用在這些頻譜內產品的最終用戶不必向其政府或某一管理機構申請特殊的許可便能使用各種設備隨著20世紀末消費類電子產品的飛速發展消費型應用也開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射功率的極限值占空因數或可以傳輸的數據類型等方面各國政府之間幾乎沒有相互協調的傳統這就造成了世界范圍內相關管制條例的混亂不同的管轄范圍允許以不同的方式或為了不同的目的來使用該頻譜的不同頻段本文將首先對433MHz ISM頻段Bluetooth 2.4GHz協議和新型非聯網2.4GHz協議做
一番仔細的分析然后以WirelessUSB LS為例來闡明將非聯網2.4GHz協議用于取代消費電子設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政府指派用于ISM和消費型應用其中27MHz和433MHz附近的頻段最為常用這些頻段雖然可在某些應用中使用但也有不少缺點在不同的國家中433MHz和435MHz之間的RF頻譜的不同部分被分配給了無需申請頻譜使用許可的應用有些國家將最大發射功率限制為1mW另一些國家則將其限制為10mW有些場合對發射機的最大占空因數有所限制而另外一些場合則沒有在許多情況下某些類型的數據是不允許傳輸的例如歐洲的某些地區就限制或禁止采用這些頻率來傳輸音頻數據
盡管相關的管制條例在世界范圍內存在著一定的差異但是消費電子產品制造商還是找到了利用該頻譜來為其客戶提供超值功能的方法433MHz頻段最為常見的應用是車庫門開啟裝置和車用無鑰匙型進入系統但它也在為數眾多的其他應用中得到了廣泛的使用
433MHz頻段具有許多特點從而使其為低吞吐量應用所青睞尤其是當某個產品專為某一地理區位市場而開發時更是如此
低成本雖然發射器和接收器一般都必須采用專用元件來設計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IC而且發送器往往可以采用分立晶體管和無源元件來制作
合理的傳輸距離能夠進行10米或者更長距離的可靠數據傳輸而且如果把帶寬/吞吐量降低則傳輸距離還可以延長
然而當電子產品的復雜性隨著用戶期望值的升高而增加時433MHz頻段的一些不足之處便逐漸凸顯出來
一個信道的可用帶寬是有限的在大多數場合中成本效益型的解決方案都將帶寬限制在10kbps或更低
可用頻譜較窄嚴重制約了可用信道的數量即使是在每個信道均采用遠遠小于最大允許值的頻譜寬度時也無濟于事這就限制了能夠在相同的一般區域內同時工作的設備的數量
從制造商的角度來看其缺陷還不止這些
缺乏全球性標準意味著同一產品的不同變型往往不得不針對世界范圍內的不同市場進行專門的制造這些變型產品可能采用了稍有不同的頻率或者具有一個不同的RF輸出功率
由于幾乎沒有針對工作于該頻段的設備的系統級標準開發人員因而往往不得不進行自己的無線電設計一般來說他們必須首先選擇調制方案和協議等隨后采用通用的標準元件來設計其無線電發送器和接收器而不能購置一個集成化的無線電IC并采用一個標準協議這使得新產品的開發過程既費時費錢又充滿風險
通常各主要世界市場都要求由一個不同的管理機構來對產品進行測試和/或認證這也會耗費大量的時間而且代價高昂
Bluetooth藍牙技術
Bluetooth是一項由藍牙技術專業組SIG制定的用于無線個人區域網絡WPAN的新標準Bluetooth是一種采用2.4GHz ISM頻段的跳頻協議Bluetooth可對多達8個連接成皮可網的設備以及多個連接成散射網的皮可網提供支持許多PDA和蜂窩電話制造商由于以下原因而在其設備中采用了藍牙技術
系統標準藍牙技術專業組SIG定義了針對每一種使用模型的Bluetooth功能標準從而使得來自不同制造商的藍牙設備能夠具有互操作性
帶寬藍牙技術的最大數據速率為723kbps遠遠高于433MHz ISM頻段中所能提供的數據速率
成本昂貴由于所需的微處理器和協議使用許可方面的開支藍牙解決方案的定價通常在5美元以上
保密性藍牙技術具有內置授權和鑒權算法以及一種基本的加密算法
雖然藍牙技術已經在那些必須與來自其他售主的設備進行互操作的設備中逐漸普及但對于許多消費電子設備而言利用它來作為電纜的替代方案在成本和功耗指標方面還很難令人滿意采用藍牙技術來取代電纜連接的部分主要缺點如下
巨大的協議開銷每種藍牙設備都包含多個協議層即便是一個簡單的藍牙鼠標也至少包含4個協議層
功耗由于藍牙技術以及連續的網絡流量需要使用較大的微處理器因此藍牙設備的電池使用壽命常常只有3個月或更短
2.4GHz非聯網解決方案
雖然433MHz系統和藍牙技術能夠滿足諸多應用的需要但是對于大多數消費電子設備而言用它們來作為電纜替代方案要么局限性過大要么成本過高而且復雜正在開發中的新型無線技術基于這樣的前提即諸如鼠標鍵盤和消費電子設備等簡單的點對點" title="點對點">點對點應用并不需要采用復雜的聯網協議比如那些因處理開銷和附加成
本而使藍牙技術的優勢有所喪失的協議
與采用433MHz ISM頻段的技術相比采用2.4GHz ISM頻段的技術具有以下優點
標準的管制條例由于802.11和藍牙技術支持者的努力他們與許多國家的無線電頻率管理機構進行了合作以謀求消除國家之間在有關管制條例方面的差異目前大多數國家都對2.4GHz ISM頻段有著相似的管制條例這使得采用2.4GHz技術的產品無需改變頻率或發射功率便可在世界范圍內銷售
系統級標準2.4GHz非聯網技術采用集成無線電IC和標準協議從而大幅度地縮短了將這些技術集成到器件設計中所需的開發時間
帶寬2.4GHz ISM頻段的寬度超過83MHz遠遠寬于433MHz ISM頻段這使得可以有更多的設備共享這一頻段且彼此之間沒有干擾
與藍牙等重型聯網協議相比非聯網技術還具有一些至關重要的優點首先便是成本非聯網技術無需采用重型協議棧這使得它們能夠采用更小更廉價的微處理器另一個優點是功耗較輕的協議加上強健的糾錯能力有助于減少無線電傳送時間這直接影響到功耗并使設備具有較長的電池使用壽命
這些優點表明2.4GHz非聯網技術將433MHz解決方案的低成本與藍牙技術的長處結合在了一起旨在實現健壯輕型技術以顯著地減少在給消費電子設備增添無線功能時所花費的時間和成本
WirelessUSB無網絡開銷的2.4GHz技術
由賽普拉斯半導體公司開發的WirelessUSB是非聯網2.4GHz技術的一個范例與藍牙技術相似WirelessUSB將2.4GHz ISM頻段劃分為78個1MHz信道但它并沒有像藍牙技術那樣采用跳頻擴頻FHSSFHSS系統希望通過在載頻之間的不斷跳躍來確保傳輸數據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據仍將正常通過而WirelessUSB只采用了一個信道和直接序列擴頻DSSS調制方案以避免干擾
在使用一個信道之前WirelessUSB設備檢查該信道上的其他流量另外還對信號強度進行測量以確定噪聲層如果有另一個WirelessUSB或2.4GHz設備正在使用該信道則該設備將轉移至另一個信道以實現與這些設備的共存
DSSS系統增加了工作范圍并降低了誤碼率此類系統將每個數據位作為一個偽噪聲PN代碼來傳輸PN代碼的每個碼元被稱為片chip當存在干擾或靠近工作范圍的極限值處時接收到的傳輸PN代碼往往會有一些片被損壞DSSS接收器采用數據相關器來對輸入數據流進行解碼如果片誤差的數量低于相關器的誤差閾值則數據將被正確接收圖1給出了一個WirelessUSB 64片PN代碼實例
圖1DSSS數據糾錯通過對每個數據字節進行異或操作并將合成校驗和作為每個分組的最終字節來傳輸WirelessUSB系統實現了數據的無誤差接收即使在高干擾級的頻率上亦不例外
如果相關器的誤差閾值被超過則接收數據位不被損壞它被刪除數據損壞超過數據刪除的概率可以忽略不計糾正刪除要比糾正誤差容易得多通過對每個數據字節進行異或操作并將合成校驗和作為每個分組的最終字節來傳輸即可采用該校驗和來對一個接收分組的每個碼位位置中的一個誤差進行校正
因此即使是在那些遭受了會引發10%以上的片誤差率的干擾的頻率上WirelessUSB系統也能夠成功地接收無誤差數據這使得WirelessUSB通常具有抗干擾能力并有望實現50米或更長的工作距離 由于2.4GHz ISM頻段得到了如此廣泛的應用因此很有可能遇到干擾特別嚴重的情況即便采用了上述的強大糾錯功能也無法對眾多的不合格分組進行校正在這種場合WirelessUSB協議能夠使發送器和接收器自動切換至一個無干擾信道以避免干擾
PN代碼系統簡化了多用戶的并置在該情形下多個WirelessUSB系統可使用同一個信道前提是它們采用不同的PN代碼且相鄰系統距接收器的距離至少為其距本地系統中的設備的三倍通過將2.4GHz ISM頻段劃分成80個獨立的信道并允許相鄰系統進行信道重用可以把許多WirelessUSB系統布設在同一區域內從而使該技術能夠在教室或辦公室環境中得到推廣應用
最后WirelessUSB協議專門針對低功耗器件進行了優化只需少量的14字節分組即可建立一個連接一旦連接完成即沒有信標分組或其他不必要的流量每個應用數據分組包含一個一字節信頭和用于糾錯的一字節校驗和該協議健全且足夠輕使得一個WirelessUSB鍵盤能夠在采用三節AA電池的情況下連續工作達一年之久采用該技術的芯片訂價在2美元以下批量購買時
一個用于該設計的無線電部分的雙層PCB布局實例包括PCB印制線天線被作為WirelessUSB開發套件的一部分提供給用戶它免除了進行復雜的RF電路布局和天線設計的需要當采用PCB印制線天線時開發人員不需要具備2.4GHz天線設計方面的知識WirelessUSB IC僅需的外部元件是若干去耦電容器一個四元件無源天線匹配網絡和一個廉價的13MHz50ppm晶體該設計方法使得能夠將整個RF PCB包括天線和IC放入一個面積僅1平方英寸左右的區域內如圖2所示
圖2 WirelessUSB雙層PCB布局包括天線實例
結論
433MHz和藍牙技術雖然適合于某些應用但并非低成本無線設備的理想選擇新型非聯網2.4GHz技術集433MHz與藍牙技術兩者的優點于一身從而造就了采用輕型協議的集成無線電IC這些非聯網2.4GHz技術是鼠標鍵盤游戲控制器無線玩具和許多其他消費電子設備的理想之選