嵌入式無(wú)線應(yīng)用的可靠性和功率效率優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于 2.4GHz 技術(shù)在全球范圍內(nèi)均可免授權(quán)使用、數(shù)據(jù)傳輸速率更快，且相對(duì)于不足 1GHz 的技術(shù)而言還有許多其他內(nèi)在的優(yōu)勢(shì)，目前得到了上述諸多無(wú)線系統(tǒng)的普遍青睞。但這種技術(shù)的缺點(diǎn)在于，這些系統(tǒng)不僅要相互之間、而且也要和 Wi-Fi、無(wú)繩電話(huà)和藍(lán)牙等各種正在流行的2.4GHz系統(tǒng)爭(zhēng)搶頻道，各種 2.4GHz 無(wú)線系統(tǒng)之間不可避免地會(huì)發(fā)生相互干擾，增加通信故障的幾率。因此，射頻工程師只構(gòu)建可以無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)的無(wú)線電設(shè)備和協(xié)議棧而不考慮抗干擾機(jī)制顯然已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。設(shè)計(jì)人員必須采用智能技術(shù)，確保嵌入式無(wú)線系統(tǒng)在日益擁擠的 2.4GHz 射頻頻譜中能夠切實(shí)可靠地工作。

　　功耗是射頻工程師面臨的另一大關(guān)鍵問(wèn)題。許多嵌入式無(wú)線應(yīng)用都要求電池供電的產(chǎn)品能夠持續(xù)工作達(dá)數(shù)年之久，而不是僅持續(xù)幾個(gè)星期或幾個(gè)月。工程師不能僅采用超低電流消耗的射頻組件來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)效率。大多數(shù)低功耗收發(fā)器在睡眠模式中的耗電量都比其在收發(fā)模式中的低 1000 倍，因此工程師必須設(shè)法減少過(guò)多的重復(fù)發(fā)送循環(huán)并盡可能延長(zhǎng)系統(tǒng)的睡眠時(shí)間。工程師可通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)速率和動(dòng)態(tài)輸出功率技術(shù)解決可靠性和功率效率問(wèn)題。

　　可靠性

　　您只需觀察設(shè)備間成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包占所有數(shù)據(jù)包的比例就能判斷出無(wú)線鏈接的可靠性。在許多情況下，提高成功傳輸率可能只會(huì)增強(qiáng)用戶(hù)的使用體驗(yàn)。但是，在安全和醫(yī)療設(shè)備等特定應(yīng)用中，成功傳輸率是一個(gè)不容忽視的關(guān)鍵要求。

　　在典型的低功耗射頻系統(tǒng)中，信道以一定的數(shù)據(jù)速率發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。工程師常常采用頻率捷變技術(shù)來(lái)增強(qiáng)可靠性，讓系統(tǒng)在面臨當(dāng)前信道噪聲過(guò)大、導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失的情況下主動(dòng)選擇噪聲較低的信道。具有頻率捷變的系統(tǒng)要求收發(fā)器能夠快速切換信道，而且需要協(xié)議棧能夠告訴收發(fā)器選擇哪個(gè)信道。大多數(shù)低功耗 2.4GHz 收發(fā)器都能迅速切換信道，但并非所有的協(xié)議棧都具有內(nèi)置的頻率捷變。最新型ZigBee 2007 Pro 規(guī)范和賽普拉斯專(zhuān)有的CyFi Star網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都具有可防御干擾的頻率捷變。

　　不過(guò)，頻率捷變自身還遠(yuǎn)不足以確保 2.4GHz 頻帶內(nèi)的無(wú)憂(yōu)安全連接。在一些采用頻率捷變的實(shí)施方案中，系統(tǒng)僅在數(shù)據(jù)包大量丟失而引發(fā)網(wǎng)絡(luò)連接故障時(shí)才切換信道。因?yàn)橹荒茉诰W(wǎng)絡(luò)連接發(fā)生故障后才會(huì)啟用新的低噪聲信道，這種性能并不理想。鑒于此，頻率捷變尚不足以預(yù)防系統(tǒng)故障，而僅能從故障中恢復(fù)而已。恢復(fù)功能對(duì)可以容許隨機(jī)數(shù)據(jù)包丟失的體育休閑類(lèi)應(yīng)用可能已經(jīng)足夠了，但有些應(yīng)用（如醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)過(guò)程控制）則不能容許數(shù)據(jù)包有過(guò)多的丟失。

　　頻率捷變的另一不足之處在于其假定相關(guān)射頻頻譜中總是存在一條無(wú)噪聲的信道。在 2.4GHz 頻帶中，802.11g 路由器等設(shè)備要占用 22 MHz 的帶寬，而 802.11n 路由器則會(huì)占用多達(dá) 40 MHz 的帶寬。僅兩臺(tái) Wi-Fi 路由器就足以占用整個(gè) 2.4GHz 頻帶了，而其他系統(tǒng)很難再找到未占用的低噪聲信道，因而降低了頻率捷變的有效性。

　　優(yōu)化可靠性

　　盡管頻率捷變自身還不足以提供全面的可靠性，不過(guò)我們可通過(guò)實(shí)施動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)速率來(lái)增強(qiáng)穩(wěn)健性，從而確保 2.4GHz 頻帶內(nèi)的無(wú)憂(yōu)安全連接。“動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)速率”是指系統(tǒng)實(shí)時(shí)自動(dòng)變換數(shù)據(jù)傳輸速率的能力。顯而易見(jiàn)，人們似乎總是傾向使用最大傳輸速率。例如，就手機(jī)而言，Apple iPhone可以在移動(dòng)環(huán)境增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率全局系統(tǒng) (EDGE)、第三代 (3G) 和 Wi-Fi 協(xié)議之間無(wú)縫切換，從而為用戶(hù)提供盡可能高的數(shù)據(jù)速率。

圖1，32片順序。