如何避免2.4G-频段各种无线设备的干扰

随着越来越多的公司生产使用2.4GHz频段的产品，设计人员必须处理来自其他

信源的更多信号。管理免许可频段的规定表明，您的设备必须考虑干扰问题。

设计人员如何使处于这种苛刻条件下的2.4GHz解决方案获得最大性能呢？产品往往在受控的实验室环境下工作得很好，但在现场却会由于受到其它2.4GHz解决方案的影响而使性能显著下降。目前2.4GHz频段下存在Wi-Fi、蓝牙和ZigBee等不同标准，绝大多数产品是以标准制定者所提供的方法来实现，不过，通过控制协议，设计人员能通过一定的措施将其他信号源的干扰问题降至最低。

在本文中，我们将探讨2.4GHz无线系统中的各种干扰控制技术，并介绍如何运用低级工具实现2.4 GHz设计方案中的频率稳定性。

Wi-Fi

跳频扩频(FHSS)和直接序列扩频(DSSS)是两种免许可2.4GHz ISM频段中射频调制的方法。蓝牙使用FHSS，而 WirelessUSB、802.11b/g/a(也就是常说的 Wi-Fi)和802.15.4(与上层网络层相结合时称作ZigBee)则使用DSSS。所有这些技术都工作于全球通用的ISM频段(即2.400"2.483 GHz)(见图 1)

图 1：工作在2.4GHz频段中无线系统的信号比较。

采用Wi-Fi的主要推动因素是数据吞吐量。Wi-Fi通常用于计算机和本地局域网(LAN)的连接(并通过LAN间接连接到因特网上)。目前大多数Wi-Fi

设备为可每天充电的笔记本电脑或用市电供电的接入点，因此对供电问题并不敏感。

Wi-Fi使用DSSS技术，每个通道的带宽为22MHz，故允许同时采用三个均匀分布的通道而不会互相重叠。每个Wi-Fi接入点使用的通道均需手动配置；Wi-Fi客户会搜索所有通道中的可用接入点。

802.11采用一种称为巴克(Barker)码的11位伪随机噪声(PN)码来对每一原始数据速率为1及2Mbps的信息位进行编码。为实现更高的数据速率，802.11b通过补码键控技术(CCK)将6个信息位编码为一个8码片符号。

CCK算法中有64个可以使用的符号，要求每个802.11b无线电设备均包括64个单独的相关器(即用于将符号转化为信息位的器件)，这虽然会增加无线电设备的复杂性与成本，但能将数据速率提高至11Mbps。

蓝牙

蓝牙技术则侧重于蜂窝手机、耳机与PDA之间自适应组网的互操作性。大多数蓝牙设备都需要定期充电。

蓝牙采用FHSS并将2.4GHz ISM频段划分成79个1MHz的通道。蓝牙设备以伪随机码方式在这79个通道间每秒钟跳1,600次。所连接蓝牙设备被分组到称为微网(piconet)的网络中；每个微网均包括一个主设备和多达7个有效从设备。每个微网的通道跳频顺序源于主设备的时钟，所有从设备都必须保持与此时钟同步。

通过将数据包报头中的每个位发送三次，可对所有数据包报头执行前向纠错(FEC)。亦可将汉明(Hamming)码用于某类数据包数据有效载荷的前向纠错。汉明码虽会对每一个数据包带来50%的额外开销，但能纠正每个15位码字(每个15位码字包含10个信息位)中所有一位错误并检测两位错误。

表1

WirelessUSB

WirelessUSB设计旨在取代计算机输入设备(鼠标、键盘等)的有线连接，且其目标还瞄准无线传感器市场。WirelessUSB设备无需定期充电，用碱性电池能工作数月。

WirelessUSB采用无线电信号技术，类似于蓝牙标准，但其采用DSSS 而不是FHSS技术进行调制。每个WirelessUSB通道宽度1MHz，允许WirelessUSB像蓝牙那样将2.4 GHz ISM频段分为79个1MHz通道。

WirelessUSB设备具有频率捷变性，换言之，它们虽然采用“固定”通道，但在最初通道的质量不佳时又能动态改变通道。

WirelessUSB使用伪随机噪声(PN)码对每个信息位进行编码。大多数WirelessUSB系统均使用两个32码片PN码，以便在每个32码片符号中可编码两个信息位。这种方案可纠正多达3个码片错误(每符号)，并能检测到多达10个码片错误(每符号)。尽管使用32码片(有时甚至是64码片)PN码会将WirelessUSB的数据速率限制在62.5kbps上，但其数据完整性则远高于蓝牙，尤其在噪声环境下更是如此。

ZigBee

ZigBee设计旨在作为传感和控制网络的标准化解决方案，大多数ZigBee 设备都对用电非常敏感(如自动调温器、安全感应器等)，其电池寿命可以年来计算。

ZigBee可采用868MHz频段(欧洲)、915MHz频段(北美)及2.4GHz ISM频段(全球)中的DSSS无线电信号。在2.4GHz ISM频段中定义了16个通道，每通道宽3MHz，通道中心间隔为5MHz，使相邻信道间留有2MHz的频

率间隔。

ZigBee使用11码片PN码，每4个信号位编码为一个符号，最大数据速率为128Kbps。物理层和MAC层由IEEE 802.15.4工作组定义，与IEEE 802.11b 标准共享相同的设计特点。

2.4GHz无绳

2.4GHz无绳在北美日益流行，其不使用标准网络技术。有的无绳使用DSSS，但大多数使用FHSS。使用DSSS和其他固定通道算法的无绳通常在上有一个“通道”按钮，使用户能手动改变通道。而使用FHSS的则没有“通道”按钮，因为这种经常会改变通道。大多数2.4GHz无绳都使用带宽为5～10MHz的通道。

避免冲突的技术

除了解每项技术的工作原理外，了解上述技术在同构及异构环境下的相互作用也很重要。

Wi-Fi的免冲突算法在发射前会侦听“安静”的通道，这样多个Wi-Fi客户端能有效地与单一Wi-Fi接入点通信。如果Wi-Fi通道噪声很大，则Wi-Fi 设备在再次聆听该通道前进行随机退避。如果通道噪声仍然较大，那么会重复此过程直至通道安静为止。一旦通道安静下来，Wi-Fi设备将开始发射。如果通道一直嘈杂，那么Wi-Fi设备就会寻找另条通道上的其他可用接入点。

使用相同或重叠通道的Wi-Fi网络通过免冲突算法可以实现共存，但每个网络的吞吐量会有所下降。如果同一区域使用多个网络，那么我们最好使用非重叠的通道，比如通道1、6和11，这能提高每个网络的吞吐量，因为无需与其他网络共用带宽。由于蓝牙发射的跳频特性，故来自蓝牙的干扰最小。如果蓝牙设备在一个与Wi-Fi通道重叠的频率上发射，而Wi-Fi设备此时正在进行“发射前侦听”，则Wi-Fi设备会执行随机退避，在这期间，蓝牙设备会跳转到一个非重叠的通道，以允许Wi-Fi设备可开始发射。

即便无绳使用的是FHSS而不是DSSS，来自2.4GHz无绳的干扰也可完全中断Wi-Fi网络完全的工作，部分原因是因为与蓝牙(1MHz)相比其占用更宽的通道(5-10MHz)，以及无绳信号具有更高的功率。跳转到Wi-Fi通道中间的FHSS无绳信号能够破坏Wi-Fi发射，这就导致Wi-Fi设备要重复发射。

2.4GHz FHSS无绳很可能会干扰邻近所有Wi-Fi设备，因此我们不建议在