作者：Peder Rand，德州儀器 (TI) LPW 系統工程師

2.4 GHz ISM 頻帶在全球的覆蓋率保證了其在設備廠商中的知名度。除了即將部署的設備迅速增加之外，共享這一頻帶的射頻技術與協議的數目也隨之增加。當然，所有設備均運行良好并且在頻帶調節范圍內運行是很重要的，但是即使是這樣，該頻帶中設備之間發生射頻干擾的機會也是相當多的（請參見圖 1）。該干擾可導致數據包丟失、功耗增加以及網絡性能下降。保持與該頻帶中其他設備良好共存的關鍵是就干擾而言的穩健性。適合該應用的頻率捷變方案及良好的選擇性，可以確保這一共存的實現。

圖1 區域性頻帶調節概述

2.4 GHz 頻帶中的干擾源

2.4 GHz ISM 頻帶中的干擾源種類不斷增加，其中包括 WiFi (IEEE 802.11b/g/n)、Bluetooth?、無繩電話、模擬視頻以及微波爐。其傳輸能量的空間以及這些能量如何隨著時間的變化在頻帶中分配因設備而異。國內環境下的典型狀況如圖 2 所示。

圖 2 國內環境中的典型 RF 狀況

干擾源可大致分為兩種類型：駐波設備及跳頻設備。駐波干擾源長期處于同一頻率之上，有時會有效地阻斷這一頻率附近的其他通信信號。例如 WiFi、微波爐及直接序列展頻 (DSSS) 無繩電話。另一方面，跳頻干擾源會不斷改變其運行通道。這些干擾源可引起整個頻帶干擾，而不會長時間地阻斷任何單個頻率信號。

DSSS 調制格式發送在頻譜中傳播的冗余信號，以提升在不良通信環境下重建接收機發射數據的機率。在 WiFi、ZigBee? 及其他 IEEE 802.15.4 網絡中均采用了這種技術。IEEE 802.15.4 在數據傳輸速率為 250 Kbps 的通道中發送了兩兆芯片數據。盡管這種調制格式具有很好的抗窄帶干擾特性，但它卻易受其他直接疊加 DSSS 信號的干擾。相反，相比其他窄帶干擾，窄帶跳頻展頻 (FHSS) 調制信號具有對 DSSS 信號更強的抗干擾性。在藍牙及諸多專用系統中均采用了 FHSS。

共存性差的影響

如果一個 RF 鏈路易受干擾，則該數據包在接收時將會包含一些錯誤信號，而且常常會丟失數據包。許多諸如 IEEE 802.15.4 的雙向 RF 協議均可保證在面臨偶然性數據包丟失時的服務質量。它們需要接收機通過傳輸已知的 ACK（確認）數據包確認數據包的接收。如果發送器未接收到 ACK 數據包，則原始數據包就會被重復傳輸。這種重復傳輸會一直持續到 ACK 被正確接收或者發送器認為通信鏈路信號丟失為止。單向 RF 協議通常通過多次傳輸同一個數據包來解決數據包丟失問題，以提高該數據包完整到達接收機的概率。

由于干擾引起的數據包丟失主要有三方面影響：時延增加、功耗增加、數據吞吐能力下降。舉例說明時延增加：在雙向 ACK 系統中，首個數據包由于干擾而未被正確接收。發送器等待來自接收機的 ACK 數據包的同時必須有一段停止運行時間，隨后方能假定原始數據包丟失，然后再次發送原數據包。在一個存在嚴重干擾的環境和一個易受干擾影響的系統中，像這樣的重復傳輸可能需要重復多次方能實現通信成功，因此延遲會增加。用于畫圈的無線鼠標就是一個典型例子，說明由共存性差造成的延遲增加對用戶體驗的影響程度。在圖 3 中，兩個 2.4GHz 無線鼠標解決方案受到計算機與距接收加密狗 (receiving dongle) 3 米遠的路由器之間的WiFi文件傳輸干擾。左側的解決方案明顯存在斷斷續續的時延問題。通過假設在兩個坐標之間存在一條直線與一個曲線運動就可在計算機中看到這些問題。右側的解決方案具有良好的選擇性，并運用自適應跳頻算法，這樣就使得圓圈未受干擾影響。

圖 3 由干擾引起的無線鼠標時延問題的實例

這些圖片摘自演示 TI RadioDeskTM 解決方案與其競爭產品之間干擾穩健性比較的視頻文件。重復傳輸延長了發送器與接收機完成一次傳輸的運行時間。這就直接導致了網絡功耗的增加。就諸如傳感器網絡等電池驅動的應用而言，這可能會導致電池使用壽命大大短于高干擾環境中預期的電池使用壽命。

頻繁的重復傳輸也會降低高吞吐量網絡的總吞吐量。例如，當通過一個 RF 鏈路傳輸音頻時，如果干擾引起大部分數據包丟失，那么為避免出現滴答聲必須降低較大數據傳輸率。

如何實現良好的共存

在某些環境中，在 2.4 GHz ISM 頻帶的某些部分可能會有顯著干擾，而該頻帶的其他部分又有助于通信。跳頻或頻率捷變算法將保證網絡不因嚴重干擾而阻塞，而且良好的選擇性也可將通信受該頻帶其他部分的干擾降到較低。

選擇性

選擇性是接收機的一個硬件參數。RF 接收機在其試圖接收的頻率內受不必要信號的影響，同時某種程度上還受鄰近頻率信號傳輸的影響。如圖 4 所示，當目標信號在一個與 WiFi 通道不發生疊加的通道內傳輸時，接收機仍會接收來自 WiFi傳輸時的干擾。

圖 4 接收機不僅僅只接收有用信號

選擇性是測定接收機在接收到數據包無誤時能忍受干擾源在鄰近通道傳輸時干擾的強度。選擇性或干擾阻抗通常是指產品說明書中的鄰近通道或相間通道抑制，以 dB 為單位表示。圖 5 顯示的就是兩個鄰近通道的干擾源。鄰近通道與相間通道中的干擾源均極其接近，會嚴重干擾接收機，較終導致數據包錯誤。

圖 5 選擇性通常以鄰近通道和相間通道抑制衡量

選擇性也可以衡量在未降低靈敏度的情況下接收機位置與干擾發射機距離的鄰近程度。根據經驗，每增加 6dB 的選擇性，便可在未降低靈敏度情況下將接收機與干擾發射機的距離縮短兩倍。例如，假設為自由空間且目標信號頻率為 +10MHz 時的干擾發射機峰值功耗為 +10 dBm，那么接收機在開始受到干擾之前的較短距離為：

55dB 選擇性：0.69 米（干擾發射機信號為：–82 + 55 = –27dBm)
28 dB 選擇性：15.4 米（干擾發射機信號為：–82 + 28 = –54dBm)

諸如 IEEE 802.15.4 的無線標準設置了接收機選擇性的較低要求。如果要想獲得一個穩健的系統就應當超過這些較低要求。ZigBee 聯盟較近發表了一份關于 ZigBee 與WiFi 共存的白皮書，強調了 IEEE 802.15.4 對選擇性要求的重要性。

對于干擾常見的錯誤認識在于，增加鏈路預算可對選擇性加以補償，這是錯誤的做法。我們可以使用雞尾酒會中一個相類似的例子來說明上述問題：如果一個人無法選擇（良好的選擇性）聽什么，那么叫喊的聲音再大（高 TX 功耗）或聽力絕好（高靈敏度）都對他無濟于事。喊聲太大（高 TX 功耗）則可能會因為由此帶來的噪音（干擾）而導致人們聽不到彼此在說些什么。

靜態跳頻

跳頻是讓您不斷變換網絡通道一種方法。跳頻算法的一個例子就是藍牙 1.0 與藍牙 1.1技術的實施。主設備會產生一個通道偽隨機序列，將其用于隨后的時隙中，并將其分配給網絡成員。然后網絡成員就可在預定的通道之間進行同步跳躍。這一方案的優點在于，網絡在單一通道停留的時間短，因此如果在一條通道內存在嚴重干擾，并且通信信號全部丟失，那么就可在下一個時隙中在另一通道上再試。缺點在于，網絡必須同步，因為如果網絡轉入一個全部通信信號因干擾而丟失的通道中時，網絡成員將全部同時決定轉移至下一個通道。除通道列表分配之外，這樣就會增加軟件復雜性和網絡流量的總開銷。這一算法的缺點在于，如果像 WiFi 網絡這樣的干擾源造成四分之一 2.4 GHz 頻帶可用通道受到干擾時，網絡的吞吐量就會降低四分之一。如果相繼選擇了幾個受嚴重干擾的通道，那么時延就會很高。

圖 6 靜態跳頻

自適應跳頻

自適應跳頻是對靜態跳頻算法的一種增強算法。該算法可以使系統主設備記住未受干擾的通道，并更頻繁地使用這些通道。主設備保留著一張數據表，上面有對各通道的打分記錄。該表會根據通道的通信質量不斷更新升級。一般經過確定性選擇哪些通道需要跳至下一個通道，或運用基于表中分值的隨機加權值進行選擇。下一步即將采用的通道列表將分配給各網絡設備。對于諸如鍵盤/鼠標、遙控和音頻等許多同步運行應用來說，一種自適應跳頻算法可在減少干擾中發揮有效的作用，藍牙 1.2 和 RadioDesk 就采用了這一系統。

圖 7 自適應跳頻

頻率捷變

頻率捷變是一種極其緩慢的跳頻算法。數據包錯誤率 (PER) 高于特定閾值之前，網絡會一直停留在同一通道上。在實際應用中，當其發現一個受干擾極少的通道時，它就會停留在那里直至發生新的干擾。這一方案被用于賽普拉斯 (Cypress) 的 WirelessUSB 標準中，并作為未來 ZigBee 2007 標準的可選方案。頻率捷變的優點在于，當干擾模式發生極小變化時，開銷極小，而且吞吐量大；但是當受到像藍牙這樣的跳頻干擾源干擾時，一般不愿意變換通道，這是頻率捷變系統面臨的一個挑戰。該系統應有足夠的耐心去等待跳頻干擾源轉移至下一個通道，并且當一個新的靜態干擾源干擾系統時它可以繼續迅速傳輸。頻率捷變的缺點在于，當檢測到不能接受的干擾、必須改變頻率時，主設備就沒有可靠的渠道通知網絡成員頻率發生改變。相反，必須使用超時功能，例如，變頻引起的時延可能不會被用戶界面系統接受。<