嵌入式无线应用的可靠性和功率效率优化

由于 2.4GHz 技术在全球范围内均可免授权使用、数据传输速率更快，且相对于不足 1GHz 的技术而言还有许多其他内在的优势，目前得到了上述诸多无线系统的普遍青睐。但这种技术的缺点在于，这些系统不仅要相互之间、而且也要和 Wi-Fi、无绳电话和蓝牙等各种正在流行的2.4GHz系统争抢频道，各种 2.4GHz 无线系统之间不可避免地会发生相互干扰，增加通信故障的几率。因此，射频工程师只构建可以无线收发数据的无线电设备和协议栈而不考虑抗干扰机制显然已远远不够。设计人员必须采用智能技术，确保嵌入式无线系统在日益拥挤的 2.4GHz 射频频谱中能够切实可靠地工作。

功耗是射频工程师面临的另一大关键问题。许多嵌入式无线应用都要求电池供电的产品能够持续工作达数年之久，而不是仅持续几个星期或几个月。工程师不能仅采用超低电流消耗的射频组件来优化系统效率。大多数低功耗收发器在睡眠模式中的耗电量都比其在收发模式中的低 1000 倍，因此工程师必须设法减少过多的重复发送循环并尽可能延长系统的睡眠时间。工程师可通过动态数据速率和动态输出功率技术解决可靠性和功率效率问题。

可靠性

您只需观察设备间成功传输的数据包占所有数据包的比例就能判断出无线链接的可靠性。在许多情况下，提高成功传输率可能只会增强用户的使用体验。但是，在安全和医疗设备等特定应用中，成功传输率是一个不容忽视的关键要求。

在典型的低功耗射频系统中，信道以一定的数据速率发送和接收数据包。工程师常常采用频率捷变技术来增强可靠性，让系统在面临当前信道噪声过大、导致数据包丢失的情况下主动选择噪声较低的信道。具有频率捷变的系统要求收发器能够快速切换信道，而且需要协议栈能够告诉收发器选择哪个信道。大多数低功耗 2.4GHz 收发器都能迅速切换信道，但并非所有的协议栈都具有内置的频率捷变。最新型 ZigBee 2007 Pro 规范和赛普拉斯专有的CyFi Star网络协议都具有可防御干扰的频率捷变。

不过，频率捷变自身还远不足以确保 2.4GHz 频带内的无忧安全连接。在一些采用频率捷变的实施方案中，系统仅在数据包大量丢失而引发网络连接故障时才切换信道。因为只能在网络连接发生故障后才会启用新的低噪声信道，这种性能并不理想。鉴于此，频率捷变尚不足以预防系统故障，而仅能从故障中恢复而已。恢复功能对可以容许随机数据包丢失的体育休闲类应用可能已经足够了，但有些应用（如医疗设备和工业过程控制）则不能容许数据包有过多的丢失。

频率捷变的另一不足之处在于其假定相关射频频谱中总是存在一条无噪声的信道。在 2.4GHz 频带中，802.11g 路由器等设备要占用 22 MHz 的带宽，而 802.11n 路由器则会占用多达 40 MHz 的带宽。仅两台 Wi-Fi 路由器就足以占用整个 2.4GHz 频带了，而其他系统很难再找到未占用的低噪声信道，因而降低了频率捷变的有效性。

优化可靠性

尽管频率捷变自身还不足以提供全面的可靠性，不过我们可通过实施动态数据速率来增强稳健性，从而确保 2.4GHz 频带内的无忧安全连接。"动态数据速率"是指系统实时自动变换数据传输速率的能力。显而易见，人们似乎总是倾向使用最大传输速率。例如，就手机而言，Apple iPhone可以在移动环境增强型数据速率全局系统 (EDGE)、第三代 (3G) 和 Wi-Fi 协议之间无缝切换，从而为用户提供尽可能高的数据速率。

图1，32片顺序。

实践证明，DSSS 在有随机噪声或者可能会出现短暂突发干扰而导致个别片出错的环境中非常有效。如果系统在噪声干扰持续破坏随机位的环境中不使用 DSSS，数据包可能根本无法得以成功传输。
DSSS并不总是可以适应于各类环境的最稳健的技术。由于 DSSS 降低了数据速率，因此延长了无线电空中传输的时间，而这也增加了与其他网络冲突的几率。例如，如果系统运行的信道空间与传输视频文件的 Wi-Fi 路由器的信道相同，就会引发冲突，导致 Wi-Fi 数据包破坏系统数据包。所以当与Wi-Fi系统处于同一工作环境时，更有效的方法是尽量提高传输速率，并设法在Wi-Fi数据包之间找到短的间隙期间内进行转输。

不同数据速率在不同类型的干扰情况下其稳健性有所不同，因此可靠的系统可采用动态数据速率技术根据当前环境而进行实时调节。收发器和协议栈必须协同监视环境，并随时选择能够优化可靠性的数据速率。为了实现收发器和协议栈之间的协作，收发器必须支持快速、非编码数据速率以及较慢的编码数据速率。此外，由于数据速率是不可预见的，接收设备必须能够判定发射无线电正在使用的数据速率。为了将数据速率通知给接