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1WirelessUSBWirelessUSB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。

ZigBeeZigBee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Wi-Fi网络附近使用这种。

如果无绳使用DSSS，那么无绳和Wi-Fi接入点使用的通道可配置成互不重叠，以消除干扰。

解决蓝牙的干扰在蓝牙中，来自其他蓝牙微网的干扰最小，因为每个微网都使用它自己的伪随机跳频模式。

如果两个共处的微网被激活，则发生冲突的概率为1/79。

冲突的概率随共处的有效微网的数量呈线性增加。

蓝牙最初采用跳频算法来处理干扰，不过人们意识到，单个活动的Wi-Fi网络会对四分之一的蓝牙通道造成严重干扰。

由于通道重叠导致的数据包丢失必须在空闲的通道上重新发射，这就大幅降低了蓝牙设备的吞吐量。

蓝牙规1.2版通过定义自适应跳频(AFH)算法来解决上述问题，这种算法使蓝牙设备能将通道标为好、坏或未知三种状态。

跳频模式中的坏通道可通过查询表由好通道来取代。

蓝牙主设备会定期聆听坏通道，以确定干扰是否消失；如果干扰消失，那么就将通道标记为好通道并将其从查询表中删除。

蓝牙从设备应主设备请求也能向主设备发送报告，告知其对通道质量的评估。

举例来说，从设备可能侦听到主设备未聆听到的Wi-Fi网络。

联邦通讯委员会(FCC)要求至少使用15个不同的通道。

AFH算法使蓝牙能避免使用Wi-Fi和WirelessUSB等DSSS系统占用的通道。

2.4GHz FHSS无绳仍可能会对蓝牙设备造成干扰，因为这两种系统都是在整个2.4GHz ISM频段上以跳频方式工作，不过，由于蓝牙信号的带仅为1MHz，因此FHSS无绳与蓝牙之间的冲突频率要远小于Wi-Fi和FHSS无绳之间的冲突频率。

蓝牙还支持三种不同的数据包长度，在给定信道上表现为具有不同的驻留时间。

蓝牙还可通过缩短数据包长度，以提高数据吞吐量可靠性。

在此情况下，最好是使较小数据包以较低的速率通过，这比以正常速率会丢失较大的数据包更为可取。

解决WirelessUSB和ZigBee的干扰问题在WirelessUSB中，每个网络在选择通道前都会检查其他WirelessUSB网络。

因此，其他WirelessUSB网络造成的干扰极小。

WirelessUSB至少每50ms都会检查一下通道的噪声大小。

Wi-Fi设备造成的干扰会导致持续的高噪声，这就会使WirelessUSB主设备选择新的通道。

WirelessUSB能与多个Wi-Fi网络和平共处，因为WirelessUSB能发现Wi-Fi网络之间的安静通道(图2)。

图 2：WirelessUSB 设计方案的频率捷变性方框图。

蓝牙的干扰可能会引起WirelessUSB数据包的重发射。

由于蓝牙的跳频特性，WirelessUSB数据包的重发射不会与下一次蓝牙传输发生冲突，因为蓝牙设备会跳到另一个通道。

蓝牙网络不会造成足够连续高的噪声电平来迫使无线USB主设备改变信道。

ZigBee规定了一种类似于802.11b的免冲突算法；每个设备在发射数据之前都会侦听通道，从而使ZigBee设备之间的冲突频率达到最小。

ZigBee 在干扰严重的情况下不会改变通道，而是通过低占空比以及免冲突算法来尽可能减少冲突造成的数据丢损失。

如果ZigBee使用的通道与一个频繁使用的Wi-Fi 通道相重叠，则现场实验结果显示，由于数据包冲突的缘故，有五分之一的ZigBee数据包都需要重发射。

我们能采取什么措施？在开发蓝牙、Wi-Fi或ZigBee解决方案时，设计人员必须使用规中所提供的方法。

在开发一种基于802.15.4、WirelessUSB或其他2.4GHz无线电的专用系统时，设计人员可使用较低级的工具即可获得频率捷变性。

由于存在与其他DSSS系统相重叠的风险，DSSS系统最可能发生工作失败的情况。

不过DSSS系统也能通过一定方式实现与FHSS系统类似的频率捷变性，方法之一就是通过网络监视。