避免2.4GHz ISM频段各种类型无线设备干扰的技术

避免2.4GHz ISM 频段各种类型无线设备干扰的技术 2.4-GHz ISM Band 2.4-GHz 工业科学医疗频段 FHSS DSSS 跳频扩频与直接序列扩频

每一种标准2.4GHz 联网技术都进行了必要的设计折衷来减小干扰的影响或完全避免干扰。设计者可通过以下方法将其系统设计成具有频率捷变性，即：使用由正在实施的标准所提供的步骤、或采用本文所提到的方法并结合诸如RSSI 的无线电特性来构建其自己的协议等，通过这些方法可使产品在当前恶劣的2.4GHz ISM 频段环境下良好地工作。

随着越来越多的公司生产使用2.4GHz ISM 频段的产品，设计人员必须处理来自其他来源的更多信号。管理免许可频段的规章表明，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2.4-GHz 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。以现有的标准，如Wi-Fi 、蓝牙及ZigBee 等，绝大多数产品是以标准制定者所提供的方法来实现。但如果设计人员控制协议时，则存在一些可将外来干扰减至最小的方法和步骤。

2.4GHz 联网技术原理分析

1．Wi-Fi 系统

跳频扩频(FHSS )与直接序列扩频(DSSS)是两种用于免许可2.4GHz ISM 频段中射频调制的方法。蓝牙采用FHSS ，而无线USB 802.11b/g/a(常称为Wi-Fi)及802.15.4(当与顶部联网层结合时称为ZigBee)则采用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)。

采用Wi-Fi 的主要推动

因素是数据吞吐量。

Wi-Fi 一般用来将计算

机与本地局域网相连

(以及直接与互联网相

连)。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 采用DSSS ，其每

信道带宽为22MHz ，故

允许同时采用三个分布式信道而不会互相重叠。每个Wi-Fi 接入点所使用的信道均需人工配置，Wi-Fi 客户会搜索可用接入点的所有信道。 图1：工作于2.4GHz IFM 频段无线系统的信号比较。

802.11采用一种称为巴克码的11位伪随机噪声(PN)编码来对每一原始数据速率为1及

2Mbps的信息位进行编码。为达到更高的数据速率，802.11b利用补码键控(CCK)将6个信息位编码为8码片符号。

这种CCK算法可使用6?个符号，要求每一个802.11b无线电均含有6?个单独的相关器(即用于将符号转换为信息位的器件)，这虽然会增加无线电的成本与复杂性，但可将数据速率提高至11Mbps。

2．蓝牙系统

蓝牙技术则侧重于蜂窝手机、无绳电话与PDA之间的互操作性。大多数蓝牙设备均可定期充电。

蓝牙采用FHSS并将2.4GHz ISM频段划分成79个1MHz的信道。蓝牙设备以伪随机码方式在这79个信道间每秒钟跳1,600次。所连接蓝牙设备被分组到称为微网的网络中：每一个微网均包含一个主设备及七个从设备。每个微网的信道跳频序列源于主设备的时钟。所有从设备均必须保持与此时钟同步。

通过将数据包头中的每一位发送三次，可对所有数据包头执行前向纠错(FEC)。亦可将汉明码用于某类数据包数据载荷的前向纠错。汉明码虽会对每一个数据包带来50%的开销，但能纠正所有单个15位码字(每个15位码字包含10位信息)中所有一位错误并检测两位错误。

3．无线USB

无线USB被设计成计算机输入设备(鼠标、键盘等)连接电缆的??者，且其目标还瞄准无线传感器市场。无线USB设备无需定期充电，被设计成可使用碱性电池工作数月。

无线USB采用类似于蓝牙的无线电信号，但是采用了DSSS而不是FHSS。每一个无线USB信道宽1MHz，故允许无线USB像蓝牙那样将2.4GHz ISM频段分割成为79个1MHz 信道。无线USB设备具有频率捷变特性，换言之，它们虽采用“固定”信道，但如果最初信道的链路质量变得不理想，则会动态地改变信道。

无线USB采用伪随机噪声(PN)码来编码每一个信息位。大多数无线USB系统都使用32码片PN编码，以便在每一个32码片符号中编码两位信息位。这种方案可纠正3个码片错误(每符号)，并能检测10个码片错误(每符号)。尽管采用32码片(有时甚至是6?码片)PN编码会将无线USB的数据速率限制在62.5kbps上，但其数据完整性则要远高于蓝牙，尤其在噪声环境下。

4．ZigBee系统

ZigBee被设计成为一种用于传感器及控制网络的标准化解决方案。大多数ZigBee设备都对功率非常敏感(温度调节器、安全传感器等)，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个信道，每一信道宽3MHz，信道中心间隔为5MHz，使相邻信道间留有2MHz的频率间隔。

ZigBee 采用32码片PN 码，将4个信息位编码到每一个符号中，使其具有250Kbps 的最高数据速率。其物理及MAC 层由IEEE 802.15.4工作组定义，并拥有许多与IEEE 802.11b 标准一样的设计特征。

5．2.4GHz 无绳电话

2.4GHz 无绳电话在北

美越来越流行，且不采

用标准联网技术。虽然

有些无绳电话采用

DSSS ，但多数采用

FHSS 。采用DSSS 及

其他固定信道算法的无

绳电话一般在电话上装

有“信道”按键，使用户

能手动改变信道。

FHSS 电话则没有“信

道”按键，因为它们经常改变信道。大多数

2.4GHz 无绳电话均采用5至10MHz 的信道宽度。

避免冲突的技术

除了解每一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 免冲突法在发射前侦听“安静”的信道，这使得多个Wi-Fi 客户能有效地与单个Wi-Fi 接入点通信。如果Wi-Fi 信道噪声很大，则Wi-Fi 设备在又一次倾听信道前会进行随机退避。如果信道仍有噪声，则会重复此过程直至信道安静为止。一旦信道变得安静，Wi-Fi 设备即会开始发射。如果信道永远嘈杂，则Wi-Fi 设备会搜索另条信道上的其他可用接入点。 由于有免冲突算法，故采用相同或重叠信道的Wi-Fi 网络可共处，但每一网络的吞吐量会有所下降。如果在同一地域使用多个网络，则最好能使用非重叠信号，如信道1、6及11等。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。

由于蓝牙发送的跳频特性，故来自蓝牙的干扰很小。如果蓝牙设备在一个与Wi-Fi 信道重叠的频率上发送，而Wi-Fi 设备此时正在进行“发送前侦听”，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信道，以允许Wi-Fi 设备可开始发送。

即使无绳电话采用FHSS 而不是DSSS ，2.4GHz 无绳电话发出的干扰也可完全中断一个Wi-Fi 网络的工作。这部分是因为与蓝牙(1MHz)相比它占用更宽的信道(5-10MHz)，以及无绳电话信号具有更高的功率。跳转到Wi-Fi 信道中间的FHSS 无绳电话可能会破坏Wi-Fi 发送，从而导致Wi-Fi 设备需要重复发送。2.4GHz FHSS 无绳电话很可能会干扰邻近的所有Wi-Fi 设备。故建议在Wi-Fi 网络以外使用这些电话。如果无绳电话采用DSSS ，则可将无绳电话与Wi-Fi 接入点所使用的信道配置成互不重叠，以消除干扰。 图2：无线USB 设计的频率捷变示意图。