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工业无线技术的五大选择标准

Jim Davis?? CyFi Low-Power RF全球经理?? 赛普拉斯半导体公司?? 2009年06月18日 ?? 收藏0

无线应用显然为相关产业带来了巨大优势,如支持全新监视与控制功能,在现有功能基础上增加了灵活性,降低了运营和进程管理成本等。作为响应,多种不同的无线解决方案和应用在不同领域应运而生,以满足不断增长的业界需求。也就是说,工业领域为许多传统无线解决方案带来了并非其设计之初所考虑要解决的一系列独特挑战,比如高可靠性、低系统功耗,以及要能在 RF 干扰较高的物理环境下工作,同时还要不断降低成本等。无线技术的使用范围不断扩大也成了一个新的挑战,由于许多不同的应用都要抢占相同的 RF 频率,因此会导致频谱过于拥挤,使现有的工业挑战变得更为复杂。面对工业领域及无线应用所带来的诸多挑战,我们怎样才能在现有的解决方案中做出明智的选择,确保满足环境需求呢?下面,让我们看一下解决上述问题所需的五大要素。
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可靠性

就本文来说,可靠性就是指无线解决方案穿越工业领域所带来的诸多障碍实现通信的能力。无线系统有具体的特征,这些特征有助于决定在给定系统中如何可靠地工作。这些特征其中之一就是频谱应用,就是无线通信用什么 RF 频谱进行通信。另一个特征就是技术的接收灵敏度,即收发器识别出通信内容的最低程度。第三

个特征是输出功率,即技术通信需要多大的功率。第四个特征是 RF 捷变性,也就是技术能否支持在 RF 频谱中移动以避免干扰。第五个特征是抗干扰性,即 RF 技术能否在面临干扰的情况下确保给定通道的通信。

RF频谱应用在很大程度上取决于 RF 波物理特性决定的环境。频率越低,波长越大,也就越难被液体和混凝土等常见制造材料吸收。不过,RF 频谱及其应用是一个受政府高度管理的无线通信领域,只有少部分频谱预留给这些通信在本地和国际上非限制地使用,也就是所谓的工业、科学和医疗 (ISM) 波段。在此波段内,被接受和常用的最主要的频率是 ISM 波段的 2.4-GHz 部分。在此频率下,工业领域中恶劣的 RF 环境会很快吸收掉较小的波长,因此需要更需要关注剩余变量来测量可靠性。

我们可将接收灵敏性、输出功率和抗干扰性全部量化,以形成定义可靠性的更大更重要的变量,即链路预算。链路预算可定义为接收灵敏性加上输出功率和抗干扰性的绝对值。接收灵敏性越高,输出功率越大,抗干扰性就越强,解决方案的链路预算就越高。而链路预算越高,无线解决方案受 RF 吸收和干扰影响的几率就越低,从而有助于提高可靠性。收发器的接收灵敏度和输出功率往往是决定链路预算的组件级鉴别器,我们可以方便地对其加以评估和比较。但是,抗干扰性很大程度上取决于无线收发器采用何种类型的技术来提高信号存活性。当前使用的、可以直接改善这一功能的最佳技术之一就是直接系列扩频 (DSSS) 调制技术。

DSSS 调制技术基本上是一种对发送信号进行前向纠错的方法,用于减小信号干扰造成数据丢失的影响。具体而言,DSSS 根据发射器和接收器共享的伪随机噪声码将一组数据编码为较大的比特流。例如,在图 1 中,8 位数据编码为 32 个码片,在此情况下,4 个码片相当于 1 位。随后,码片在 RF 信号上调制发送。接收器将接收信号的码片解调,并反向执行 DSSS 编码方案。即便由于信号噪声或干扰会出现解调错误,原始数据仍然可以恢复。

直接系列扩频技术

图,-直接系列扩频技术
通道跳频

图,——通道跳频

最后,RF 捷变性可通过避免干扰技术提高可靠性,也就是通过 RF 频谱跳频或者移动来避免干扰。解决方案的自由度越高,就越有利于找到 RF 干扰较小的环境,降低干扰。目前使用的不同 RF 捷变性技术主要分为两大类,一类是伪随机或算法型跳频方案,可在频谱内持续跳频,以尽量减少干扰,还有一类则是仅在需要时才移动的智能方案(见图 2)。从可靠性的角度来看,第一类捷变性方案的问题在于,如果 RF 频谱内比较繁忙,那么可能会无意中跳频到干扰较高的频谱部分中去,而智能型技术则会找到干扰较低的位置并随即停止移动。不管采用何种捷变性方案,RF 捷变性都取决于 RF 频谱的使用和通道的大小。依靠 RF 频谱应用,捷变性可以有或多或少的空间。例如,由于频率分配的缘故,低频解决方案相对于高频解决方案而言空间较小。2.4-GHz 解决方案支持约 100-MHz 的可用频谱,而 900-MHz 解决方案仅支持约 26-MHz 的空间。通道大小也是影响 RF 捷变性的一个重要因素。通道尺寸越小,频谱中捷变性的空间就越大,从而能以更高的 RF 捷变性来避免干扰,在干扰信号间找到干扰最小的工作频率。例如,就 2.4-GHz 无线解决方案而言,基于 802.15.4 的解决方案一般宽度为 5-MHz,只有 16 个可用的通道,而宽度为 1-MHz 的解决方案通常支持 80 个可用通道,因此就能在更多通道间移动以避免干扰。

因此,可靠性就是关于 RF 频谱应用的链路预算与 RF


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工业无线? DSSS? RF?

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